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CN118074369B - 一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机 - Google Patents

一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机 Download PDF

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CN118074369B CN202410251158.XA CN202410251158A CN118074369B CN 118074369 B CN118074369 B CN 118074369B CN 202410251158 A CN202410251158 A CN 202410251158A CN 118074369 B CN118074369 B CN 118074369B
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Abstract

本发明属于掘进机器人技术领域，具体公开了一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机。其中，本发明电机包括定子、转子以及电枢绕组。在定子上设有定子永磁体，在转子上设有转子永磁体。定子永磁体磁场受转子齿调制，转子永磁体磁场受定子齿调制，形成双向磁场调制效应，产生大量气隙磁场谐波，从而大幅提升转矩密度。本发明定子中设置定子辅助齿，定子辅助齿和带有两块永磁体的定子主齿交替排布，形成“Fe‑NFeN‑Fe”非对称交替极永磁体排布，可有效降低永磁体漏磁。另外定子辅助齿可实现相间隔离，有利于提升容错能力。本发明很好地解决了电机转矩密度以及容错能力问题。

Description

一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割 电机
技术领域
本发明涉及掘进机器人技术领域，特别涉及一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机。
背景技术
掘进机器人是一类能够在矿井恶劣环境下自主完成掘进作业的工业特种机器人，掘进机器人对于实现掘进工作面无人化、安全化具有重要意义。掘进机器人能否高效、可靠地进行掘进作业是其应用发展的关键。截割部是掘进机器人实现掘进作业的核心执行机构，也是整机能耗最高的部位，其传动系统目前采用“异步电机+齿轮机构+截割滚筒”的结构形式。然而，这种结构形式存在传动链长、效率低、可靠性差等问题，因此，实现截割传动系统直驱化是大势所趋。
由于掘进机器人的截割扭矩大，但设备空间小，因此对直驱截割电机的转矩密度要求苛刻。然而，传统的永磁直驱电机受限于永磁体与电枢绕组之间的极对数配合关系，体积庞大，转矩密度无法满足要求。因此，如何提升截割电机的转矩密度是亟待解决的问题。另一方面，由于掘进机器人作业环境恶劣，如何提升电机在发生故障时的容错能力也至关重要。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机，以提升电机的转矩密度以及容错能力。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机，包括：
定子、转子以及电枢绕组；
定子包括定子轭部、定子主齿以及定子辅助齿；其中定子轭部呈圆环形，定子主齿有多个，各个定子主齿在定子轭部的内侧圆周方向依次设置；
每个定子主齿上均设有两块定子永磁体，且同一定子主齿上的两块定子永磁体被铁极分隔开；在相邻两个定子主齿之间设置一个定子辅助齿；
定子辅助齿和带有定子永磁体的定子主齿在沿着定子轭部的内侧圆周方向上交替排布，并形成“Fe-NFeN-Fe”的非对称交替极永磁体排布结构；
转子位于定子的内侧，在定子和转子之间留有气隙；
转子上设有转子永磁体，电枢绕组绕设在定子主齿上。
优选地，定子主齿的外端连接在定子轭部的内侧，定子主齿的内端伸展至转子的外侧；其中，定子永磁体设置在定子主齿的内侧；
同一定子主齿上的两块定子永磁体，关于该定子主齿的中心线呈对称布置。
优选地，定子辅助齿外端连接在定子轭部的内侧，定子辅助齿内端伸展至转子的外侧。
优选地，每个定子辅助齿的齿端即内端均开槽，且开槽数量有多个。
优选地，各个开槽的槽口宽度相等、不完全相等或完全不相等。
优选地，转子永磁体形成Halbach排布。
优选地，各个定子永磁体的充磁方向均相同，且为径向朝外。
优选地，电枢绕组采用集中绕组结构。
此外，本发明还提出了一种掘进机器人，其包括截割部，其中，截割部中的截割电机采用如上所述的掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机。
本发明具有如下优点：
如上所述，本发明述及了一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机，该电机包括定子、转子以及电枢绕组。其中在定子上设有定子永磁体，在转子上设有转子永磁体。定子永磁体磁场受转子齿调制，转子永磁体磁场受定子齿调制，从而形成双向磁场调制效应，产生大量气隙磁场谐波，从而大幅提升转矩密度。定子中设置定子辅助齿，通过定子辅助齿和带有两块永磁体的定子主齿交替排布，形成非对称交替极永磁体排布“Fe-NFeN-Fe”，与传统的“NS-NS”永磁体排布、对称交替极永磁体排布“FeN-FeN”相比，本发明所形成的非对称交替极永磁体排布可有效降低永磁体漏磁。另外定子辅助齿可实现相间隔离，有利于提升容错能力，可靠性提高。本发明很好地解决了电机转矩密度以及容错能力问题，将本发明电机应用于掘进机器人时，提高了掘进机器人对于恶劣作业环境的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例中掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机的横截面图，其中图中箭头方向表示永磁体充磁方向。
图2为图1中的A部放大器，图中展示了定子辅助齿的开槽结构。
图3为本发明实施例中电机的齿槽转矩波形图。
图4为本发明实施例中电机在不同永磁励磁(仅定子侧永磁励磁、仅转子侧永磁励磁和双永磁励磁)下的气隙磁密分布对比图。
图5为本发明实施例中电机在不同永磁励磁(仅定子侧永磁励磁、仅转子侧永磁励磁和双永磁励磁)下的气隙磁密傅里叶谐波分析对比图。
图6为本发明实施例中电机的空载磁链波形图。
图7为传统“NS-NS”永磁体排布电机与本发明非对称永磁体排布电机的漏磁对比图。
其中，1-定子，2-转子，3-电枢绕组，4-定子轭部，5-定子主齿，6-定子辅助齿，7-定子永磁体，8-转子永磁体，9-开槽，10-转子齿。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1
如图1所示，本实施例1述及了一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机，其包括定子1、转子2以及电枢绕组3，其中定子1位于转子2的外侧。
定子1包括定子轭部4、定子主齿5、定子辅助齿6以及定子永磁体7。
定子轭部4呈圆环形，如图1所示。
定子主齿5有多个，各个定子主齿5在定子轭部4的内侧圆周方向依次设置。
以其中一个定子主齿5为例，定子主齿5的外端连接在定子轭部4的内侧，定子主齿5的内端伸展至转子2的外侧，定子永磁体7设置在定子主齿5的内侧。
需要说明的是，本实施例中的内侧和外侧是相对于图1中电机的中心而言的，其中靠近电机的中心的一侧为内侧，而远离电机的中心的一侧为外侧。
每个定子主齿5上均设有两块定子永磁体7，且同一定子主齿5上的两块定子永磁体7被铁极分隔开，两块定子永磁体7关于定子主齿5的中心线呈对称布置。
各个定子永磁体7的充磁方向均相同，且为径向朝外。
永磁体材料可根据电机性能需求、工作温度及成本选择，例如使用钕铁硼或铁氧体等永磁材料。永磁体可使用相同永磁材料，也可使用不同永磁材料，即混合永磁形式。
在相邻两个定子主齿5之间设置一个定子辅助齿6，定子辅助齿6和带有定子永磁体的定子主齿5在沿定子轭部4的内侧圆周方向上交替排布，形成非对称交替极永磁体排布结构。
具体而言，如图1所示，此处的交替排布，是指在沿着定子轭部4的内侧圆周方向上按照布置定子主齿5、定子辅助齿6、定子主齿5……的顺序依次布置。
非对称交替极永磁体排布结构是指“Fe-NFeN-Fe”排布结构，如图1所示。
定子辅助齿6的外端连接在定子轭部4的内侧，定子辅助齿6内端伸展至转子的外侧。
本发明所形成的“Fe-NFeN-Fe”非对称交替极永磁体排布，与传统的“NS-NS”永磁体排布以及对称交替极永磁体排布“FeN-FeN”相比，可有效降低永磁体漏磁。
此外利用定子辅助齿13还可实现相绕组间相互隔离，降低相间互感，提高电机容错能力。
如图1所示，转子2位于定子1的内侧，在定子1和转子2之间留有气隙。气隙的长度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1与转子2加工和装配工艺有关。
定子1和转子2铁心均是由硅钢片叠压而成的。
其中，硅钢片的厚度通常选取在0.35mm～0.5mm之间，叠压系数为0.95。
转子2上设有转子永磁体8，如图1所示。
其中定子永磁体7磁场受转子齿10调制，转子永磁体8磁场受定子齿调制，从而形成双向磁场调制效应，产生大量气隙磁场谐波，从而大幅提升转矩密度。
本实施例中转子永磁体8采用Halbach排布，有利于降低漏磁。
电枢绕组3绕设在定子主齿5上。本实施例中电枢绕组3采用集中绕组结构，能够有效地减少绕组端部长度，降低铜耗，有利于提高电机运行效率。
如图2所示，每个定子辅助齿6的齿端即内端均开槽，且开槽9数量有多个。
通过在定子辅助齿6的齿端开槽，能有效降低电机齿槽转矩，进而降低转矩脉动，从而改善电机性能，其中，同一定子辅助齿6上各个开槽9的槽口宽度相等。
当然，同一定子辅助齿6的齿端各个开槽9的槽口宽度也可以不完全相等，即只有部分开槽9的槽口宽度相同，或全部开槽9的槽口宽度均不相等。
如图3示出了本发明实施例中电机的齿槽转矩，本发明通过在定子辅助齿6上开槽，可有效降低电机齿槽转矩，因而有利于减少转矩脉动。
本实施例中掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机的运行原理，可以从磁链变化和磁场调制两个角度来说明，具体如下：
从磁链变化角度，当电机转子在一个电周期内持续旋转时，电机电枢绕组3中匝链的磁通会随着转子位置改变而发生幅值变化，产生双极性磁链，从而感应产生反电动势，实现机电能量转换；
从磁场调制角度，由于电机定子1和转子2均为凸极结构，且定子1和转子2均布置了永磁体，因此本发明电机定子1和转子2均可以同时提供永磁体励磁磁场和磁场调制功能。电机通过同时利用定子齿对转子上转子永磁体8所产生磁场的调制作用，以及转子齿10对定子上定子永磁体7所产生磁场的调制作用，即“双向磁场调制”，可以获得比传统定子永磁型或转子永磁型磁场调制电机更为丰富的气隙磁场工作谐波，包括5次谐波、17次谐波、29次谐波等，这些谐波将直接参与电机反电动势和转矩产生，从而大幅度提高电机转矩密度。
如图4示出了本发明实施例中电机在不同永磁励磁(仅定子侧永磁励磁、仅转子侧永磁励磁和双永磁励磁)下的气隙磁密分布对比图。
如5示出了本发明实施例中电机在不同永磁励磁(仅定子侧永磁励磁、仅转子侧永磁励磁和双永磁励磁)下的气隙磁密傅里叶谐波分析对比图。
由图4和图5不难看出，本发明采用定、转子侧同时励磁(双永磁)，引入了双向磁场调制效应，大幅提升了气隙磁密幅值，丰富了气隙磁密工作谐波，进而提升了转矩密度。
如图6示出了本发明实施例中电机的空载磁链波形图。
如图7中的(a)示出了传统“NS-NS”永磁体排布电机的漏磁示意图，如图7中的(b)示出了本发明实施例中具有“Fe-NFeN-Fe”非对称永磁体排布电机的漏磁示意图。
由图7不难看出，当电机采用NS-NS永磁体排布时，仅有一半的永磁体贡献主磁通，参与能量转换，而剩余的一半永磁体产生的磁通在定子齿尖形成了闭环，即漏磁通，因此传统“NS-NS”排布存在大量的漏磁。相似的，当电机采用对称交替极永磁体排布(“FeN-FeN”)时，电机依然有很多漏磁。而本发明电机采用非对称永磁体“FE-NFEN-FE”排布结构，则可以很好地解决该问题，其全部永磁体均可以贡献主磁通，而仅在永磁体边缘部位存在少量漏磁。因此，可显著降低漏磁，从而有利于提升反电动势和转矩等电磁性能。
实施例2
本实施例提出了一种掘进机器人，其包括截割部，其中，截割部中的截割电机采用如上述实施例1中的掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机。
通过将上述实施例1中的电机应用于本实施例中的掘进机器人，很好地解决了电机转矩密度以及容错能力问题，进而提高了掘进机器人对于恶劣作业环境的适应性。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机，其特征在于，
包括定子、转子以及电枢绕组；
定子包括定子轭部、定子主齿以及定子辅助齿；其中定子轭部呈圆环形，定子主齿有多个，各个所述定子主齿在定子轭部的内侧圆周方向依次设置；
每个定子主齿上均设有两块定子永磁体，且同一定子主齿上的两块定子永磁体被铁极分隔开；在相邻两个所述定子主齿之间设置一个所述定子辅助齿；
所述定子辅助齿和带有定子永磁体的所述定子主齿在沿着所述定子轭部的内侧圆周方向上交替排布，并形成“Fe-NFeN-Fe”的非对称交替极永磁体排布结构；
所述转子位于定子的内侧，在定子和转子之间留有气隙；
所述转子上设有转子永磁体，所述电枢绕组绕设在所述定子主齿上；
所述定子辅助齿外端连接在定子轭部的内侧，定子辅助齿内端伸展至转子的外侧；每个所述定子辅助齿的齿端即内端均开槽，且开槽数量有多个；
所述定子主齿的外端连接在定子轭部的内侧，定子主齿的内端伸展至所述转子的外侧；其中，所述定子永磁体设置在所述定子主齿的内侧；
同一定子主齿上的两块定子永磁体，关于该定子主齿的中心线呈对称布置；
所述转子永磁体形成Halbach排布；各个定子永磁体的充磁方向均相同，且为径向朝外。
2.根据权利要求1所述的高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机，其特征在于，
各个所述开槽的槽口宽度相等、不完全相等或完全不相等。
3.根据权利要求1所述的高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机，其特征在于，
所述电枢绕组采用集中绕组结构。
4.一种掘进机器人，包括截割部，其特征在于，所述截割部中的截割电机采用如权利要求1至3任一项所述的掘进机器人用高转矩密度磁场调制容错永磁直驱截割电机。
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