CN117791907A - 一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，涉及径向磁通永磁电机技术领域。该电机包括：定子，包括定子铁心；定子铁心包括定子轭部和沿定子铁心周向间隔排布的若干定子齿部，各定子齿部均连接至所述定子轭部；转子，相对于定子可转动；转子包括轴和转子铁心；以及若干轴向聚磁结构，与若干定子齿部一一对应；各轴向聚磁结构嵌入对应的定子齿部中且部分地位于定子轭部处，或者，若干轴向聚磁结构均嵌入转子铁心内；轴向聚磁结构用于通过轴向聚磁效应形成并联的磁路，从而增大气隙磁场强度，进而提高电机的输出转矩。本发明的电机适用于机械臂和机器人关节等需求低转速大转矩电机的场合。

Description

一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机

技术领域

本发明涉及一种场调制型永磁电机，特别涉及了一种用于驱动机械臂的轴向聚磁的磁场调制型永磁电机。

背景技术

永磁同步电机根据其永磁体的安装位置分为转子永磁同步电机和定子永磁同步电机。其中，转子永磁同步电机通过其内部的定子电枢磁场与转子永磁激励的旋转磁场耦合而输出稳定转矩，是一种高性能、高可靠性的交流电机。因具备制造成本低、功率因数高和转矩密度高等优点，转子永磁同步电机成为替代传统电励磁电机的一个重要选择，被广泛应用于各工业领域，例如风力发电机、伺服系统、压缩机和轮内电机等。然而，由于这类永磁同步电机中的永磁体通常位于转子侧，需要固定套筒来保护永磁体免受离心力的影响，这不可避免地导致制造的复杂性和散热困难等问题。不同于转子永磁同步电机，在定子永磁电机中，永磁体和绕组都放置于定子侧，这使得定子永磁电机具有永磁体放置位置灵活和易于散热等优点，并因此得到了广泛的研究。

然而，传统永磁同步电机由于采用永磁体作为单一磁势源，其气隙磁场难以得到调节，进而使输出转矩大小和运行稳定性的提升受到限制，使其无法应用于需要低转速大转矩的场合，例如机械臂。

近年来，为了满足机械臂等应用场合对低转速大转矩的需要，国内外学者基于磁场调制原理提出了不同类型的新型永磁同步电机，例如混合励磁电机、记忆电机、磁场增强型电机、变漏磁电机等。磁场调制型永磁电机通过磁场能量转换的手段实现了转子降速和转矩提升。

为了克服径向磁通调制电机转矩密度低、转矩波动较大等问题，中国专利申请(公开号CN111181266B)公开了一种基于电控可变磁障的磁场调控型永磁电机，通过改变定子齿靴部分的磁导分布，实现对气隙磁场分布的调控。该发明通过小电流调磁实现对磁通的灵活调节，在不改变电机物理结构的条件下实现对电磁结构的灵活调节，能够聚磁通并且有效降低漏磁通，具有永磁利用率高、输出转矩大、效率高等特点。但是，该磁场调制电机具有转矩密度较低的缺点，其中，转矩密度是指单位体积上电机轴上输出的额定转矩。而在机械臂的应用场合中，用于驱动机械臂的电机的径向尺寸受限于机械臂的关节尺寸，这使得上述磁场调制电机不适用于机械臂的场合。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，该电机具有结构紧凑、转矩密度高和永磁体空间布置灵活等优点，适用于机械臂的场合。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，该电机包括：

定子，包括定子铁心；所述定子铁心包括定子轭部和沿定子铁心周向间隔排布的若干定子齿部，各所述定子齿部均连接至所述定子轭部；

转子，相对于所述定子可转动；所述转子包括轴和转子铁心；

以及若干轴向聚磁结构，与所述若干定子齿部一一对应；各所述轴向聚磁结构嵌入对应的所述定子齿部中且部分地位于所述定子轭部处，或者，所述若干轴向聚磁结构均嵌入所述转子铁心内；所述轴向聚磁结构用于通过轴向聚磁效应形成并联的磁路，从而增大气隙磁场强度。

在一实施例中，每个所述轴向聚磁结构包括沿轴向间隔排布的若干永磁体对，每个永磁体对包括沿轴向间隔排布的第一聚磁永磁体和第二聚磁永磁体，所述第一聚磁永磁体和第二聚磁永磁体沿轴向充磁且充磁方向相反。

在一实施例中，所述第一聚磁永磁体和所述第二聚磁永磁体的轴向厚度均小于两者的间隔距离。

在所述轴向聚磁结构的一个实施例中，每个永磁体对的所述第一聚磁永磁体和第二聚磁永磁体在垂直于轴的横截面都具有相同的截面形状，所述截面形状为T形或者I形。

在所述轴向聚磁结构的另一个实施例中，对于相邻的永磁体对，其中一个永磁体对中的所述第一聚磁永磁体和第二聚磁永磁体在垂直于轴的横截面的截面形状为T形，剩余的一个永磁体对中的所述第一聚磁永磁体和第二聚磁永磁体在垂直于轴的横截面的截面形状为I形。

在一实施例中，所述定子包括电枢绕组和定子槽，相邻的定子齿部之间形成所述定子槽，所述电枢绕组放置于所述定子槽内。

在一实施例中，所述电枢绕组采用分数槽集中绕组。

在一实施例中，所述转子包括若干转子永磁体，若干所述转子永磁体固定安装于所述转子铁心的外周。

在一实施例中，所述定子铁心和所述转子铁心由齿槽式硅钢片叠制而成。

在一实施例中，所述第一聚磁永磁体和第二聚磁永磁体采用铷铁硼永磁体或铁氧体永磁体。

有益效果：

(1)本申请通过设置轴向聚磁结构，各所述轴向聚磁结构嵌入对应的所述定子齿部中且部分地位于所述定子轭部处，或者，若干轴向聚磁结构均嵌入所述转子铁心内，轴向聚磁结构用于通过轴向聚磁效应形成并联的磁路，从而增大气隙磁场强度，进而提高电机的输出转矩。一方面，相比于现有的因径向尺寸受限而转矩密度较低的径向磁通调制电机，本申请将轴向聚磁结构嵌入定子铁心的方案适用于各种轴向尺寸较大、但径向尺寸受限的径向磁通永磁电机，由此得到的电机适用于例如机械臂和机器人关节等需求低速大转矩电机的场合。另一方面，对于允许电机转子铁心径向尺寸较大的应用场合，本申请将轴向聚磁结构嵌入转子铁心的方案，使得电机具有结构简单、易于制造和维护等优点。

(2)本发明轴向聚磁结构的相邻的永磁体对呈T型和I型交替排布，可以减少永磁体的用量，并且避免定子铁心的磁饱和问题。

(3)对于轴向聚磁结构嵌入定子铁心的方案，转子仅由转子铁心和转子永磁体组成，避免了将轴向聚磁结构置于转子部分时导致的结构复杂性，可以降低永磁体的退磁风险，提高电机的散热能力和运行的稳定性。

(4)本发明的一个实施例采用集中式绕组，相比于分布式绕组，可以节约端部空间，降低加工制造难度和材料成本，降低电机铜耗，提升电机效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的第一实施例给出的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机的过轴线以及定子齿部的主剖视图；

图2为过图1中A-A剖面线的剖视图；

图3为过图1中B-B剖面线的剖视图；

图4为本发明的第一实施例给出的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机的轴向聚磁结构中永磁体充磁方向及聚磁效果示意图；

图5为图4所示的永磁体充磁方向及聚磁效果的局部放大图；

图6为本发明实施例部分提供的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机所适用的机械臂结构；

图7为本发明的第二实施例给出的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机在垂直于轴线方向的剖视图。

附图标记说明为：定子1、定子铁心110、定子轭部111、定子齿部112、极靴113、电枢绕组120、转子2、轴210、轴向211、转子铁心220、转子永磁体230、轴向聚磁结构3、第一聚磁永磁体311、第二聚磁永磁体312、机械臂4以及机壳5。

具体实施方式

实施例1

现在参见图1至图3所示，本实施例公开一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，该电机包括定子1以及转子2。定子1包括定子铁心110，定子铁心110包括定子轭部111和沿定子铁心110周向间隔排布的若干定子齿部112，各定子齿部112均连接至定子轭部111。转子2相对于定子1可转动，转子2包括轴210和转子铁心220。

参见图1和图2，该电机还包括若干轴向聚磁结构3，若干轴向聚磁结构3与若干定子齿部112一一对应，即若干轴向聚磁结构3也沿轴210周向间隔排布。各轴向聚磁结构3嵌入对应的定子齿部112中且部分地位于定子轭部111处。

轴向聚磁结构3用于通过轴向聚磁效应形成并联的磁路，从而增大气隙磁场强度。具体而言，轴向聚磁结构3用于通过轴向聚磁效应使转子永磁体产生的磁场形成并联的磁路，从而增大气隙磁场强度。

本实施例的轴向聚磁结构通过轴向聚磁效应形成并联的磁路，实现对磁场的有效控制，具有聚磁通的效果，增大气隙磁场强度。由于气隙磁场强度和电机的输出转矩成正比，因此本实施例有助于增大电机的输出转矩。本实施例的轴向聚磁结构一方面具有聚磁通的效果，另一方面降低了漏磁通，从而使得具有该轴向聚磁结构的电机还具有较高的永磁利用率。

本实施例通过将轴向聚磁结构3嵌入定子铁心110的定子齿部112和定子轭部111中，适用于各种轴向尺寸较大、但径向尺寸受限的径向磁通永磁电机，由此得到的电机适用于例如机械臂4和机器人关节等需求低速大转矩电机的场合。参见图6，机械臂4或机器人关节具有较长的轴向尺寸而较小的径向尺寸。

本发明结构简单，以永磁体提供磁势源，无需励磁绕组，没有励磁损耗，具有较高的效率和功率密度。

在一实施例中，定子铁心110还包括极靴113，每个定子齿部112靠近转子铁心220的一侧连接有极靴113。

在一实施例中，每个轴向聚磁结构3包括沿轴210轴向间隔排布的若干永磁体对310，每个永磁体对包括沿轴210轴向间隔排布的第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312。参见图5，第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312沿轴向充磁且充磁方向相反。具体而言，如图5所示，第一聚磁永磁体311中与第二聚磁永磁体312相对的一侧为N极，第一聚磁永磁体311中背离第二聚磁永磁体312的一侧为S极。

本实施例通过设置第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312沿轴向充磁且充磁方向相反，通过轴向聚磁效应形成并联的磁路，从而增大气隙磁场强度，进而提高电机的输出转矩。

参见图5，在一实施例中，第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312均为块状结构，第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312的轴向厚度均小于两者的间隔距离。

本实施例通过设置第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312的轴向厚度均小于两者的间隔距离，节省永磁体的用量，避免两片聚磁永磁体中间的铁心部分发生磁饱和。

参见图1至图3，在轴向聚磁结构3的一个实施例中，对于相邻的永磁体对310，其中一个永磁体对310中的第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312在垂直于轴210的横截面的截面形状为T形，剩余的一个永磁体对310中的第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312在垂直于轴210的横截面的截面形状为I形。

采用本实施例的轴向聚磁结构3，可以减少聚磁永磁体的用量，并且避免定子铁心110的磁饱和问题。

在轴向聚磁结构3的另一实施例中，每个永磁体对的第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312在垂直于轴210的横截面都具有相同的截面形状，截面形状为T形或者I形，图中未示出。

参见图2，在一实施例中，定子1包括电枢绕组120和定子槽，相邻的定子齿112之间形成定子槽，电枢绕组120放置于定子槽内。

本实施例将轴向聚磁结构3和电枢绕组120皆放置在定子中，避免将轴向聚磁结构置于转子部分时导致的结构复杂性，所以本实施例具有良好的散热能力和运行可靠性。

参见图1和图2，在一实施例中，电枢绕组120采用分数槽集中绕组，而非分布式绕组，节约端部空间，降低加工制造难度和材料成本，降低电机铜耗，有利于降低电机负载工作时的温升，提高电机运行效率。

参见图1和图2，在一实施例中，转子2包括若干转子永磁体230，若干转子永磁体230固定安装于转子铁心220的外周。具体而言，如图1和图2所示，转子采用NS极交替结构，NS极永磁体均采用铷铁硼或铁氧体等高性能永磁材料，也可将S极全部用铁心极代替，利用导磁铁心汇聚磁力线形成磁极的特点，形成交替极结构，使得电机的永磁利用率得到有效提升，在永磁体用量不变的情况下，可以适当提高永磁极的磁钢厚度和极弧系数，从而提高电机的输出转矩。

在一实施例中，定子铁心110和转子铁心220由齿槽式硅钢片叠制而成。

在一实施例中，第一聚磁永磁体311和第二聚磁永磁体312采用铷铁硼永磁体或铁氧体永磁体。

参见图1，该电机还包括机壳5，机壳5固定套设在定子铁心110外周。

下面简单介绍本实施例的电机的制造工艺，与普通电机的制造工艺大致相同。如图1、图2和图3所示，定子铁心110和转子铁心220由齿槽式硅钢片叠制而成。定子铁心110采用硅钢片冲压成扇形片，叠装于定位筋上，扇形片于定子轭部及定子齿部分开槽放置轴向聚磁结构，轴向聚磁结构中的两片聚磁永磁体之间间隔放置硅钢片，定位筋通过托板焊于机座环板上，并通过上、下齿压板用拉紧螺栓将铁心压紧形成整体。转子铁心采用硅钢片冲压成圆环形直接安装在轴210上。

实施例2

不同于实施例1，如图7所示，本实施例的若干轴向聚磁结构3均位于转子铁心220内。对于电机的转子铁心径向尺寸不受限的情况，将轴向聚磁结构3应用于电机转子部分，具有结构简单、易于制造和维护等优点。

为提高电机运行的稳定性，转子外侧需固定套筒来保护永磁体和轴向聚磁结构避免离心力的影响。

本发明提供了一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，包括：

定子(1)，包括定子铁心(110)；所述定子铁心(110)包括定子轭部(111)和沿定子铁心(110)周向间隔排布的若干定子齿部(112)，各所述定子齿部(112)均连接至所述定子轭部(111)；

转子(2)，相对于所述定子(1)可转动；所述转子(2)包括轴(210)和转子铁心(220)；

以及若干轴向聚磁结构(3)，与所述若干定子齿部(112)一一对应；各所述轴向聚磁结构(3)嵌入对应的所述定子齿部(112)中且部分地位于所述定子轭部(111)处，或者，所述若干轴向聚磁结构(3)均嵌入所述转子铁心(220)内；所述轴向聚磁结构(3)用于通过轴向聚磁效应形成并联的磁路，从而增大气隙磁场强度。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，每个所述轴向聚磁结构(3)包括沿轴(210)轴向间隔排布的若干永磁体对(310)，每个永磁体对包括沿轴(210)轴向间隔排布的第一聚磁永磁体(311)和第二聚磁永磁体(312)，所述第一聚磁永磁体(311)和第二聚磁永磁体(312)沿轴向充磁且充磁方向相反。

3.根据权利要求2所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，所述第一聚磁永磁体(311)和所述第二聚磁永磁体(312)的轴向厚度均小于两者的间隔距离。

4.根据权利要求2或3所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，对于相邻的永磁体对(310)，其中一个永磁体对(310)中的所述第一聚磁永磁体(311)和第二聚磁永磁体(312)在垂直于轴(210)的横截面的截面形状为T形，剩余的一个永磁体对(310)中的所述第一聚磁永磁体(311)和第二聚磁永磁体(312)在垂直于轴(210)的横截面的截面形状为I形。

5.根据权利要求2或3所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，每个永磁体对的所述第一聚磁永磁体(311)和第二聚磁永磁体(312)在垂直于轴(210)的横截面都具有相同的截面形状，所述截面形状为T形或者I形。

6.根据权利要求1或2所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，所述定子(1)包括电枢绕组(120)和定子槽，相邻的定子齿部(112)之间形成所述定子槽，所述电枢绕组(120)放置于所述定子槽内。

7.根据权利要求6所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，所述电枢绕组(120)采用分数槽集中绕组。

8.根据权利要求7所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，所述转子(2)包括若干转子永磁体(230)，若干所述转子永磁体(230)固定安装于所述转子铁心(220)的外周。

9.根据权利要求8所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，所述定子铁心(110)和所述转子铁心(220)由齿槽式硅钢片叠制而成。

10.根据权利要求2所述的一种机械臂驱动用轴向聚磁的磁场调制型永磁电机，其特征在于，所述第一聚磁永磁体(311)和第二聚磁永磁体(312)采用铷铁硼永磁体或铁氧体永磁体。