CN209748383U - 一种伺服电机及电动汽车 - Google Patents

Abstract

一种伺服电机及电动汽车，其包括定子和设置在定子外周的转子，所述定子铁芯具有沿定子的径向向外突出并沿着周向等间隔布置的多个极靴，多个第一电枢绕组和多个第二电枢绕组缠绕在极靴上，转子包括圆筒形永磁体固定架和沿周向设置有齿的驱动筒，固定架上设置有多个等间隔布置的槽，槽在固定架内部的部分沿轴向延伸且截面为扇形，在固定架的顶部的部分沿径向延伸，槽用于固定永磁体，在固定架内腔呈N极性和S极性永磁体交错设置，每个永磁体具有基部和从基部延伸的部分，基部设置在固定架顶部沿径向的槽中，从基部延伸的部分设置在固定架内部沿轴向的槽中。利用本实用新型提供的旋伺服电机的重量轻，节能。

Description

一种伺服电机及电动汽车

技术领域

本实用新型涉及一种用于伺服电机及电动汽车，属于电机技术领域。

背景技术

随着石油资源的减少，以及燃油汽车对环境的污染，电动汽车成将是未来的主流。电动车中，影响质量的最主要的部件是电池、电机和电机控制器，电机是实现电能转换为机械能的关键部件，属于电动车核心功率部件，要求其能够持续可靠的运行。现有技术中的电机通常是转子置于定子内，电机输出轴经减速器驱动执行部件运行。而减速器是非常复杂的齿轮传动机构，重量很重，因此如何减轻变速器的重量或者不使用减速器对减轻电动车的重量显得很重要。

实用新型内容

为克服现有技术存在的缺点，本实用新型的发明目的是提供一种用于伺服电机及电动汽车，其重量轻。

为实现所述发明目的，一种伺服电机，其包括定子和设置在定子外周的转子，所述定子铁芯具有沿定子的径向向外突出并沿着周向等间隔布置的多个极靴，多个第一电枢绕组和多个第二电枢绕组缠绕在极靴上，其特征在于，转子包括圆筒形永磁体固定架和沿周向设置有齿的驱动筒，固定架上设置有多个等间隔布置的槽，槽在固定架内部的部分沿轴向延伸且截面为扇形，在固定架的顶部的部分沿径向延伸，槽用于固定永磁体，在固定架内腔呈N极性和S极性永磁体交错设置，每个永磁体具有基部和从基部延伸的部分，基部设置在固定架顶部沿径向的槽中，从基部延伸的部分设置在固定架内部沿轴向的槽中。

优选地，所述伺服电机还包括驱动装置，所述驱动装置包括逆变电路，逆变电路包括多个桥臂和储能电容，每个桥臂上设置有升压电路，每个桥臂至少包括上第一类型电开关和下第第一类型电开关，储能电容的第一端连接于第一二极管的正极；第一二极管的负极连接于上第一类型电开关的第一端；上第一类型电开关的第二端连接于下第一类型的电开关的第一端；下第一类型电开关的第二端连于储能电容的第二端并连接于地；上第一类型电开关和下第一类型的电开关的控制端均连接于控制单元，由控制单元分别提供脉宽调制信号，升压电路将直流电源升压并给储能电容充电，利用储能电容给桥臂的电开关提供电能。

优选地，所述升压电路包括第二类型的电开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第一电容；所述第二类型电开关的控制端连接于上第一类型电开关的控制端，第二类型电开关的第一端连接于第一二极管的正极和直流电源，第二类型电开关的第二端连接于第一电容的第二端，第一电容的第一端连接于第一二极管的负极和第二二极管的正极；第二二极管的负极连接于储能电容的第一端；第三二极管的负极连接于上第一类型的电开关的源极。

优选地，桥臂为三个。

优选地，所述第一类型电开关为场效应管，第二类型电开关为与第一类型场效应管极性相反的场效应管。

优选地，所述第一类型电开关为N沟道场效应管，所述第二类型电开关为P沟道场效应管。

优选地，驱动装置至少包括识别单元，其根据输入速度信号和转矩指令，并根据速度信号和所述转矩指令计算出电动机的转子惯量和安装在电动机上的刚体负载的惯量的和值J以及粘滞摩擦系数D。

优选地，驱动装置还包括控制信号生成单元，其根据识别单元和位置指令值生成校正信号Ff。

优选地，校正信号通过下式得到：

Ff＝AJP″_ref+BDP′_ref

式中，A和B为常数，P″_ref为位置指令值的2阶微分；P′_ref为位置指令值的1阶微分。

为实现所述实用新型目的，本实用新型还提供一种电动汽车，其具有上述任一伺服电机。

与现有技术相比，利用本实用新型提供的用于伺服电机及电动汽车，重量轻，节能。

附图说明

图1是本实用新型提供的伺服电机的结构示意图；

图2是本实用新型提供的沿图1所示的伺服电机的AB线垂直于轴切割的截面示意图；

图3是本实用新型提供的伺服电机的驱动装置组成框图；

图4是本实用新型提供的逆变电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1是本实用新型提供的伺服电机的结构示意图；图2是本实用新型提供的沿图1所示的伺服电机的AB线垂直于轴切割的截面示意图，如图1-2所示，伺服电机包括定子和设置在定子外周的转子，所述定子铁芯7具有沿定子的径向向外突出并沿着周向等间隔布置的多个极靴2，多个第一电枢绕组4和多个第二电枢绕组5缠绕在多个极靴2上。本实用新型中，缠绕在各极靴2上的第一电枢绕组4和多个第二电枢绕组5的相别、极性从纸面上端起按照顺时针方向为(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)，这里，把在一个极靴上缠绕的相利用“/”表示，另外，“+”和“-”表示缠绕极性(缠绕方向)相互相反。但是与缠绕在同一个极靴上的2个绕组的配置顺序无关，例如，也可以把记载为(U+/V-)的位置配置成(V-/V+)，使径向的位置相反。

转子包括圆筒形永磁体固定架和沿周向设置有齿的驱动筒4，固定架上设置有多个等间隔布置的槽，槽在固定架内部的部分沿轴向延伸且截面为扇形，在固定架的顶部的部分沿径向延伸，槽用于固定永磁体，在固定架内腔呈N极性和S极性永磁体交错设置，每个永磁体为“L”形，其具有基部和从基部延伸的部分，基部设置在固定架顶部沿径向的槽中，从基部延伸的部分设置在固定架内部沿轴向的槽中。

利用本实用新型如此结构的伺服电机不需要减速器，可直接驱动运行部件工作，因此减小了重量，同时，利用上述缠绕电枢绕组的方式能够消弱磁动势的低次磁动势成分，从而在铁芯中没有低次磁通的变动，不发生涡电流。由于能够减少在转子铁芯中流过的涡电流，因此能够降低涡电流损失。由于能够根本性地降低涡电流，因此不需要以往那样的叠层励磁磁极铁轭或者划分块形铁轭，从而能够降低由设备投成本或者由部件数量增加引起的成本。利用本实用新型提供的伺服电机的设备体积小，活动灵活。

图3是本实用新型提供的伺服电机的驱动装置组成框图，如图3所示，本实用新型提供的驱动装置包括位置控制单元31、速度控制单元32、转矩控制单元33、位置检测单元28、差分器35和控制常数识别单元36，其中，位置控制单元31输入位置指令Pref和电动机M的位置信号Pfb，并向速度控制单元32输出速度指令Vref。速度控制单元32输入所述速度指令Vref和电动机M的速度信号Vfb，向转矩控制单元33和控制常数识别单元36输出转矩指令Tref。转矩控制单元33输入所述转矩指令Tref，向电动机M输出电动机M,驱动电流Im1。电动机M被所述电动机驱动电流Im1驱动，产生转矩，以驱动刚体负载。另外，电动机M中安装有位置检测器28，以向位置控制装单元31和差分器35输出电机位置信号Pfb。差分器35输入所述位置信号Pfb，向速度控制单元32和控制常数识别单元36输出所述速度信号Vfb。控制常数识别单元36输入所述速度信号Vfb和所述转矩指令Tref，并根据速度信号Vfb和所述转矩指令Tref计算出电动机M的转子惯量和安装在电动机M上的刚体负载的惯量的和值J以及粘滞摩擦系数D。位置控制单元31进行位置控制运算以使所述位置信号Pfb与所述位置指令Pref一致。速度控制单元32进行速度控制运算以使所述速度信号Vfb与所述速度指令Vref一致。转矩控制单元33进行转矩控制运算以使电动机M产生的转矩与所述转矩指令Tref一致。位置检测单元28检测电动机M的位置。差分器35获取所述位置信号Pfb的每隔一定时间的差分，求出所述速度信号Vfb。

本实用新型提供的电机驱动电路还包括信号生成器37，其输入位置控制单元的位置指令Pref，生成校正信号Ff后输出。速度控制单元32的输出信号和该校正信号Ff之和为转矩指令Tref。本实用新型的前校正信号Ff通过下式得到：

Ff＝AJP″_ref+BDP′_ref

式中，A和B为常数，P″_ref为位置指令Pref的2阶微分；P′_ref为位置指令Pref的1阶微分。控制常数识别单元36计算出惯量的和值J以及粘滞摩擦系数D以控制上式中的J和D，以进一步控制电机M。

本实用新型中，

图4是本实用新型提供的逆变电路的电路图，如图4所示，本实用新型提供的逆变电路用于将直流电压转换交流电压并分别提供的电机M的三个电枢绕组U相，V相和W相。逆变电路包括多个桥臂、电容C4、电容C5和电感L，逆变电路用于将直流电源Ec输出的直流电压转换为交流电压。每个桥臂上设置有升压电路，每个桥臂至少包括上第一类型电开关和下第一类型电开关，所述储能电容C4的第一端连接于第一二极管的正极；第一二极管的负极连接于上第一类型电开关；上第一类型电开关的第二端连接于下第一类型的电开关的第一端；下第一类型电开关的第二端连于储能电容的第二端并连接于地；上第一类型电开关和下第一类型的电开关的控制端均连接于控制单元，由控制单元分别提供脉宽调制信号，升压电路将直流电源升压并给储能电容充电，利用储能电容经桥臂给一相电枢绕组提供电能。优选地，所述升压电路包括一个第二类型的电开关、一个第二二极管、一个第二二极管、第一个第三二极管和一个第一电容；所述第二类型电开关的控制端连接于上第一类型电开关，第二类型电开关的第一端连接于第一二极管的正极和电流电源，第二类型电开关的第二端连接于第一电容的第二端，第一电容的第一端连接于第一二极管的负极和第二二极管的正极；第二二极管的负极连接于储能电容的第一端；第三二极管的负极连接于上第一类型的电开关的源极。优选地，桥臂为三个。优选地，所述第一类型电开关为场效应管，第二类型电开关为与第一类型场效应管极性相反的场效应管。更为优选地，所述第一类型电开关为N沟道场效应管，所述第二类型电开关为P沟道场效应管。

具体地，本实用新型提供的逆变电路包括三个桥臂、电容C4、电容C5和电感L，第一桥臂包括上N沟道场效应管Q1和下N沟道场效应管Q2，所述储能电容C4的第一端连接于节点二极管D7的正极，即节点N7；二极管D7的负极连接于上N沟道场效应管Q1的漏极,即节点N8；上N沟道场效应管Q1的源极连接于下N沟道场效应管Q2的漏极，并连接于电机M的U相；下N沟道场效应管Q2的源极连于储能电容C4的第二端并连接于地，即节点N9；上N沟道场效应管Q1和下N沟道场效应管Q2的栅极均连接于控制单元，由控制单元分别提供脉宽调制信号(PWM)，升压电路将直流电源Ec升压并给储能电容C4充电，利用储能电容C4经桥臂给U相电枢绕组提供电能。直流电源Ec的正极连接于电感L的第一端，电感L的第二端连接于节点N10。所述升压电路包括P沟道场效应管Q7、二极管D4、二极管D8、二极管D1和电容C1；所述P沟道场效应Q7管的栅极连接于上N沟道场效应管Q1的栅极，P沟道场效应管Q7的漏极连接于节点N10，P沟道场效应管Q7的源极连接于电容C1的第二端和二极管D1的正极,即节点N2；电容C1的第一端连接于二极管D4的负极和二极管D8的正极,即节点N1；二极管D8的负极连接于储能电容C4的第一端,电容C4的第二端接地，即节点N9；二极管D1的负极连接于上N沟道场效应管Q1的源极。

其工作过程为：控制单元给上N沟道场效应管Q1和下N沟道场效应管Q2提供相位相反的PWM信号，当桥臂的下N沟道场效应管Q2的栅极为高电位，上N沟道场效应管Q1的栅极为低电位时，下N沟道场效应管Q2导通，上N沟道场效应管Q1截止，P沟道场效应管Q7导通，二极管D1导通，二极管D4和D8截止，直流电源Ec给电感L充电；当桥臂的下N沟道场效应管Q2的栅极为低电位时，上N沟道场效应管Q1的栅极为高电位时，下N沟道场效应管Q2截止，上N沟道场效应管Q1导通，P沟道场效应管Q7截止，二极管D1和二极管D4开始先导通，二极管D8截止，直流电源Ec和电感L给电容C1和电容C5充电，当电容C1和C5上的电压之和值高于电容C4上的电压时，二极管D4截止，二极管D8导通，电容C1给电容C4充电，如此可使电容C4的电压高于直流电源电压Ec。电容C4经二极管D7整流，而后由桥臂转换为交流并给电机的U相提供电能。

第二桥臂包括上N沟道场效应管Q3和下N沟道场效应管Q4，上N沟道场效应管Q3的源极连接于下N沟道场效应管Q4的漏极，并连接于电机M的V相；下N沟道场效应管Q4的源极连于储能电容C4的第二端并连接于地，即节点N9；上N沟道场效应管Q3和下N沟道场效应管Q4的栅极均连接于控制单元，由控制单元分别提供脉宽调制信号(PWM)，升压电路将直流电源Ec升压并给储能电容C4充电，储能电容C4经桥臂给U相电枢绕组提供电能。所述升压电路包括P沟道场效应管Q8、二极管D5、二极管D9、二极管D2和电容C2；所述P沟道场效应Q8管的栅极连接于上N沟道场效应管Q3的栅极，P沟道场效应管Q8的漏极连接于节点N10，P沟道场效应管Q8的源极连接于电容C2的第二端和二极管D2的正极,即节点N4；电容C2的第一端连接于二极管D5的负极和二极管D9的正极,即节点N3；二极管D9的负极连接于储能电容C4的第一端,电容C4的第二端接地，即节点N9；二极管D2的负极连接于上N沟道场效应管Q3的源极。

其工作过程为：控制单元给上N沟道场效应管Q3和下N沟道场效应管Q4提供相位相反的PWM信号，当桥臂的下N沟道场效应管Q4的栅极为高电位，上N沟道场效应管Q3的栅极为低电位时，下N沟道场效应管Q4导通，上N沟道场效应管Q3截止，P沟道场效应管Q8导通，二极管D2导通，二极管D5和D9截止，直流电源Ec给电感L充电；当桥臂的下N沟道场效应管Q4的栅极为低电位时，上N沟道场效应管Q3的栅极为高电位时，下N沟道场效应管Q4截止，上N沟道场效应管Q3导通，P沟道场效应管Q8截止，二极管D2和二极管D5导通，二极管D9截止，直流电源Ec和电感L给电容C2和电容C5充电，当电容C2和电容C5上的电压之和值高于电容C4上的电压时，二极管D5截止，二极管D9导通，电容C2给电容C4充电，如此可使电容C4的电压高于直流电源电压Ec。电容C4经二极管D7整流，而后由桥臂转换为交流并给电机的V相提供电能。

第三桥臂包括上N沟道场效应管Q5和下N沟道场效应管Q6，上N沟道场效应管Q6的源极连接于下N沟道场效应管Q6的漏极，并连接于电机M的W相；下N沟道场效应管Q6的源极连于储能电容C4的第二端并连接于地，即节点N9；上N沟道场效应管Q5和下N沟道场效应管Q6的栅极均连接于控制单元，由控制单元分别提供脉宽调制信号(PWM)，升压电路将直流电源Ec升压并给储能电容C4充电，利用储能电容C4经桥臂给U相电枢绕组提供电能。所述升压电路包括P沟道场效应管Q9、二极管D6、二极管D10、二极管D3和电容C3；所述P沟道场效应Q9管的栅极连接于上N沟道场效应管Q5的栅极，P沟道场效应管Q9的漏极连接于节点N10，P沟道场效应管Q9的源极连接于电容C3的第二端和二极管D3的正极,即节点N6；电容C3的第一端连接于二极管D6的负极和二极管D10的正极,即节点N5；二极管D10的负极连接于储能电容C4的第一端,电容C4的第二端接地，即节点N9；二极管D3的负极连接于上N沟道场效应管Q5的源极。

其工作过程为：控制单元给上N沟道场效应管Q5和下N沟道场效应管Q6提供相位相反的PWM信号，当桥臂的下N沟道场效应管Q6的栅极为高电位，上N沟道场效应管Q5的栅极为低电位时，下N沟道场效应管Q6导通，上N沟道场效应管Q5截止，P沟道场效应管Q9导通，二极管D3导通，二极管D6和D10截止，直流电源Ec给电感L充电；当桥臂的下N沟道场效应管Q6的栅极为低电位时，上N沟道场效应管Q5的栅极为高电位时，下N沟道场效应管Q6截止，上N沟道场效应管Q5导通，P沟道场效应管Q9截止，二极管D3和二极管D6导通，二极管D10截止，直流电源Ec和电感L给电容C3和电容C5充电，当电容C3和电容C5上的电压之和值高于电容C4上的电压时，二极管D6截止，二极管D10导通，电容C3给电容C4充电，如此可使电容C4的电压高于直流电源电压Ec。电容C4经二极管D7整流，而后由桥臂转换为交流并给电机的W相提供电能。

本实用新型虽然以三相机逆变器进行了说明，并不限于三相，可以是大于或者等于2的任意相。本实用新型先将直流电源进行升压并存储于储存电容C4中。电容C4经二极管D7整流，而后由桥臂转换为交流并给电机，如此，节省了成本并减小了重量。

根据本实用新型，控制单元至少包括所述设备包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储存储器(RAM)、主机总线、接口、输入单元、输出单元、存储单元、驱动器、连接端口和通信单元。CPU充当运算处理单元和控制单元，即处理器。CPU根据存储在ROM、RAM、存储单、或可移动记录介质中的各种程序来完全或部分地控制伺服电机的工作状态。ROM存储CPU所使用的程序和运算参数。RAM临时存储用于CPU100的程序和根据程序的执行而变化的参数。CPU、ROM、RAM和接口经由主机总线相互连接，主机总线包括诸如CPU总线的内部总线。

输入单元示例性地包括鼠标、键盘、触摸面板、按钮、开关和用户操作的杆，但并不限于这样。另外，输入单元可以是利用红外光或无线电波的远程控制件。可选地，输入单元可以是外部连接装置或客户端装置，它们可以执行伺服电机的操作。输入单元包括输入控制电路，该电路基于用户通过上述操作部件输入的信息生成输入信号并将所生成的输入信号输出至CPU。通过操作输，伺服电机的用户可以将各种数据输入至伺服电机并指示伺服电机执行各种操作。

输出单元示例性地包括显示单元，显示单元例如包括液晶显示(LCD)单元、电致发光(EL)显示单元等，输出单元还包括打印机等。存储单元可以是磁性存储装置(诸如硬盘驱动器(HDD))、半导体存储装置、光学存储装置、或磁光存储装置。存储单元存储CPU执行的程序、各种数据等。

驱动器充当存储介质的读取器/写入器。驱动器被结合到伺服电机中或外部连接至伺服电机。驱动器读出可移动记录介质(诸如磁盘、光盘、磁性光盘、或半导体存储器)上的数据，并将所读出的数据输出至RAM。另外，驱动器可以将数据写可移动记录介质上。可移动记录介质的实例包括DVD介质、CD介质和保密数字(SD)存储卡。可选地，可移动记录介质可以是集成电路(IC)卡或包括无接触IC芯片的电子装置。

连接端口是使外部连接装置直接连接至伺服电机的端口。连接端口的实例包括通用串行总线(USB)接口、小型计算机***接口(SCSI)端口、RS-232C端口和光学音频终端等。当外部连接装置连接至连接端口时，伺服电机可以从外部连接装置中直接获取数据并将数据提供给外部连接装置。

通信单元为无线通信单元，其用于使伺服电机与服务器和或者客户终端进行通信。

本实用新型还提供一种电动汽车，其利用本实用新型提供的伺服电机以驱动机械执行部件。

以上结合附图详细说明了本实用新型，但是说明书仅是用于解释权利要求书的。但本实用新型的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种伺服电机，其包括定子和设置在定子外周的转子，定子的铁芯具有沿定子的径向向外突出并沿着周向等间隔布置的多个极靴，多个第一电枢绕组和多个第二电枢绕组缠绕在极靴上，其特征在于，转子包括圆筒形永磁体固定架和沿周向设置有齿的驱动筒，固定架上设置有多个等间隔布置的槽，槽在固定架内部的部分沿轴向延伸且截面为扇形，在固定架的顶部的部分沿径向延伸，槽用于固定永磁体，在固定架内腔呈N极性和S极性永磁体交错设置，每个永磁体具有基部和从基部延伸的部分，基部设置在固定架顶部沿径向的槽中，从基部延伸的部分设置在固定架内部沿轴向的槽中。

2.根据权利要求1所述的伺服电机，其特征在于，所述伺服电机还包括驱动装置，所述驱动装置包括逆变电路，所述逆变电路包括多个桥臂和储能电容，每个桥臂上设置有升压电路，每个桥臂至少包括上第一类型电开关和下第一类型电开关，储能电容的第一端连接于第一二极管的正极；第一二极管的负极连接于上第一类型电开关的第一端；上第一类型电开关的第二端连接于下第一类型的电开关的第一端；下第一类型电开关的第二端连于储能电容的第二端并连接于地；上第一类型电开关和下第一类型电开关的控制端均连接于控制单元，由控制单元分别提供脉宽调制信号，升压电路将直流电源升压并给储能电容充电，利用储能电容给桥臂的电开关提供电能。

3.根据权利要求2所述的伺服电机，其特征在于，所述升压电路包括第二类型的电开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第一电容；所述第二类型电开关的控制端连接于上第一类型电开关的控制端，第二类型电开关的第一端连接于第一二极管的正极和直流电源，第二类型电开关的第二端连接于第一电容的第二端，第一电容的第一端连接于第一二极管的负极和第二二极管的正极；第二二极管的负极连接于储能电容的第一端；第三二极管的负极连接于上第一类型的电开关的源极。

4.根据权利要求3所述的伺服电机，其特征在于，桥臂为三个。

5.根据权利要求2-4任一所述的伺服电机，其特征在于，所述第一类型电开关为场效应管，第二类型电开关为与第一类型场效应管极性相反的场效应管。

6.根据权利要求5所述的伺服电机，其特征在于，所述第一类型电开关为N沟道场效应管，所述第二类型电开关为P沟道场效应管。

7.一种电动汽车，其特征在，包括权利要求1-6任一所述的伺服电机。