专利名称：同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三余度无刷直流电动机，特别是一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，可作为高精度、高可靠、容错的伺服控制系统的伺服电动机，属于电动机技术领域。
背景技术：
多余度无刷直流电动机是航空、航天、武器系统以及民用高可靠系统中不可或缺的一种电动机，该类电动机主要针对电动机中故障率最高的一种故障——绕组故障做了特殊设计。目前多余度无刷直流电动机的实现方式主要有两种电气多余度和机械综合式多余度，电气多余度即在一个电机定子槽内嵌放多套绕组，而机械综合式多余度即多台电机通过齿轮副综合为一体。
然而，电气多余度电机的多个余度间存在强烈的电磁场耦合，所以一旦某个余度发生绕组故障，特别是短路故障，其他余度的绕组内也将产生很高的感应电动势，从而导致绕组绝缘击穿，短路绕组产生的热量同样可能烧坏完好绕组的绝缘，因此电气多余度电机对绕组故障的容错能力比较有限。另外，如果电气多余度电机多套绕组隔槽嵌放，则极对数很难做大，从而不易实现力矩电机。
机械综合式多余度电机的齿轮副不可避免地存在间隙，从而会导致控制滞环、死区、低频振荡问题，所以在高精度位置伺服中的应用受到限制。再者，机械综合式多余度电机存在“力纷争”问题，即多台电机瞬间力矩方向不一致性导致的振荡问题。另外，机械综合式多余度电机存在功率密度低的问题，很难满足航空、航天等对产品功率密度要求高的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有的两种多余度电机存在的问题，克服其不足，针对高精度伺服控制系统的需求，提供一种高可靠、高精度伺服控制系统用高功率密度的同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机。
本发明的主要特征是同轴三段式结构，以及在此结构基础上为了减小齿槽转矩而采用的转子或定子错极结构。本发明的技术解决方案和技术途径为在一个机壳内封装三台无刷直流力矩电动机，三台电动机的三个转子通过电机的轴串联为一体，从而三台电动机的力矩便通过轴直接综合为一个力矩输出。三台无刷直流力矩电动机的定子独立嵌线，彼此之间没有电的联系，并在相邻的两个电机端部采用绝缘端盖进行绝缘隔离。为了防止相邻的两台电机通过端部发生磁场耦合，在两个绝缘端盖之间放置一片软磁材料的隔磁板，使得每台电动机的端部漏磁场在隔磁板内被短路掉。在上述结构基础上，为了满足高精度位置伺服控制应用的需要，本发明有效利用了三段式结构，实现转子或定子错极。三台电动机的定子和转子本身都是直槽结构，而在周向上三段转子或定子依次偏转一定角度。由于齿槽转矩也通过轴综合为一个力矩输出，错极后，每段的齿槽转矩在同一时刻具有不同的相位，通过选择合适的偏转角就可以使齿槽转矩的综合输出最小。从而，削弱了齿槽转矩对高精度位置伺服控制系统的影响。轴在后端盖一端留有位置或速度传感器接口，可以用于安装旋转变压器或光电编码器等传感器装置，不安装传感器时接口通过保护盖覆盖保护。
本发明的目的是这样实现的本发明一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，它主要包括一机壳、三个转子组件、三个定子组件、轴、轴承、隔磁板、绝缘端盖、后端盖、保护盖、电机引出线；其中，三个定子组件同轴串联，独立嵌线，彼此之间没有电的联系；三个转子组件分别置于三个定子组件内，并串联在轴上，即采用同轴三段式结构实现三余度，从而使三个余度的力矩即三台电动机的力矩通过轴直接综合为一个力矩输出，同时，通过开错位槽的方式实现错极结构；两轴承分别置于机壳与后端盖的轴承室中，且分别位于轴的两端实现对轴的支撑；后端盖与机壳通过螺钉连接，并将上述组件封装在内；每个定子组件的三相定子绕组通过电机引出线引出至机壳外；轴在后端盖一端留有传感器接口，不安装传感器时其通过保护盖覆盖保护；各定子绕组端部采用绝缘端盖防护；相邻的两个绝缘端盖之间放置一隔磁板。
其中，该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使三个转子组件在周向上依次偏转一定角度来实现转子错极；其中，该转子错极可通过在转子轭部开通槽和轴上开错位槽的方式实现，还可通过在转子轭部开错位槽和轴上开通槽的方式实现。
其中，该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使三个定子组件在周向上依次偏转一定角度来实现定子错极；其中，该定子错极可通过在定子轭部开通槽和机壳内壁开错位槽的方式实现，还可通过在定子轭部开错位槽和机壳内壁开通槽的方式实现。
其中，该错极结构的错位角是按照θ＝θct/Mr计算得出。
其中，该隔磁板采用高磁导率、高电阻率的软磁材料制成，它将分处于不同定子组件的定子绕组之间的电磁场完全隔开，形成相互独立的磁路，从而实现了相互之间无电磁干扰。
本发明的优点和功效是首先，采用同轴三段式结构，段间采用高磁导率、高电阻率软磁材料制成的隔磁板阻断了余度间的电磁耦合通路，解决了电气多余度电机绕组间存在电磁耦合的问题，大大提高了电机的容错能力。
第二，每段定子槽内只嵌放一套绕组，电机易于实现多极力矩电机结构。
第三，多个余度直接通过电机轴实现力矩综合，取消了齿轮副，省掉了几个端盖和轴承，比机械综合式多余度电机集成度更高，功率密度更高，而且不存在“力纷争”问题，无控制滞环、死区等由齿轮副引入的非线性因素，因此，不存在低频振荡问题。
综上，本发明集成度更高，功率密度更高，而且不存在“力纷争”问题，无控制滞环、死区等由齿轮副引入的非线性因素，因此，不存在低频振荡问题。每段定子槽内只嵌放一套绕组，电机易于实现多极力矩电机结构。电磁兼容性更好，容错能力更高。齿槽转矩小，可以用于高精度位置伺服控制系统。
四
图1为本发明整体结构图；图2为本发明定子绕组连接图；图3为本发明轴向截面图；图4为本发明三段转子错极截面示意图；图5为本发明的轴截面图。
图中标号说明如下1定子组件2 转子组件3后端盖4保护盖 5、6 轴承7隔磁板8定子绕组9 绝缘端盖10 电机引出线11 机壳12轴 13 永磁磁钢14 定子轭部的定位槽15转子轭部的键槽 16 转子铁心17 定子铁心18通槽19 传感器接口A、B、C 三相绕组引出端X、Y、Z 焊接点五具体实施方式
本发明所提供的解决方案在具体实施时可以在转子轭部和轴上开槽实现转子错极，也可以在定子轭部和机壳内壁开槽来实现定子错极。为实现错极，需要一个沿轴向的通槽和三个沿周向的错位槽。根据开通槽和错位槽的位置不同可以有四种实施方式在转子轭部开通槽、轴上开错位槽；在转子轭部开错位槽、轴上开通槽；在定子轭部开通槽、机壳内壁开错位槽；在定子轭部开错位槽、机壳内壁开通槽。实施方式的选择需要根据机械强度分析和工艺实施的难易程度来确定。本发明在实施时采用了在转子轭部开错位槽、轴上开通槽的方式，原因在于便于加工。
本发明一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于，它主要包括一机壳11、三个转子组件2、三个定子组件1、轴12、轴承5和6、隔磁板7、绝缘端盖9、后端盖3、保护盖4、电机引出线10。
其中，同轴串联的三个定子组件1通过定子轭部的定位槽14实现同轴连接；同轴串联的三个转子组件2分别置于三个定子组件1内，并通过转子轭部的键槽15串联在轴12上；轴承5置于机壳11的轴承室之中，轴承6置于后端盖3的轴承室中，轴承5、6分别置于轴的两端实现对轴的支撑；后端盖3与机壳11通过螺钉连接，并将上述组件封装在内；每个定子组件1的三相定子绕组8通过引出线10引出至机壳11外；轴12在后端盖3一端留有位置或速度传感器接口19，不安装传感器时其通过保护盖4覆盖保护。各定子绕组8端部采用绝缘端盖9防护，相邻的两个绝缘端盖9之间放置一隔磁板7。
其中，每个转子组件2由转子铁心16和永磁磁钢13组成，三个转子组件2通过键和轴12上的通槽18实现同轴串联，三个转子轭部的键槽15周向位置不同(见图4)，同轴串联后使得整个转子实现了错极结构。
其中，转子铁心16采用25#圆钢车削、铣削而成；永磁磁钢13的材料为磁性能良好的稀土永磁体，永磁磁钢为瓦片形，用胶粘在转子铁心表面。
其中，每个定子组件1由定子铁心17和定子绕组8组成。三个定子组件1通过键和机壳11内壁上的键槽(为通槽)实现同轴串联，三个定子轭部的定位槽14周向位置相同。
其中，定子铁心17采用软磁材料制成，如电工纯铁、冷轧硅钢、铁镍合金、铁铝合金、1J22等，视电机性能要求而定，本发明采用0.5mm厚的1J22合金薄板冲制叠压而成。
其中，轴12上开有通槽18，且轴12在后端盖3一端留有位置或速度传感器接口19；其中，隔磁板7采用高磁导率、高电阻率的软磁材料制成，它将三个定子绕组8之间的电磁场完全隔开，形成相互独立的磁路，从而实现了相互之间无电磁干扰。
转子错极时沿周向的角位移(错位角)可以按下述方法计算得到首先，确定齿槽转矩的周期 其中，2p为无刷直流电动机的极数；Z为无刷直流电动机的槽数；LCM{ }代表取最小公倍数。
那么，错位角θ＝θct/Mr，其中Mr为电机的余度数，在本发明中取3。所以在本实施方案内，2p＝8，Z＝24，从而得到θct＝15°，θ＝5°。
本发明所提供的实施方案中，电动机采用三相双层集中整距叠绕组，定子为24槽，绕组节距为3，如图2所示。
权利要求
1.本发明一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于它主要包括一机壳、三个转子组件、三个定子组件、轴、轴承、隔磁板、绝缘端盖、后端盖、保护盖、电机引出线；其中，三个定子组件同轴串联，独立嵌线，彼此之间没有电的联系；三个转子组件分别置于三个定子组件内，并串联在轴上，即采用同轴三段式结构实现三余度，从而使三个余度的力矩即三台电动机的力矩通过轴直接综合为一个力矩输出，同时，通过开错位槽的方式实现错极结构；两轴承分别置于机壳与后端盖的轴承室中，且分别位于轴的两端实现对轴的支撑；后端盖与机壳通过螺钉连接，并将上述组件封装在内；每个定子组件的三相定子绕组通过电机引出线引出至机壳外；轴在后端盖一端留有传感器接口，不安装传感器时其通过保护盖覆盖保护；各定子绕组端部采用绝缘端盖防护；相邻的两个绝缘端盖之间放置一隔磁板。
2.如权利要求1所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使三个转子组件在周向上依次偏转一定角度来实现转子错极。
3.如权利要求2所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该转子错极是通过在转子轭部开通槽和轴上开错位槽的方式实现。
4.如权利要求2所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该转子错极是通过在转子轭部开错位槽和轴上开通槽的方式实现。
5.如权利要求1所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使三个定子组件在周向上依次偏转一定角度来实现定子错极。
6.如权利要求5所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该定子错极是通过在定子轭部开通槽和机壳内壁开错位槽的方式实现。
7.如权利要求5所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该定子错极是通过在定子轭部开错位槽和机壳内壁开通槽的方式实现。
8.如权利要求1所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该错极结构的错位角是按照θ＝θct/Mr计算得出。
9.如权利要求1所述的一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，其特征在于该隔磁板采用高磁导率、高电阻率的软磁材料制成，它将分处于不同定子组件的定子绕组之间的电磁场完全隔开，形成相互独立的磁路，从而实现了相互之间无电磁干扰。
全文摘要
本发明一种同轴三段式三余度无刷直流力矩电动机，它包括一机壳、三个转子组件、三个定子组件、轴、轴承、隔磁板、绝缘端盖、后端盖、保护盖、电机引出线。其中三个定子组件同轴串联，独立嵌线；三个转子组件分别置于三个定子组件内并串联在轴上，即采用同轴三段式结构实现三余度，从而使三个余度的力矩通过轴直接综合为一个力矩输出，同时，通过开错位槽的方式实现错极结构；两轴承分别置于机壳与后端盖的轴承室中，且分别位于轴的两端实现对轴的支撑；后端盖与机壳通过螺钉连接，并将上述组件封装在内；每个定子组件的定子绕组通过电极引出线引出至机壳外；各定子绕组端部采用绝缘端盖防护；相邻的两个绝缘端盖之间放置一隔磁板。
文档编号H02K29/00GK101030717SQ20071006275
公开日2007年9月5日 申请日期2007年1月16日 优先权日2007年1月16日
发明者郭宏, 邢伟, 王自强, 王巍, 张剑云, 蔚永强 申请人:北京航空航天大学