专利摘要

本发明公开了一种伺服有限转角力矩电机，包括定子铁心、转子、转角检测装置、结构支部件，其中，定子铁心基于定子齿与转子进行配合产生成低磁阻均匀分布的磁力线回路，转子基于径向充磁的磁钢在气隙圆周方向上产生均匀幅值的励磁磁动势，形成低磁阻的磁力线回路以及输出力矩。本发明通过将定子铁芯中定子齿顶部形状设置为月牙形，并与一定极弧大小的沿转子径向厚度处处相等的瓦片形长条形磁钢相配合，使得磁钢产生的磁力线均匀分布于定子齿顶部并形成低磁阻磁力线回路，消除了因齿部形状不合适而导致的齿部局部饱和，并使得有限转角电机无齿槽区域最大，进而几乎完全消除转子在工作角度范围内旋转的齿槽转矩波动。

权利要求

1.一种伺服有限转角力矩电机，其特征在于，包括定子铁心、转子、转角检测装置和结构支部件；

所述结构支部件包括机壳、端盖和轴承，所述机壳内套装有所述定子铁心，所述端盖设置在所述机壳的端口处，所述转子通过所述轴承装配在所述端盖与所述机壳之间，所述转子位于所述定子铁心的内侧，所述转角检测装置设置在所述转子与所述端盖之间；

所述转子用于基于径向充磁的磁钢在气隙圆周方向上产生幅值均匀的励磁磁动势，形成低磁阻的磁力线回路以及输出力矩；所述转子的磁轭周向均匀分布有偶数个磁钢；所述磁钢径向充磁，磁钢的极性交错分布，磁钢为瓦片形长条状，且沿转子径向厚度处处相等，各个磁钢的极弧系数均相等，且极弧系数均大于或等于0.95；

所述定子铁心的内侧均匀分布着多个定子齿，其中定子齿的个数与所述磁钢的个数相等；所述定子齿的顶部为月牙形，所述定子齿的顶部两侧边缘为平行结构，贴合所述磁钢产生磁力线的自然走向；所述定子铁心用于基于所述定子齿与所述转子进行配合产生均匀分布的低磁阻磁力线回路；

所述转角检测装置用于实时监测电机转角位置达到控制力矩电机转动角度大小；

所述结构支部件用于提供电机的机械支撑、固定并保护内部其他部件。

2.根据权利要求1所述的伺服有限转角力矩电机，其特征在于，所述定子齿顶部的两边缘为平行边，所述平行边的边长取值为定子与转子之间气隙长度的0.9~1.1倍。

3.根据权利要求1所述的伺服有限转角力矩电机，其特征在于，所述定子齿顶部靠近气隙一侧的圆弧弧长与所述转子中磁钢外表面圆弧长度相等或者相差不超过5%。

说明书

技术领域

本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种伺服有限转角力矩电机。

背景技术

有限转角力矩电机是一种能在一定转角范围内转动，并有一定力矩输出的特殊电机，该类电机可直接作为伺服控制系统的驱动元件，具有结构简单、可靠，易于控制，动态响应好等优点。但是在某些应用场合，如液压阀中，油阀的开启过程中即需要一定的力矩驱动，还需要通过油阀开启的大小控制液压油的流量大小，另外，油阀开启的过程油液产生的阻力与油阀开启角度大小成反比，在整个过程中对电机既有输出力矩的要求，同时还应具备伺服电机的特点。但是现有的有限转角力矩电机大多都存在气隙大、力矩体积比小，转角范围内力矩偏差较大等缺点，无法满足高精度伺服驱动系统的要求。

专利CN207426941U提出了一种阀用伺服有限转角力矩电机。该阀用伺服有限转角力矩电机采用齿槽型结构设计，齿槽型结构电机气隙长度较短，气隙磁密高，能够输出较高扭矩。为了降低齿槽结构带来的转矩波动，满足伺服电机的要求，该力矩电机电枢铁芯采用斜槽结构，齿上开有小齿。斜槽结构导致电机绕线槽满率仅为0.2左右，远低于通常绕线槽满率0.6，即限制绕线匝数，进而限制了电机电负荷和力矩输出能力。同时，开小齿结构使得定子铁心形状复杂，加工精度难以保证，而小齿结构的细节尺寸，容易产生非均匀磁力线回路，从而产生非均匀的磁导率的空间，对降低转矩波动影响较大，加工误差会导致转矩波动抑制效果大打折扣，电机实际产品性能难以把控，影响其可靠性。

综上所述，提出一种转矩波动较小的伺服有限转角力矩电机是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种伺服有限转角力矩电机，旨在解决现有技术由于采用小齿结构的定子铁心而导致的转矩波动较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种伺服有限转角力矩电机，包括定子铁心、转子、转角检测装置、结构支部件；

其中，结构支部件包括机壳、端盖、轴承，机壳内套装有定子铁芯，端盖设置在机壳的端口处，转子通过轴承装配在端盖与机壳之间，转子位于定子铁芯的内侧，转角检测装置设置在转子与端盖之间；

定子铁心用于基于定子齿与转子进行配合产生均匀分布的低磁阻磁力线回路；

转子用于基于径向充磁的磁钢在气隙圆周方向上产生幅值均匀的励磁磁动势，形成低磁阻的磁力线回路以及输出力矩；

转角检测装置用于实时监测电机转角位置达到控制力矩电机转动角度大小；

结构支部件用于提供电机的机械支撑、固定并保护内部其他部件。

进一步优选地，转子的磁轭周向均匀分布有偶数个磁钢。

进一步优选地，磁钢径向充磁，磁钢的极性交错分布，磁钢为瓦片形长条状，且沿转子径向厚度处处相等，磁钢的极弧均相等，且极弧系数均大于等于0.95。所述磁钢可以沿气隙圆周方向产生幅值处处相同极性周期交变的励磁磁动势，大大降低转子旋转过程中通过定子齿部的磁通变化，进而消除因磁通变化导致的转矩波动。

进一步优选地，定子铁芯的内侧均匀分布着多个定子齿，定子齿之间形成多个定子槽，其中定子齿的个数与磁钢的个数相等，从而在使得转子获得最大的可旋转角度得同时，可以有效增大定子槽面积提升电机电负荷水平。

进一步优选地，定子齿的顶部为月牙形，可有效降低磁场饱和、降低齿槽转矩、拓宽无齿槽区域角度。

进一步优选地，每个定子齿顶部的两边缘为平行边，可有效避免相邻的定子齿顶部边缘的漏磁通，其中定子齿顶部的边缘边长取值为气隙长度的0.9～1.1倍，在该范围内电机转矩波动削弱效果最佳。

进一步优选地，定子齿顶部靠近气隙一侧的圆弧弧长应与转子中磁钢外表面圆弧长度相等或者相差不超过5％，使得有限转角电机无齿槽区域最大。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出了一种伺服有限转角力矩电机，通过将定子铁芯中定子齿顶部形状设置为月牙形，并与一定极弧大小的沿转子径向厚度处处相等的瓦片形长条形磁钢相配合，使得磁钢产生的磁力线均匀分布于定子齿顶部并形成低磁阻的磁力线回路，大大消除因齿部形状不合适而导致的齿部局部饱和、进而几乎完全消除转子在工作角度范围内旋转的齿槽转矩波动，满足高精度伺服控制要求，从而解决现有技术由于采用小齿结构而导致的转矩波动较大的问题。

2、本发明所提出的伺服有限转角力矩电机，其定子铁芯中定子齿顶部两侧边缘为平行结构，可有效避免相邻的定子齿顶部边缘的漏磁通。

3、本发明所提出的伺服有限转角力矩电机，其定子铁芯中定子齿顶部外侧圆弧弧长与磁钢弧长基本相等，使得有限转角电机无齿槽区域最大。

4、本发明所提出的伺服有限转角力矩电机，通过安装在转子与端盖之间的转角检测装置，实时监测电机角度，达到控制电机转动角度的目的，提高电机的控制精度，同时电机无需再额外增加用于转子角位置检测的相关设备，大大地减小了本发明技术方案的体积。

5、本发明所提出的伺服有限转角力矩电机采用齿槽结构，气隙长度小，气隙磁密大，同时不需要斜槽来额外减少齿槽，因此定子槽能可设置更多导线，即同等散热条件下，电机电负荷可远高于现有技术电机。基于此，本发明伺服有限转角力矩电机输出力矩远高于传统有限转角力矩电机，输出力矩特性优异，转子惯量小，满足高精度伺服电机要求。

附图说明

图1是本发明所提供的电机的轴向截面图；

图2是本发明所提供的电机的二维电磁结构图；

图3是本发明所提供的电机磁钢磁力线分布图；其中，图(a)为本发明所提供的电机磁钢磁力线在空气中的分布图，图(b)为本发明所提供的电机磁钢磁力线在月牙形定子齿中的分布图；

图4是分别采用本发明和现有技术所得的的电机空载齿槽转矩曲线图；其中，图(a)为采用本发明所得的的电机空载齿槽转矩曲线图，图(b)为采用现有技术所得的的电机空载齿槽转矩曲线图；

图5是本发明所提供的电机输出力矩曲线图；

图6是本发明所提供的电机平均输出力矩随电流变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明提供了一种伺服有限转角力矩电机，其轴向截面图和二维电磁结构图分别如图1和图2所示，包括电磁结构定子铁芯1、转子2、电枢套组3，转角检测装置4以及结构支部件5-7；

其中，结构支部件包括机壳5、端盖6和轴承7，机壳5内套装有定子铁心1，定子铁芯1的内侧设置有四个沿周向等角度布置的定子齿11，四个定子齿上分别缠绕有电枢绕组3，端盖6设置在机壳5的端口处通过螺栓相互固定连接，转子2的转轴21通过两个轴承7装配在端盖6与机壳5之间，使得转子位于定子铁芯1的内侧，并可作旋转运动。转角检测装置包括线性霍尔传感器41和环形霍尔架42，其中，环形霍尔架42设置在机壳5的底部，线性霍尔固定于环形霍尔架42上，具体安装时，根据力矩电机运行角度范围确定具体位置。其中，线性霍尔传感器用以感应磁钢的磁场强度，可以使用三用表测量霍尔输出电压，再根据线性霍尔的特点，对跟踪磁钢形状和与霍尔的距离进行优化，保证霍尔感应到的磁场为线性，从而提高输出信号的线性度，提高电机的控制精度。

具体的，定子铁心1用于基于定子齿与转子进行配合产生均匀分布的低磁阻磁力线回路；转子2用于基于径向充磁的磁钢在气隙圆周方向上产生幅值均匀的励磁磁动势，形成低磁阻的磁力线回路以及输出力矩；电枢绕组3置于定子铁芯齿部，当通入电流时，可在电机产生磁场、形成磁通，并与转子中的磁钢产生的磁场相互作用、产生转矩。进一步地，改变电流极性和幅值可改变输出转矩的方向和大小转角检测装置4用于实时监测电机转角位置达到控制力矩电机转动角度大小；结构支部件5-7用于提供电机的机械支撑、固定并保护内部其他部件。

具体的，转子包括转轴21、磁轭22、磁钢23，在本实施例中，转轴21采用非导磁材料加工而成，用于固定磁轭与磁钢，并且作为输出轴向外输出力矩；磁轭22采用导磁性能好、矫顽力低的软铁材料(如硅钢片、电工钢材等)加工而成，用于连接转轴与磁钢，为电机磁力线回路提供通路；磁钢23采用高性能永磁材料(如钐钴、钕铁硼等)制成，用于产生持续稳定的磁场，在电机中形成磁通为转角检测装置提供感应磁通，并且与通电绕组产生的磁场相互作用产生转矩。具体的，靠近转角检测装置中的线性霍尔41的两个相邻的磁钢，为线性霍尔41提供感应磁通，使线性霍尔41输出对应的电压信号，经过计算就可以确定转子的位移，从而实时监测电机转角位置达到控制力矩电机转动角度大小的目的；另外两个磁钢远离线性霍尔41，以便不干扰转角检测装置工作。磁轭22套置并固定于转轴21上，磁轭22周向均匀分布有偶数个径向充磁的磁钢23，在本实施例中，磁钢23的个数为4个，充磁方向均为转轴21的径向方向，四个磁钢的极性交错分布。具体的，四块磁钢23为瓦片形长条状，且沿转子径向厚度处处相等，具体的，传统的磁钢采用面包型永磁体，平行充磁，气隙中的磁动势为正弦变化；本发明中采用瓦片形径向厚度处处相等的磁钢进行径向充磁，气隙中磁动势为方波变化，磁钢在气隙中产生沿着圆周方向幅值处处相等的励磁磁动势，能减少转子运动过程中，齿部磁力线变化，进而消除磁通变化带来的转矩波动。进一步地，四块瓦片形长条状磁钢极弧相同且接近极弧系数1，优选地，考虑加工定位要求，磁钢极弧系数可以取0.95以上。

具体的，定子铁芯1的内侧等角度均匀分布着多个定子齿11，并且定子齿11的个数与磁钢23的个数相等，从而使得转子在获得最大的可旋转角度得同时，能够有效增大定子槽面积进而提升电机电负荷水平。在本实施例中，定子齿的个数与磁钢23的个数均为4个，四个定子齿11之间形成四个定子槽13，每个定子齿11有月牙形的定子齿顶部111，每个定子齿顶部111的两边缘为平行边，边长与气隙长度相近；定子齿11上分别缠绕有相互串联的电枢绕组3的线圈，并且相邻的两个线圈的缠绕方向相反；转子位于定子铁芯1的内侧，转子的轴向设置有四个径向充磁的磁钢23，磁钢23为径向高度处处相等的瓦片状，并且四个磁极的极性交错分布；当电枢绕组3通电后，产生的磁场与转子的磁场相互作用，驱动转子在定子铁芯1内朝一方向做旋转运动，改变电枢绕组3的通电极性就可以改变转子的旋转方向，故此通过反复改变控制电枢绕组3通电极性即可实现转子在定子铁芯1中做一定转角的往复旋转运动。进一步地，每个定子齿顶部111形状为月牙形；月牙形定子齿顶部111齿顶两边缘为平行结构，定子齿顶部的边缘边长与气隙长度相近，具体的，定子齿顶部的边缘边长取值为气隙长度的0.9～1.1倍，在该取值范围内电机转矩波动削弱效果最佳。进一步地，每个定子齿顶部111靠近气隙一侧的圆弧弧长等于磁钢23外表面圆弧长度或相差不超过5％。

具体的，定子齿顶部111的形状为月牙形，贴合磁钢产生磁力线的自然走向，可有效降低磁场饱和、降低齿槽转矩、拓宽无齿槽区域角度，如图3所示为本发明所提供的电机磁钢磁力线的分布图，其中，图(a)为本发明所提供的电机磁钢磁力线在空气中的分布图，图(b)为本发明所提供的电机磁钢磁力线在月牙形定子齿中的分布图，在无齿部时，相邻的极性相反的磁钢在外侧空气中产生的磁力线呈半圆型，如图3中的(a)图所示。为贴合磁力线走向，定子齿顶部111采用月牙形，使得磁钢产生磁力线均匀分布于定子齿顶部，并形成回路，大大消除因齿部形状不合适而导致的齿部局部饱和，进而几乎完全消除转子在工作角度范围内旋转的齿槽转矩波动，如图3中的(b)图所示；定子齿顶部111两侧边缘为平行结构，可有效避免相邻的定子齿顶部边缘的漏磁通；另外，定子齿顶部111靠近气隙一侧的圆弧弧长应等于磁钢23外表面圆弧长度或相差不超过5％，可使得有限转角电机无齿槽区域最大。

具体的，通过对转子中磁钢23的厚度、极弧以及定子铁芯1中定子齿顶部12形状的优化，本发明电机的空载齿槽转矩性能表现优异，图4中的(a)图和(b)图是分别采用本发明和现有技术所得的电机空载齿槽转矩曲线图，其中横坐标为转动角度，纵坐标为齿槽转矩，从图4可以可以看出，现有技术的电机虽然降低了全周期齿槽转矩的幅值，但未根本上消除工作范围内的齿槽转矩，而本发明的电机在有限转角工作区域内力矩几乎无偏差且接近零，即几乎无齿槽，满足高精度伺服控制要求，大大消除了齿槽结构对输出力矩的影响。

进一步地，本发明电机的负载输出力矩特性表现优异，电机输出的力矩曲线族如图5所示，其中横坐标为转动角度，纵坐标为输出力矩，当电机通入不同电流时(对应于图5中不同曲线后标注的不同的电流值)，在额定工作角度40°范围内，每一条力矩曲线均接近水平，即在工作范围内，转子不同角度下都可以输出不变的力矩，具体输出大小偏差不超过5％，这一特点保证了电机使用过程中出力的稳定性，避免转动过程中的抖动；同时电机平均输出力矩随电流变化曲线图如图6所示，其中横坐标为绕组内通入电流幅值，纵坐标为平均输出力矩，从图中可以看出输出力矩与电流大小呈正比，这一特点使得整个控制系统更接近线性，即改变电流控制信号即可等幅的改变输出力矩，降低了控制复杂度、提高了系统可靠性、增加了本发明可用场合。

本发明提供了一种伺服有限转角力矩电机，通过优化定子铁芯中定子齿顶部形状，与一定极弧大小的磁钢相配合，实现在有限转角范围内无齿槽影响，满足高精度伺服控制要求。另外本发明采用齿槽结构，气隙长度小，气隙磁密大，同时不需要斜槽来额外减少齿槽，因此定子槽能可设置更多导线，即同等散热条件下，电机电负荷可远高于现有技术电机。基于此，本发明伺服有限转角力矩电机输出力矩远高于传统有限转角力矩电机，输出力矩特性优异，转子惯量小，满足高精度伺服电机要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种伺服有限转角力矩电机专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。