一种低压大电流伺服电机的制作方法

本发明涉及一种低压大电流伺服电机，属于航天机电伺服系统伺服电机领域。

背景技术：

机电伺服技术首次成功应用于战略武器型号后，逐步形成了96v、160v、270v、400v电压体系的机电伺服系统，机电伺服系统一般包括伺服动力电源、伺服控制驱动器、伺服电机、伺服传动机构。伺服动力电源为伺服控制驱动器提供直流电，伺服控制驱动器将直流电逆变为三相交流电供给伺服电机，伺服电机带动伺服传动机构旋转并经转换后输出直线位移。

上述机电伺服系统在型号研制和应用中发现：伺服动力电源的直流母线电压越高，对伺服控制驱动器内部电路设计要求越严格；伺服动力电源热电池串联单体数目越多，体积越大；在低气压条件下，系统发生介质击穿拉弧放电的几率越高，对系统可靠性有较大影响。

目前，低电压体系的机电伺服系统研究和应用还属空白，低电压体系机电伺服系统中的伺服电机作为动力元件，具有低压大电流的特点，为适应低压大电流的需求，电机绕组匝数过低股数过高，下线工艺实现较难；与高电压体系相比，在同样的工况下，大电流导致永磁体和套筒涡流损耗过大，对提高电机的比功率密度带来不利影响。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种低压大电流伺服电机，采取分段错位式设计减少涡流损耗，通过动平衡式减重法提高散热能力，降低的电机的损耗，提高了电机的比功率密度，满足航天领域伺服电机空间体积狭小及轻质的要求。

本发明的技术解决方案：

一种低压大电流伺服电机，包括定子组件、转子组件、后端盖和旋转变压器，转子组件通过轴承安装于定子组件内部，

定子组件包括电机外壳、定子铁心和前端盖，

转子组件包括电机轴、磁轭、永磁体、左档环、右档环和套筒，

旋转变压器同轴安装于电机轴的一端，对电机轴的位置进行检测，电机轴外侧依次同轴安装有磁轭、永磁体和套筒，左档环、右档环分别安装于磁轭、永磁体的两侧，实现对磁轭、永磁体的轴向限位；

定子铁心安装于电机外壳内部，

前端盖径向上与电机外壳一端过盈配合，前端盖轴向上一端通过电机外壳内壁的止口端面限位，另一端通过外部传动机构的止口端面限位，实现前端盖径向及轴向固定；

后端盖安装于电机外壳的另一端；

永磁体及套筒在轴向上等分，永磁体等分量大于套筒等分量，并错位安装，使56v电压体系的伺服电机在相同转矩、转速工况下，与160v电压体系的伺服电机永磁体和套筒的涡流损耗相同；

左档环、右档环在圆周方向开有去重孔，对去重孔孔径大小的调节，实现转子组件的动平衡；当电机轴旋转时，左档环、右档环形成风扇效应，带走永磁体和套筒的涡流损耗产生的部分热量，使温升降为至少20％。

永磁体的磁能积至少为47mgoe，内禀矫顽力至少为35koe，工作温度不低于230℃。

永磁体为钕铁硼材料或钐钴材料。

定子铁心由定子硅钢片叠压而成，其内圆开有嵌入绕组的槽口，下线时，对绕组股数等分，等分后的每匝绕组截面积与槽口尺寸匹配，嵌入后的每匝绕组通过引出端子连接在铜板上进而实现等分后的每匝绕组并联，三相引线也通过引出端子连接在铜板上进行三相引出，铜板固定在绝缘底板上，绝缘底板固定在电机壳体上，实现每匝绕组、引线与电机壳体绝缘。

绝缘底板材料为聚四氟乙烯，厚度不小于为3mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)涡流损耗与电机的转速和电流成正比，56v电压体系的伺服电机在相同转矩、转速工况下，其电流是160v电压体系的伺服电机的2.5倍，因此在不采取降涡流损耗结构设计的情况下，其涡流损耗也是160v电压体系的伺服电机的2倍，本发明采用在永磁体及套筒在轴向上等分，永磁体等分量大于套筒等分量，并错位安装的结构设计，实现了涡流损耗由2倍降至1.3倍，降低的电机的损耗，提高了电机的比功率密度，降低了电机的体积和重量，满足航天领域伺服电机空间体积狭小及轻质的要求；

(2)现有技术档环多为圆柱形管状实心结构，通常用于高于96v电压体系的伺服电机上，该电压体系电机电流适中，永磁体和套筒的涡流损耗比重较小；而本发明伺服电机电压体系为56v，因伺服电机电压体系降低，电流增大，永磁体和套筒的涡流损耗急剧增加，需要解决永磁体和套筒的散热问题，通过去重孔的设计，使得永磁体和套筒的温升下降至少20％，提高了电机的比功率密度，降低了电机的体积和重量，满足航天领域伺服电机空间体积狭小及轻质的要求；

(3)现有技术前端盖与电机外壳通过螺钉连接，需要预留空间尺寸，导致前端盖与电机外壳所占用空间体积过大，同时重量相应增加；本发明通过前端盖径向上与电机外壳一端过盈配合，前端盖轴向上一端通过电机壳体内壁的止口端面限位，另一端通过外部传动机构的止口端面限位，可以节省前端盖的安装空间，进而减小了电机的体积。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明定子组件结构示意图；

图3为本发明前端盖结构示意图；

图4为本发明转子组件结构示意图；

图5为本发明图4的a-a向剖视图；

图6为本发明左档环、右档环结构示意图；

图7为56v电压体系电机在工况点2的永磁体温度云图；

图8为160v电压体系电机在工况点2的永磁体温度云图；

图9为本发明56v电压体系电机采取措施1后在工况点2的永磁体温度云图；

图10为56v电压体系电机采取措施1、2后在工况点2的永磁体温度云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

一种低压大电流伺服电机，如图1所述，包括定子组件1、转子组件2、后端盖3和旋转变压器7，转子组件2通过轴承2-8安装于定子组件1内部，

如图2所示，定子组件1包括电机外壳1-1、定子铁心1-3和前端盖1-5，

如图4、图5所示，转子组件2包括电机轴2-1、磁轭2-3、永磁体2-4、左档环2-7、右档环2-2和套筒2-6，

旋转变压器7同轴安装于电机轴2-1的一端，对电机轴2-1的位置进行检测，电机轴2-1外侧依次同轴安装有磁轭2-3、永磁体2-4和套筒2-6，左档环2-7、右档环2-2分别安装于磁轭2-3、永磁体2-4的两侧，实现对磁轭2-3、永磁体2-4的轴向限位；

定子铁心1-3安装于电机外壳1-1内部，定子铁心1-3由定子硅钢片叠压而成，其内圆开有嵌入绕组的槽口，下线时，对绕组股数等分，等分后的每匝绕组截面积与槽口尺寸匹配，嵌入后的每匝绕组通过引出端子连接在铜板上进而实现等分后的每匝绕组并联，三相引线也通过引出端子连接在铜板上进行三相引出，铜板固定在绝缘底板上，绝缘底板固定在电机壳体上，实现每匝绕组、引线与电机壳体绝缘，有效解决了下线及引线问题，绝缘底板材料为聚四氟乙烯，厚度不小于为3mm，确保在56v体系下，绝缘可靠。

如图3所示，前端盖1-5径向上与电机外壳1-1一端过盈配合，前端盖1-5轴向上一端通过电机外壳1-1内壁的止口端面(面1)限位，另一端通过外部传动机构的止口端面与电机外壳1-1内壁的止口端面(面2)配合限位，实现前端盖1-5径向及轴向固定；

现有技术前端盖与电机外壳通过螺钉连接，需要预留空间尺寸，导致前端盖与电机外壳所占用空间体积过大，同时重量相应增加；本发明通过前端盖径向上与电机外壳一端过盈配合，前端盖轴向上一端通过电机壳体内壁的止口端面限位，另一端通过外部传动机构的止口端面限位，可以节省前端盖的安装空间，进而减小了电机的体积。

后端盖3安装于电机外壳1-1的另一端；

永磁体2-4可优选在轴向上三等分，套筒2-6可优选在轴向上四等分，满足永磁体2-4等分量大于套筒2-6等分量，并错位安装，使56v电压体系的伺服电机在相同转矩、转速工况下，与160v电压体系的伺服电机永磁体和套筒的涡流损耗相同；永磁体2-4的磁能积至少为47mgoe，内禀矫顽力至少为35koe，工作温度不低于230℃，永磁体2-4为钕铁硼材料或钐钴材料。

涡流损耗与电机的转速和电流成正比，56v电压体系的伺服电机在相同转矩、转速工况下，其电流是160v电压体系的伺服电机的2.5倍，因此在不采取降涡流损耗结构设计的情况下，其涡流损耗也是160v电压体系的伺服电机的2倍。采用在永磁体及套筒在轴向上等分，永磁体等分量大于套筒等分量，并错位安装的结构设计，实现了涡流损耗由2倍降至1.3倍，降低的电机的损耗，提高了电机的比功率密度，降低了电机的体积和重量，满足航天领域伺服电机空间体积狭小及轻质的要求。

如图6所示，左档环2-7、右档环2-2在圆周方向开有去重孔，优选在圆周方向上均布8个孔，转子组件2在做动平衡时，可通过扩孔的方式去掉不平衡量，当电机轴2-1旋转时，左档环2-7、右档环2-2形成风扇效应，带走永磁体2-4和套筒2-6的涡流损耗产生的部分热量，使温升降为至少20％。

现有技术档环多为圆柱形管状实心结构，通常用于高于96v电压体系的伺服电机上，该电压体系电机电流适中，永磁体和套筒的涡流损耗比重较小；而本发明伺服电机电压体系为56v，因伺服电机电压体系降低，电流增大，永磁体和套筒的涡流损耗急剧增加，需要解决永磁体和套筒的散热问题，通过去重孔的设计，使得永磁体和套筒的温升下降至少20％，提高了电机的比功率密度，降低了电机的体积和重量，满足航天领域伺服电机空间体积狭小及轻质的要求。

从表1可以看出，电机的空间体积和输出能力保持不变，仅电压体系由原来的160v降低为56v，电机参数变化如下：

1)股数增加，给下线和引线造成工艺困难；

2)峰值转矩工作电流增加，永磁体和套筒涡流损耗增加；

3)永磁体和套筒的温升增加。

采用本专利采取的措施后，电机损耗与温升对比情况如表2：采取措施1后，永磁体和套筒涡流损耗在工况点1处由17.1w降低至12.8w；在工况点2处由123w降低至92.2w，温升由25℃上升至37.6℃；采取措施2后，在工况点2处永磁体温升由25℃上升至33.4℃；如果当电机的速度进一步升高，损耗进一步增加，上述两种措施的采用可大幅度降低电机的损耗和温升。

由上述仿真可以看出，采取措施1、2，实现了涡流损耗由2倍降至1.3倍，降低的电机的损耗，使得永磁体和套筒的温升下降至少20％，提高了电机的比功率密度，降低了电机的体积和重量，满足航天领域伺服电机空间体积狭小及轻质的要求。

表156v电压体系和160v电压体系电机参数对比

表256v电压体系和160v电压体系电机参数对比

措施1：永磁体2-4可优选在轴向上三等分，套筒2-6可优选在轴向上四等分，满足永磁体2-4等分量大于套筒2-6等分量，并错位安装。

措施2：左档环2-7、右档环2-2在圆周方向开有去重孔，优选在圆周方向上均布8个孔，转子组件2在做动平衡时，可通过扩孔的方式去掉不平衡量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。