一种可调齿槽转矩外转子磁场调制永磁电机

1.本发明涉及新型电机制造和磁场调制技术领域，具体涉及一种可调齿槽转矩外转子磁场调制永磁电机。


背景技术：

2.随着伺服电机系统的不断发展，工业产品朝着智能化、集成化、系统化方向发展。在一些像机械臂关节电机等伺服电机系统的应用场合下，要求电机能够在断电时主动制动，保持在断电时刻的位置。而在当前电动机制动方式主要依靠机械制动，但加入机械制动结构会增加电机系统的体积和生产成本。因此，为了进一步提升电机的转矩密度和简化电机的机械调整方式，本发明在综合考虑工程加工和理论设计的基础上，设计了一种可调齿槽转矩外转子磁场调制永磁电机，使得电机能够在正常工作态下平稳运行，也可以在断电制动态下迅速制动刹车。


技术实现要素：

3.技术问题：本发明的目的是提供一种可调齿槽转矩外转子磁场调制永磁电机，进一步提升磁场调制型电机的转矩密度和简化电机的机械调整方式。转矩密度得到提升的同时，转矩脉动明显降低，保证了电机运转时的平稳和低振动。其不同角度之间的齿槽转矩幅值最大值与最小值之比可达2200%以上，具有可调范围的广域特性。
4.技术方案： 本发明的一种可调齿槽转矩外转子磁场调制永磁电机包括外转子、定子调制齿、内定子和电机转轴；其中，电机转轴的外周固定有内定子，内定子的外周固定有定子调制齿组成电机定子，定子调制齿包含固定调制齿及机械可控调制齿两个部分，亦不设置任何绕组，只在该电机的内定子处设置绕组；外转子位于电机定子的外周。
5.所述外转子包括外转子轭部和永磁极，永磁极固定在外转子轭部内，外转子轭部内的永磁极有多个，分别沿外转子轭部内侧间隔排列。
6.所述永磁极之间间隔等距，沿径向充磁，且相邻永磁极的充磁方向相反。
7.所述定子调制齿包括设置在同一外层圆周上的固定调制齿、非导磁材料、机械可控调制齿和调制槽；其中，固定调制齿通过非导磁材料固定，不发生任何的移动；机械可控调制齿位于调制槽中不固定。
8.所述调制槽有多个，该多个调制槽分别均匀分布在所述的外层圆周中，机械可控调制齿位于调制槽中可移动，通过机械手段实现机械可控调制齿在调制槽中移动。
9.所述调制槽有三个，该三个调制槽分别均匀分布在所述的外层圆周中。
10.所述机械可控调制齿移动方向既能是顺时针也能是逆时针，移动范围为机械可控调制齿相邻的两个固定调制齿之间的齿距。
11.所述机械可控调制齿的形状为长条形，材料为纯铁芯极。
12.所述内定子包括位于内定子最内层的内定子轭部、固定在内定子轭部外侧的内定子齿，位于内定子齿上的内定子电枢绕组，内定子齿与内定子轭部一体成型，内定子电枢绕
组环绕在内定子齿上。
13.所述永磁电机存在两个工作状态即正常工作态和可调齿槽转矩态；当电机正常工作时，机械可控调制齿不动作，处在初始位置，齿槽转矩保持低幅值，电机的电磁转矩高且转矩脉动低，电机平稳运行，处于正常工作态；当电机断电时，将机械可控调制齿在调制槽中旋转到能够产生比原没有旋转时大的齿槽转矩的位置，该大的齿槽转矩会产生损耗制动，使得电机停止，且在电机停转时，不需要额外的电能供应则维持电机当前状态，电机处于可调齿槽转矩态，具备高效性和节能性。
14.有益效果：本发明所带来的好处，所达到的指标。
15.1.电机整体结构简单，采用了转子永磁型结构，使得电机转矩密度相较于定子永磁型结构有较大提升。
16.2.电机的机械调整方式简单，仅通过调整三个机械可控调制齿即可实现齿槽转矩幅值的广域调节。
17.3.电机在正常工作态下空载运行，具有较好的反电势正弦度，同时电机的齿槽转矩较小，控制系统无需设计特殊算法对齿槽转矩进行抑制，进而提升了系统效率，有助于系统长时间稳定运行。
18.4.电机的电磁转矩高且几乎没有磁阻转矩，转矩密度得到提升的同时，转矩脉动明显降低，保证了电机运转时的平稳和低振动。
19.5.随着机械可控调制齿旋转角度的变化，电机的齿槽转矩幅值会发生明显的变化，其不同角度之间的齿槽转矩幅值最大值与最小值之比可达2200%以上，具有可调范围的广域特性。
附图说明
20.图1为本发明的电机横截面结构图，此时电机处于正常工作态，定子调制齿不动作。
21.图2为本发明的电机横截面结构图，此时电机处于可调齿槽转矩态，机械可控调制齿逆时针旋转了一定角度。
22.图3为本发明电机处于正常工作态下的电磁转矩图。
23.图4为本发明电机处于可调齿槽转矩态下的齿槽转矩图。
24.图中有：外转子1、外转子轭部1.1、永磁极1.2、定子调制齿2、固定调制齿2.1、非导磁材料2.2、机械可控调制齿2.3、调制槽2.4、内定子3、内定子轭部3.1、内定子齿3.2、内定子电枢绕组3.3、电机转轴4。
具体实施方式
25.下面结合附图，对本发明做进一步说明。
26.实施例1：参见图1和图2，一种可调齿槽转矩外转子磁场调制永磁电机，包括外转子1、定子调制齿2、内定子3和电机转轴4，外转子1设置在定子调制齿2外部，定子调制齿2设置在内定子3外部，内定子3设置在电机转轴4外部。所述外转子1包括外转子轭部1.1和永磁极1.2，永磁极1.2固定在外转子轭部1.1，永磁极1.2沿径向充磁，且相邻永磁极1.2的充磁方向相反，
相邻永磁极1.2间隔等距。所述定子调制齿2包括固定调制齿2.1、非导磁材料2.2、机械可控调制齿2.3和调制槽2.4，固定调制齿2.1通过非导磁材料2.2将其固定，不发生任何的移动；机械可控调制齿2.3则不完全固定，通过机械手段可以实现机械可控调制齿2.3在调制槽2.4中进行旋转，旋转方向既可以是顺时针也可以是逆时针，旋转范围为机械可控调制齿上下相邻的两个固定调制齿之间的齿距。所述内定子3包括内定子轭部3.1、内定子齿3.2和内定子电枢绕组3.3，内定子齿3.2与内定子轭部3.1一体成型，内定子电枢绕组3.3环绕在内定子齿3.2上。所述电机的外转子只包含外转子轭部和永磁极，不设置任何绕组；定子调制齿包含两个部分：固定调制齿及机械可控调制齿，亦不设置任何绕组；只在该电机的内定子处设置绕组。
27.与此同时，所述电机存在两个工作状态：正常工作态（状态一）和断电可调齿槽转矩态（状态二）。当电机正常工作时，机械可控调制齿不动作，处在初始位置，齿槽转矩保持低幅值，电机的电磁转矩高且转矩脉动低，电机平稳运行，处于正常工作态（状态一）；当电机断电时，将机械可控调制齿旋转到大齿槽转矩位置，电机齿槽转矩产生损耗制动，使得电机停止，且在电机停转时，不需要额外的电能供应则可以维持电机当前状态，具备高效性和节能性。（状态二）。
28.参见图3为本发明电机处于正常工作态下的电磁转矩图，显示电机的电磁转矩与转子电角度的关系曲线；转子电角度的变化对电机的电磁转矩影响较小。
29.参见图4为本发明电机处于可调齿槽转矩态下的齿槽转矩图，显示电机的齿槽转矩与机械调整角度之间的对应关系；随着机械调整角度的增加，电机的齿槽转矩会逐渐增大，但增大到一定程度后会逐渐减小。
30.本发明的电机的整体结构简单，采用了转子永磁型结构，使得电机转矩密度相较于定子永磁型结构有较大提升。
31.本发明的电机的机械调整方式简单，仅通过调整三个可控调制齿即可实现齿槽转矩幅值的广域调节。
32.本发明的电机在正常工作态下空载运行，具有较好的反电势正弦度，同时电机的齿槽转矩较小，控制系统无需设计特殊算法对齿槽转矩进行抑制，进而提升了系统效率，有助于系统长时间稳定运行。电机的机械转矩高且几乎没有磁阻转矩，转矩密度得到提升的同时，转矩脉动明显降低，保证了电机运转时的平稳和低振动。
33.随着机械可控调制齿旋转角度的变化，本发明的电机齿槽转矩幅值会发生明显的变化，其不同角度之间的齿槽转矩幅值最大值与最小值之比可达2200%以上，具有可调范围的广域特性。
34.需要说明的是上述仅为本发明的，应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，因此，在上述技术方案的基础上所进行的各种等同形式的修改均落入本技术所附权利要求所限定的范围内。