一种冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机的制作方法

本发明涉及一种高功率密度永磁无刷电机，尤其涉及一种具有等电阻双绕组结构的紧凑型永磁无刷电机。

背景技术：

地面高精度机械臂、航天用机械臂以及探月工程用月球车机械臂等驱动采用的电机系统，为增加系统的运行可靠性，通常采用冗余设计方案，即采用电机定子绕组冗余结构、控制电路冗余设计。这样在一套系统出现故障的时候，可以启动另一套控制电路以及电机绕组系统工作。

技术实现要素：

为了解决现有空间机械臂电机系统因电路控制失效等原因造成系统故障问题，本发明提供了一种冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机，包括中空盘式永磁转子、定子、双层绕组，其中：

所述双层绕组由第一层绕组和第二层绕组组成，第二层绕组套接在第一层绕组上，通过调整第一层绕组的线径和第二层绕组的线径，实现第一层绕组的直流电阻值与第二层绕组的直流电阻值相等；

所述定子由多块定子铁心组成，每块定子铁心上设有一个定子齿；

所述多块定子铁心首尾相接，形成相互间隔的定子齿与定子槽，其中：各定子齿上呈分数槽式缠绕三相对称双层绕组，每一相双层绕组中的第一层绕组的匝数相等，第二层绕组的匝数相等，且第一层绕组的匝数与第二层绕组的匝数相等；各定子齿上第一层绕组的同相绕组之间相互串联，第二层绕组的同相绕组之间相互串联；

所述多块定子铁心组成的内圆表面与中空盘式永磁转子的外圆表面之间有气隙。

本发明中，所述双层绕组通过三种端部不同连接方式完成同一电机高速段大电流、低速大转矩、冗余工作三种工作状态，三种工作状态是指：

（1）两套冗余绕组单独工作：为稳定运行长时间工况。

（2）两套绕组并联工作状态：为大电流工作状态。输出转矩可以增加近一倍。考虑磁路饱和状态，可能稍有减小。

（3）两套绕组首尾串联模式：为大转矩低速运行模式。转矩增加近一倍，转速降低一倍。考虑饱和影响，转速降低可能更多一些。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机是一种小功率永磁无刷力矩电机，具有冗余结构，作为空间机械臂的驱动装置，能够直接满足空间机械臂末端低转速运行的要求，相对于现有技术中采用高速电机与齿轮减速装置配套来达到使用要求的方式，实现结构简单，电机系统的复杂程度降低。

2、本发明的冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机由于转子采用中空盘式，在相同重量的前提下能够达到最大的力矩输出，更加适用于航天领域。

3、本发明的冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机不仅可以同时保证两套绕组具有相同的机械特性和工作特性，还可以保证绕组间相互的独立性以及单层烧毁后相对绝缘的可靠性。

4、本发明的冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机可以同时通过不同端接方式解决空载高速以及大力矩堵转过程机械性能的实现，完成三状态工作过程，对于机械臂的极限突发应急状态具有积极意义。

5、本发明的冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机可以满足系统在冗余状态下工作的需求。

附图说明

图1是本发明冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机的整体结构示意图；

图2是图1中双层绕组及定子铁心的横截剖视结构示意图；

图3是两套绕组六个端部留出连接头，以便于三种工作状态；

图4是两套绕组单独工作情况；

图5是主绕组和冗余绕组并联运行工作情况；

图6是主绕组和冗余绕组串联工作情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1-3所示，本实施方式中的冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机由中空盘式永磁转子1、定子2、双层绕组3组成。

所述双层绕组3由第一层绕组3-1和第二层绕组3-2组成，第二层绕组3-2套接在第一层绕组3-1上。

所述定子2由多块定子铁心2-1组成，每块定子铁心2-1上设有一个定子齿2-2，多块定子铁心2-1首尾相接形成相互间隔的定子齿2-2与定子槽2-3，其中：在所有定子齿2-2上呈分数槽式缠绕三相对称双层绕组3，每一相双层绕组3中的第一层绕组3-1的匝数相等，每一相双层绕组3中的第二层绕组3-2的匝数相等，第一层绕组3-1的匝数与第二层绕组3-2的匝数相等；各定子齿2-2上第一层绕组3-1的同相绕组之间相互串联；各定子齿2-2上第二层绕组3-2的同相绕组之间相互串联；多块定子铁心2-1组成的内圆表面与中空盘式永磁转子1的外圆表面之间有气隙1-1；通过调整第一层绕组3-1的线径和第二层绕组3-2的线径，实现第一层绕组3-1的直流电阻值与第二层绕组3-2的直流电阻值相等。

本实施方式中，所述多块定子铁心2-1组成的内圆表面与中空盘式永磁转子1的外圆表面之间气隙1-1的尺寸范围为0.25~0.75mm。

本实施方式中，所述中空盘式永磁转子1中的永磁材料为钐钴永磁材料。

本实施方式中，所述冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机可以通过三种不同端接方式实现电机的三种运行状态：单绕组冗余工况；双绕组并联工作运行，输出功率拓展，快速加速过程；双绕组串联运行，输出高堵转转矩能力，瞬时大转矩过载实现。

本实施方式中，所述冗余绕组三状态空间机械臂用永磁无刷电机的工作原理如下：

定子铁心2-1由若干块硅钢片分段叠压而成，然后组成定子2，定子2采用分块式铁心的设置方式能够减小定位力矩使电机的整体性能保持稳定。由于电机的绕线通常是通过槽口在齿上进行绕线的，若采用整块式的定子2结构，则要求槽口足够大，分块式铁心结构可以解决绕线工艺，进行每个铁心的单独绕线，因此槽口可以做的很小，提高功率密度。双层绕组3的优点是可以满足系统在冗余状态下工作的需求。

具体实施方式二：本实施方式中，所述双层绕组具有两套冗余绕组单独运行工况的绕组端接模式与切换模式，即：将第一层绕组3-1和第二层绕组3-2均作为冗余绕组。

如图4所示，冗余绕组a1x1、b1y1、c1z1与冗余绕组a2x2、b2y2、c2z2为单独运行状态，同时采用共地星型连接，为稳定运行长时间工况。

具体实施方式三：本实施方式中，所述双层绕组具有主绕组与冗余绕组并联运行工况的绕组端接模式与切换模式，即：将第一层绕组3-1作为主绕组，第二层绕组3-2作为冗余绕组。主绕组与冗余绕组每相并联并进行星型中点短接，可以在特殊需要时进行电路切换。

如图5所示，主绕组a1x1、b1y1、c1z1与冗余绕组a2x2、b2y2、c2z2为并联运行状态，同时采用共地星型连接，为大转矩、高功率、短时工况。

具体实施方式四：本实施方式中，所述双层绕组具有主绕组与冗余绕组串联运行工况的绕组端接模式与切换模式，即：将第一层绕组3-1作为主绕组，第二层绕组3-2作为冗余绕组。主绕组与冗余绕组每相首尾串联并进行星型中点短接，可以在堵转大转矩下使用，堵转转矩增加一倍。

如图6所示，主绕组a1x1、b1y1、c1z1与冗余绕组a2x2、b2y2、c2z2为首尾串联运行状态，同时采用共地星型连接，为大转矩、低速、短时工况。