一种低转矩波动的有限转角力矩电机的制作方法

1.本发明属于有限转角力矩电机领域，具体涉及一种低转矩波动的有限转角力矩电机。


背景技术：

2.有限转角电机是一种可在一定角度范围内直接驱动负载进行快速运动和精准定位的伺服电动机。该电机具有结构简单、转动惯量小等特点，同时，该电机组成的位置伺服系统具有出力大、频带宽、定位精度高、体积小、重量轻等特点，故可应用于航空伺服阀、舵机作动、机器人关节、雷达天线等高精度电气伺服系统。
3.如图1所示，现有有限转角力矩电机多采用单线径多层绕组环形密绕技术均匀分区域进行绕制。每个区域采用单一的线径，保证绕向按一定的层数将漆包线绕制在定子铁芯上。由于定子绕组每个区域内线径和匝数是均衡的，导致当定子转到较大转角范围时，有效的定子匝数降低，电磁转矩明显降低；因此，随着转子转角位置的增大，有限转角力矩电机的电磁转矩减小，从而无法满足电气伺服系统提出的低转矩波动的要求。
4.综上所述，在实际应用中，有限转角力矩电机的电磁转矩值随着转子转角位置的增大而减小，导致在大转角范围时无法实现预期的力能效果，从而影响电气伺服系统的性能指标。


技术实现要素：

5.针对现有有限转角力矩电机无法满足低转矩波动要求的问题，本发明提供了一种低转矩波动的有限转角力矩电机。
6.为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
7.一种低转矩波动的有限转角力矩电机，包括机壳、定子和转子，所述定子和转子均设置在机壳内；所述定子包括定子铁芯、以及通过环形密绕设置在定子铁芯上的多个定子绕组，每个定子绕组均包括依次绕制的第一绕组、第二绕组和第三绕组，且第一绕组、第二绕组和第三绕组首尾连接；所述第一绕组和第三绕组的线径相同、绕制层数相同，所述第二绕组的线径大于第一绕组、第三绕组的线径，且第二绕组的绕制层数小于第一绕组、第三绕组的绕制层数。
8.进一步地，所述第二绕组的绕制层数为n层，且n为奇数，所述第一绕组和第三绕组的绕制层数为n+2层。
9.进一步地，所述第二绕组的绕制层数为3层，所述第一绕组和第三绕组的绕制层数为5层。
10.进一步地，所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的绕制角度分别为绕线区域总角度的15％～20％、60％～70％、15％～20％，且第一绕组和第三绕组的绕制角度相等。
11.进一步地，所述第二绕组的线径为第一绕组和第三绕组的线径的1.2～1.8倍。
12.进一步地，所述定子绕组通过绕组骨架设置在定子铁芯上，所述绕组骨架的数量
与定子绕组的数量相同，每个绕组骨架上设置有两个分隔板，将绕线区域划分为与第一绕组、第二绕组和第三绕组的绕制角度相对应的三个弧段。
13.进一步地，所述绕组骨架为对扣式结构，包括相扣合的两个截面为u形的弧形板。
14.进一步地，所述定子铁芯上设置有刻标记线，刻标记线将定子绕组的绕线区域划分为与第一绕组、第二绕组和第三绕组的绕制角度相对应的三个弧段。
15.进一步地，所述定子铁芯上设置有多个定位块，用于对多个定子绕组的绕组区域进行划分。
16.进一步地，所述绕组骨架采用绝缘材料，通过注塑工艺制成。
17.本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1.本发明有限转角力矩电机提出绕组区域分弧段多线径不同层数的绕制方法，即中心绕线区域漆包线采用较粗线径、较少层数，两侧绕线区域漆包线采用较细线径、较多层数的措施，该种方式有效降低了有限转角力矩电机的转矩波动。
19.2.本发明有限转角力矩电机的定子绕组通过对扣式绕组骨架设置在定子铁芯上，对扣式绕组骨架较为准确的实现了绕组区域的分弧段，保证了不同弧段的绕线角度。
附图说明
20.图1为现有有限转角力矩电机的单线径多层绕组环形密绕示意图；
21.图2为本发明有限转角力矩电机的多段多线径多绕组环形密绕示意结构；
22.图3为本发明绕组骨架与定子铁芯配合的示意图；
23.图4为本发明绕组骨架的结构示意图；
24.图5为本发明转矩波动示意图。
25.附图标记：1-定子铁芯，2-定子绕组，3-绕组骨架，31-分隔板，11-定位块，21-第一绕组，22-第二绕组，23-第三绕组。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
27.有限转角力矩电机转矩波动的大小直接决定了电机的性能。为降低电机的转矩波动，本发明对转矩波动产生进行了分析，通过有限元仿真确定了转矩波动降低的拐点位置，进而有针对性的将定子绕组区域分为3个不等的弧段，中间的区域采用线径较粗的漆包线，两边的区域采用线径较细的漆包线，通过绕组区域分弧段多线径不同层数的方法，降低了有限转角力矩电机的转矩波动，该种方式结构简单，操作性强。
28.本发明低转矩波动的有限转角力矩电机可采用分装式结构，包括机壳、定子和转子，机壳主要用于支撑定子，转子主要由内导磁环、磁钢构成，磁钢粘接在内导磁环上。定子包括定子铁芯1、以及通过环形密绕设置在定子铁芯1上的多个定子绕组2，定子铁芯1和内导磁环采用软磁合金，磁钢采用硬磁材料，通过定子绕组2进行励磁，在励磁电流的作用下，转子开始转动，通过切换定子绕组2的输入电压的正负，可以改变转子的转动方向。
29.如图2所示，本发明将单个定子绕组2设置为依次绕制的第一绕组21、第二绕组22
和第三绕组23，且第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23首尾连接；第一绕组21和第三绕组23的线径相同、绕制层数相同，第二绕组22的线径大于第一绕组21、第三绕组23的线径，且第二绕组22的绕制层数小于第一绕组21、第三绕组23的绕制层数。即第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23按顺序绕制在定子铁芯1的绕组区域内，中间区域的第二绕组22采用线径较粗的漆包线，两边的区域第一绕组21、第三绕组23均采用相同的线径较细的漆包线，且两边区域的绕组绕制层数大于中间区域绕组绕制层数。
30.为使得有限转角力矩电机的输出更加稳定，具体可将第二绕组22的绕制层数设为n层，n为奇数，此时，相应的第一绕组21和第三绕组23的绕制层数为n+2层。本发明将第二绕组22的绕制层数设为奇数，第一绕组21和第三绕组23的绕制层数设置为n+2层，该种设置使得绕制工艺性较好，在奇数情况下，第二绕组22引出线的头可以与第一绕组21引出线的尾直接相连，第二绕组22引出线的尾可以与第三绕组23引出线的头直接相连，不会出现跨线的情况，使得定子绕组2的绕制更加简单，且使得各绕组的连接更加可靠，进而使得电机的性能更加稳定。在本发明实施例中，第二绕组22的绕制层数为3层，第一绕组21和第三绕组23的绕制层数为5层。
31.此外，本发明可将第二绕组22的线径设置为第一绕组21和第三绕组23的线径的1.2～1.8倍，此倍数的设定，能够根据峰值堵转转矩有效调整绕组的线径，从而进一步有效降低转矩波动。
32.如图3和图4所示，为实现定子绕组2的准确、稳定的安装，可在定子铁芯1上设置多个绕组骨架3。绕组骨架3较为准确的实现了绕组区域的分段，保证了不同弧段的绕线角度。定子绕组2通过绕组骨架3设置在定子铁芯1上，此时，绕组骨架3的数量与定子绕组2的数量相同，每个绕组骨架3上设置有两个分隔板31，将电机定子铁芯1的绕线区域划分为与第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23绕制角度相对应的三个弧段。在本发明实施例中，绕组骨架3为对扣式结构，包括相扣合的两个截面为u形的弧形板，其采用绝缘材料，通过注塑工艺制成。与此同时，可在定子铁芯1上设置有多个定位块11，用于对多个定子绕组2的绕组区域进行区分。
33.在其他实施例中，如果空间限制无法采用绕组骨架3，可以考虑直接在定子铁芯1上刻标记线的方法对第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23的绕制角度进行标定，刻标记线用于将定子绕组2的绕线区域划分为与第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23的绕制角度相对应的三个弧段。
34.为进一步优化绕组骨架3的分弧段角度，可采用有限元仿真方法确定转矩波动降低的拐点位置，并以此设计对扣式绕组骨架3的分弧段角度，该种方式可更为快捷和准确的得到优化的定子绕组2骨架的分弧段角度。在本发明实施例中，第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23的绕制角度分别为可绕线区域的15％～20％、60％～70％、15％～20％。其中第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23的绕制角度的总和为可绕线区域的100％，第一绕组21和第三绕组23的绕制角度占可绕线区域的比例相等。第二绕组22的分弧段角度确定后，则第一绕组21和第三绕组23的绕制角度可以计算得出。其中，第二绕组22的分弧段角度α1与磁钢磁极角度、转子转动角度以及转矩波动降低的拐点有关。转矩波动降低的拐点又与磁路结构、励磁电流、磁性材料特性等相关，通过多次仿真分析得到，第二绕组22的绕制角度为可绕线区域的(60％～70％)范围时，转矩波动较小。
35.本发明有限转角力矩电机通过中心绕线区域漆包线采用较粗线径，较少层数，两侧绕线区域漆包线采用较细线径、较多层数的措施，有效降低了有限转角力矩电机的转矩波动。在结构限定的情况下，有限转角力矩电机的转矩m与气隙的磁场强度b、每极下绕组的有效匝数n成正比。m
∝
bn。以顺时针转到为例，当转子转出第二绕组22的弧段范围时，此时由于绕组的去磁作用，电机的气隙磁场密度b降低，电机转矩m开始下降。此时开始部分转入第一绕组21的弧段范围。在电机的气隙磁场密度b降低的情况下，只有增加绕组的有效匝数n才能抵消因气隙磁场密度b减小而引起的电机转矩的降低。因此，本发明通过绕组区域分弧段多线径不同层数的绕制方法，有效降低了有限转角力矩电机的转矩波动。
36.本发明的低转矩波动的有限转角力矩电机经过有限元仿真，同时结合科学的测试方法，其有限转角力矩电机转矩波动性能明显提高，转矩波动在5％以内。同时，本发明提供的低转矩波动原理简单，其降低转矩波动措施可以覆盖目前要研制的有限转角力矩电机。
37.图5为本发明转矩波动示意图，图中横坐标表示转子转动的角度，单位为
°
，纵坐标表示在该角度时电机能输出的转矩，单位为mnm。原状态对应现有转矩波动较大的曲线，新状态为采用本发明绕组方法后得到的转矩波动改善的曲线，由此可见，本发明绕组方式明显降低了有限转角力矩电机的转矩波动。