一类新型恒力恒扭矩均匀磁场感应伺服电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于感应电机技术领域，涉及到交流感应伺服电机，特别涉及到一类基于全新设计原理的、新型恒力恒扭矩均匀磁场感应伺服电机，包括回转式新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机和新型恒输出力均匀磁场感应直线伺服电机。
【背景技术】
[0002]伺服电机是机电能量转换的电磁机械装置，其主要特征是这种电机的输出扭矩或速度可以被快速精确地控制。根据使用要求和电源的不同，可分为直流伺服电机、交流同步伺服电机和交流感应伺服电机等。
[0003]直流伺服电机具有调速性好、启动转矩大和控制系统简单的优点，但结构复杂、制造成本高、维护费用高、可靠性差。
[0004]交流同步伺服电机结构型式有两种:一是交流永磁同步伺服电机，转子采用永磁材料产生高密度永磁场，但需要短缺的稀土资源；二是交流绕线转子同步伺服电机，转子通过励磁产生磁场，但需要外加励磁电源，通过滑环引入电流，所以结构复杂，制造成本高、维护费用高。
[0005]交流感应伺服电机也被称为交流异步伺服电机，结构简单，制造方便，运行可靠，最大的缺陷是控制器复杂、低速扭矩特性差、控制精度低。
[0006]本发明公开了一类基于全新设计原理的、新型恒力恒扭矩均匀磁场感应伺服电机，包括回转式新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机和新型恒输出力均匀磁场感应直线伺服电机。其中恒输出力均匀磁场感应直线伺服电机是回转式恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机的变形型式。这一类新型电机不采用一般交流伺服电机的旋转磁场或行波磁场原理，其主要优点是:没有滑环等易损件，维护费用低；定子(初级)绕线和结构简单，转子(次级)不采用永磁材料，因此不需要稀土等高昂短缺资源，制造成本低；采用交流电源供电，电源可工作在固定频率上，仅通过调节电源电压，就能实现电机要求的精确扭矩输出或力输出；控制系统不采用现在交流感应伺服电机的矢量控制原理，且由于电机工作时采用固定频率电源供电，电机控制系统类似于直流伺服电机控制系统，设计简单。
[0007]本发明公开的回转式新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机和恒输出力均匀磁场感应直线伺服电机，至今国内外未见任何相关报道、文献和专利发表。
【发明内容】
[0008]为了解决目前伺服电机或结构复杂、维护费用高、可靠性差；或需要稀土等短缺资源、制造成本高；或调速性能差、控制系统复杂等问题，本发明公开了一类基于全新设计原理的、新型恒力恒扭矩均匀磁场感应伺服电机，包括回转式新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机和新型恒输出力均匀磁场感应直线伺服电机。
[0009]本发明解决技术问题采用的技术方案如下:
[0010]本发明公开的一类基于全新设计原理的、新型恒力恒扭矩均匀磁场感应伺服电机，包括回转式新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机和新型恒输出力均匀磁场感应直线伺服电机，它们基于相同的原理。其中恒输出力均匀磁场感应直线伺服电机是回转式恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机的演变形式。下面首先详细阐述新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机的技术方案。
[0011]本发明公开的新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机，属于回转式电机，其特征是:电机由N个独立的电机单元、轴、轴承、端盖及冷却系统组成。其中每个独立电机单元通过单相交变电流供电，这些单元的供电电压大小相等，但电压相位成等差数列，公差为360度/N或180度/N。理论上实现恒扭矩输出要求N大于等于3，例如令公差为360度/N，则当N = 3时，3个独立电机单元的交流供电电压相位分别为0度、120度和240度，与目前三相交流供电的电压相位一致。然而，当N = 4时，4个独立电机单元交流供电电压相位分别为0度、90度、180度和270度，但其中电压相位为0度和180度的两个独立电机单元输出特性相同，90度和270度的两个独立电机单元输出特性相同，所以输出特性相同的两个独立电机单元供电电源可简单地通过交换接线来实现，这样N = 4时的电机也可退化为采用两个独立电机单元的结构型式。因此，本发明公开的新型恒输出扭矩均匀磁场感应伺服电机结构型式上包括两个以上独立电机单元的情况。
[0012]每个独立电机单元结构相同，主要包括定子和转子两部分。
[0013]其中，定子由定子外壳、定子导磁娃钢、定子励磁绕组线圈组成。定子导磁娃钢由硅钢片叠合而成，形状是开有环槽的圆环柱。定子励磁绕组线圈类似多层螺线管型式，安装在定子导磁娃钢的环槽中。定子外壳和定子导磁娃钢固连，电机工作时保持固定不动。
[0014]当定子励磁绕组线圈通过单相交变电流时，在定子导磁硅钢中围绕定子励磁绕组线圈将产生单相交变磁通，单相交变磁通通过定子和转子之间的气隙和转子导磁硅钢闭合。按照定子导磁硅钢和转子导磁硅钢间气隙与转子回转轴的相互位置关系，独立电机单元结构型式可分为轴向布置和径向布置两大类。进一步地，轴向布置和径向布置的独立电机单元又分别可细分为单侧布置和对称布置两种结构型式。
[0015]轴向单侧布置型式的定子:沿电机轴方向，相对于转子导磁娃钢，定子导磁娃钢布置在左侧或右侧。当定子导磁硅钢布置在左侧时，定子导磁硅钢上的环槽在右侧；当定子导磁硅钢布置在右侧时，定子导磁硅钢上的环槽在左侧。定子励磁绕组线圈安装在定子导磁硅钢的环槽中。
[0016]轴向对称布置型式的定子:是在转子导磁娃钢的两侧分别布置定子导磁娃钢，分别被称为定子左导磁娃钢和定子右导磁娃钢。定子左导磁娃钢上的环槽在右侧，定子右导磁硅钢上的环槽在左侧，是上述两种轴向单侧布置型式定子的结合。这时，定子励磁绕组线圈有两组，分别安装在定子左右导磁硅钢的环槽中。
[0017]径向单侧布置型式的定子:相对于转子轴线，定子导磁硅钢布置在转子导磁硅钢的内侧或外侧。当定子导磁娃钢布置在外侧时，定子导磁娃钢上的环槽在内侧；当定子导磁硅钢布置在内侧时，定子导磁硅钢上的环槽在外侧。这种布置，结构上类似于普通交流电机的内、外转子型式，但它们有本质的区别，不同之处表现在，本电机单元的定子导磁硅钢上安装单相绕组，绕线方式是类似于螺线管的简单绕线型式。
[0018]径向对称布置型式的定子:相对于转子轴线，是在转子导磁硅钢的内外侧分别布置定子导磁娃钢，分别被称为定子内导磁娃钢和定子外导磁娃钢。定子内导磁娃钢上的环槽在外侧，定子外导磁硅钢上的环槽在内侧，是上述两种径向单侧布置型式定子的结合。这时，定子励磁绕组线圈有两组，分别安装在定子内外导磁硅钢的环槽中。但这种情况下电机转子整体结构应设计成杯型，以便输出运动。
[0019]其中，转子由转子轮毂、转子导磁硅钢、转子感应励磁绕组线圈、转子扭矩绕组线圈组成。其中转子导磁硅钢是由Μ个硅钢件沿圆周均匀布置构成，每个硅钢件形状相同，相邻硅钢件之间有间隙，整体形状类似有多个缝隙的圆环柱。每个硅钢件在圆周方向上都开有槽，以使转子导磁硅钢整体上形成环槽，环槽的位置与定子导磁硅钢上安装定子励磁绕组线圈的环槽相对应。根据独立电机单元结构布置方式不同，每个硅钢件在圆周方向上的槽位置也不同，或开在径向内外的圆柱面上，或开在轴向两侧的端平面上。同时，每个硅钢件在中部还设计有通槽，其方向与环槽垂直且根据电机单元结构布置方式不同，或设计在径向方向或设计在轴向方向，用于安装转子扭矩绕组线圈；转子感应励磁绕组线圈采用类似于螺线管的简单绕线形式，安装在转子导磁硅钢的环槽中。转子扭矩绕组线圈通过转子导磁硅钢上的通槽绕在转子导磁硅钢上。转子导磁硅钢固连在转子轮毂上，电机工作时转子导磁娃钢、转子轮毂和轴一起转动。
[0020]轴向单侧布置型式的转子:转子导磁硅钢中的每个硅钢件，几何上可描述为由多层扇形角相同的矩形截面扇环柱沿径向连接而成，相邻两层矩形截面扇环柱中间的连接部分为一处或多处，每个起连接作用的连接体形状为扇环柱或一般柱体，尺寸较小。相对于转子轴线，每个硅钢件内外两侧为矩形截面扇环柱，硅钢件中间为起连接作用的连接体和矩形截面扇环柱交替排列；由于每个中间连接体尺寸较小，其轴向厚度和相对于转子轴线形成的扇形角都较小，会在每个硅钢件上形成多个轴向通槽和沿圆周方向的长槽。Μ个硅钢件沿圆周均匀布置，多层矩形截面扇环柱形成沿圆周有Μ个气隙的多层矩形截面圆环柱，在相邻两层圆环柱之间由连接体形成多个轴向通槽，并在左侧或右侧形成环槽。转子感应励磁绕组线圈安装在环槽中。转子扭矩绕组线圈通过转子导磁硅钢上多层圆环柱之间的通槽，分别绕在转子导磁硅钢的多层圆环柱上，形成转子内外多组扭矩绕组线圈。
[0021]轴向对称布置型式的转子:转子导磁硅钢相当于是将两个轴向单侧布置的转子导磁硅钢合并、共同安装在一个转子轮毂上，它们相对垂直于转子轴线的转子轮毂对称面成镜像关系，分别被称作转子左导磁娃钢和转子右导磁娃钢。转子左导磁娃钢上安装转子左感应励磁绕组线圈的环槽在左侧，与安装定子左励磁绕组线圈的定子左导磁硅钢上的环槽相对应。转子右导磁硅钢上安装转子右感应励磁绕组线圈的环槽在右侧，与安装定子右励磁绕组线圈的定子右导磁硅钢上的环槽相对应。转子感应励磁绕组线圈有两组，分别安装在转子左右导磁硅钢的环槽中。转子扭矩绕组线圈通过多层圆环柱之间的通槽，分别绕在转子左右导磁硅钢的多层圆环柱上，形成转子内外多组扭矩绕组线圈。这种情况下，转子内外多组扭矩绕组线圈，相当于是两个轴向单侧布置的转子内外多组扭矩绕组线圈分别合并的结果。
[0022]径向单侧布置型式的转子:转子导磁硅钢中的每个硅钢件，几何上可描述为多层扇形角相同的矩形截面扇环柱沿轴向连接而成，中间连接部分为一处或多处，每个起连接作用的连接体其形状为扇环柱或一般柱体，尺寸较小。沿转子轴线，每个硅钢件的左右两侧为矩形截面扇环柱，硅钢件中间为起连接作用的连接体和矩形截面扇环柱交替排列；由于每个中间连接体尺寸较小，其径向厚度和相对于转子轴线形成的扇形角都较小，会在组成硅钢件的相邻矩形截面扇环柱之间形成多个径向通槽，并在外侧或内侧沿圆周形成一个或多个长槽。Μ个硅钢件沿圆周均匀布置在轮毂上后，硅钢件的多层矩形截面扇环柱形成沿圆周有Μ个气隙的多层矩形截面圆环柱，同时连接体在多层圆环柱之间形成多个径向通槽，并在外侧或内侧形成环槽。转子感应励磁绕组线圈安装在环槽中。转子扭矩绕组线圈通过转子导磁硅钢上多层圆环柱之间的通槽，分别绕在转子导磁硅钢的多层圆环柱上，形成转子左中右扭矩绕组线圈。
[0023]径向对称布置型式的转子:采用径向对称布置型式独立电机单元的电机，结构设计上属于内外双定子电机，电机转子整体结构需设计成杯型。转子导磁硅钢，可以看做是将两个径