[发明专利]基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机

说明书

本发明公开了一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其包含电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环，内定子模块、外转子和不导磁铝壳。其中，不导磁铝壳上的燕尾凸起能够与外转子外侧燕尾槽咬合，以增强转子鲁棒性；内定子为模块化结构，且分为主、副齿；内定子主齿上有两个分裂齿；内定子副齿没有分裂齿；内定子副齿与内定子主齿上的分裂齿在尺寸上一致；每个内定子模块的定子轭部均设有多边形凹槽与多边形凸起，保证各内定子模块稳定咬合；转子上置有极性相同的交替极磁钢，磁钢外侧采用弧形结构以增加永磁极的基波含量；电枢绕组以隔齿绕的方式绕制在内定子主齿上，以增强电枢绕组的相间磁、热隔离。

技术领域

本发明涉及电机结构设计领域，特别是一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电 机。

背景技术

随着电机技术的不断发展，交流伺服电机凭借着其出色的性能和低廉的成本，已经开始 逐渐替代直流电机，成为了伺服系统中重要的电机类型。由于交流伺服电机在机床、印刷设 备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线 等相关领域都有着非常广泛的应用，已成为了近年来的研究热点之一。随着交流伺服电机的 快速普及，企业对于交流伺服电机的需求量也日益增大。据不完全统计，我国相关行业对于 伺服电机的需求量从2014年的385万台，猛增至2017年的872万台，行业前景非常可观。 但问题也随之而来，由于生产条件及技术的制约，使得我国本土伺服电机企业在产品供应上 出现了明显的产能不足。同时，随着伺服电机的广泛应用，对伺服电机的控制精度、效率以 及输出能力上也有了更高的要求。

如上所述，虽然伺服电机的工作速域相对较低，但在输出转矩、控制精度、加工工艺以 及结构可靠性上都有着较高的要求。通常情况下，伺服电机在机器人应用中对其关节转速的 要求不高，一般保持在每秒两、三转左右。因此，伺服电机通常需要配以机械齿轮箱进行降 速。与常规永磁电机相比，自减速电机将原动机和磁齿轮整合为一体，从而能够以更低的成 本实现更高的自减速能力，并且有助于实现更精确的转速控制。除此之外，由于电机自带减 速能力，可有效替代传统的齿轮箱，消除机械上的摩擦损耗，并有效降低传动噪音等缺陷， 提升传动效率。

目前，自减速伺服电机主要为游标电机结构。即通过定、转子之间的场调制作用来实现 电机的自减速功能。首先，由于伺服电机的电枢绕组极对数通常为定子齿数和转子极对数之 差的绝对值，因而其减速比通常是由定子齿数和磁钢极对数所共同决定的；其次，由于槽极 配比的制约，电枢绕组通常会以整数槽分布绕组的型式进行绕制，因而使得绕线方式更为复 杂，端部绕组更大，这会增加电机的电损耗与绕组轴向所占空间；并且，由于电机结构较为 复杂，会使整套设备的可靠性下降，增加后期的维护难度。同时，为较好地实现自减速功能， 电机的转子极对数通常设计的较大，以达到低速大转矩的目的，但这也会带来极间漏磁增大、 磁钢用量增多以及转子可靠性降低等诸多问题。为获得更大的转矩密度以及更低的空载反电 势畸变率，部分自减速电机采用了Halbach阵列的转子结构，这将进一步增加转子安装时的 复杂程度，并使得电机成本大幅增高。除此之外，为降低转子的漏磁问题，并提高磁钢设计 的自由度，部分伺服电机开始尝试运用交替极的设计思路，即采用铁芯极替代原有的部分磁 钢，以减少漏磁与制造成本，但由于磁钢用量相对较少，会使得电机的电磁性能出现一定程 度的下降。因此，磁钢的交替极构型需要进行优化设计，以确保伺服电机具备具体应用场合 所要求的转矩密度和功率密度。同时，通过绕组理论可知，由于传统伺服电机采用整数槽分 布绕组的绕制方式，其绕线结构较为复杂，端部较大，因而相间互感和绕组温升较为严重， 不利于电机长时间运行，并增加了电机组装及后期故障排查的难度。因此，有必要对传统伺 服电机的结构进行优化设计。

由于传统游标电机存在上述种种限制，因而需要设计一种具有自减速功能新型电机，旨 在提高减速比的同时，简化绕组结构，使得自减速电机能够在减少端部绕组所占空间，且能 够有效实现磁、热隔离。此外，该类结构还需要在降低磁钢用量的前提下，尽可能地保证永 磁电机的电磁性能。

发明内容