CN111884385A - 一种空心杯无刷直流电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心杯无刷直流电机，包括轴承、定子、转子、转子位置传感器组件，定子空心杯绕组为同心式多层绕组；绕组引线采用转接板组件进行焊接引线；多极环形磁极为P,采用HALBACH结构整体多极充磁,确保绕组耦合部分的气隙磁密波形为正弦形；电机端盖、机壳、定子、转子、轴承、霍尔定位圆心均在同轴心线；本发明提供产品结构简单、装配方便、结构紧凑、尺寸小、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、运行噪音和振动低，转矩波动小，动态响应速度高、控制运转平稳、控制精度高、可靠性高等优点的一种空心杯无刷电机。
Description
技术领域
本发明涉及无刷直流电机技术领域，更具体的说，它涉及一种运动执行机构。
背景技术
空心杯无刷电机属于直流永磁伺服微特电机，与普通无刷直流电机的主要区别在于电枢铁芯上没有齿槽，电机绕组按照特殊的绕制工艺制作成杯型的一类电机。与传统的齿槽电机相比有以下优点：1、效率高：空心杯电机的效率大多在70％以上，部分产品甚至接近90％，而相同的体积和重量下传统齿槽类电机的效率均在70％以下；2、体积小、重量轻、功率和转矩密度高：由于工作效率提高、损耗降低，空心杯电机的功率密度大幅提高，与传统齿槽类电机相比，体积重量可减小30％左右；3、控制性能好：无齿槽效应导致的转矩波动小，电机运转平稳；机电时间常数低，动态响应好，电机的电感非常低，常规电气时间常数在0.1ms以内，机电时间常数在2ms左右，电机响应迅速，控制精确，适合应用于高精密驱动系统中，例如通讯、机器人、安防、航空航天、舵控系统等领域。
随着航模、无人机、机器人、云台等产品随着应用的范围的拓展，对驱动动力电机提出了重量轻、小型化、高功率密度、高转矩密度、高效率、高动态响应、高可靠性、安全性等要求。目前空心杯无刷电机因工艺所限，多采用的1对极，六边形绕组结构以及三角形接线方法，此种结构电机的转速偏高，反电势及电机转矩系数偏低，导致无法开发大扭力密度和功率密度空心杯无刷直流电机。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供集成化、小型化、重量轻、高动态响应、高可靠性要求的一种空心杯无刷直流电机。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种空心杯无刷直流电机，包括轴承、定子、转子和转子位置传感器组件，所述的定子包括前端盖、机壳、环形定子铁芯、定子空心杯绕组、支撑环和转接板组件；所述定子空心杯绕组为同心式多层绕组，所述定子空心杯绕组的引线与转接板组件通过焊接引线连接；所述转子包括转子轴、多极环形磁环、检测磁钢护套和检测磁钢，所述多极环形磁环的磁极为P,采用HALBACH结构进行整体多极充磁,实现定子空心杯绕组耦合部分的气隙磁密波形为正弦形；所述转子位置传感器组件包括后端盖、霍尔板总成、螺钉、O型密封圈、波形弹簧。
进一步的，所述轴承、定子、转子、霍尔板总成的定位圆心在同轴心线；所述霍尔板总成中霍尔数量为3个；
所述转接板组件由机壳、支撑环分别进行径向定位和轴向定位，转接板组件与定子空心杯绕组之间预留0.5mm～1mm安装间隙；
所述定子空心杯绕组的尾部引线焊接在转接板组件上，并由转接板组件上引出三相电源线。
进一步的，后端盖和/或前端盖设置轴承室，轴承室内设置放置O型橡胶圈的安装槽；O型橡胶圈弹性支撑轴承，有效吸收电机运行过程产生的振动，减少电机运行振动和噪音；
轴承与相应的端盖之间设置波形弹簧，提供电机的轴承预紧力和消除电机轴向装配误差。
进一步的，所述机壳整体呈圆筒状；所述环形定子铁芯通过过盈及外壁涂抹胶水粘接在机壳内侧；所述空心杯定子绕组固定在环形定子铁芯内侧，空心杯定子绕组与环形定子铁芯之间设置绝缘纸隔绝；所述空心杯定子绕组由自粘性漆包线绕制，并卷圆成圆筒状结构；
在机壳、环形定子铁芯、空心杯定子绕组完成定子电枢制作，定子电枢装配到位后，将前端盖压入环形机壳，然后对定子进行整体灌封，树脂填充空心杯定子绕组之间及空心杯定子绕组与环形定子铁芯间安装缝隙；其中，所述机壳材质采用非导磁体不锈钢材质，机壳内的环形定子铁芯形成的环形冲片由至少两个以上0.1mm～0.5mm厚度的硅钢片叠压而成。
进一步的，转子轴与多极环形磁环通过耐高温高强度胶水进行粘接固定；多极环形磁环极数为P，P值介于4至12，且为2的公倍数；多极环形磁环的材质为耐高温、高性能的钕铁硼或钐钴；多极环形磁环的表磁曲线近似正弦波分布，表磁的峰值大于等于3000高斯；
转子轴由高强度导磁不锈钢加工而成；
多极环形磁环的极数与检测磁钢的极数相等，且极性一一对应；检测磁钢采用多片扇形磁钢拼接成圆环结构，扇形夹角α满足α＝360/P，检测磁钢的磁钢取向沿扇形轴向进行取向平面充磁；
转子装配完成后进行动平衡，平衡等级≤G6.3,满足转子转速大于等于10000rpm条件下平稳运行。
进一步的，转子位置传感器组件以后端盖为基准依次装入O型橡胶圈、波形弹簧、轴承，然后将霍尔板总成用螺钉进行紧固，霍尔板总成为三个霍尔传感器平贴在PCB板上，相邻霍尔之间的机械夹角为θ，θ＝240N/P，N为正整数，P为磁环的极数，θ限制角度小于等于120°；
转子位置传感器组件的霍尔板总成的底面，距离轴承室台阶距离H与轴承宽度D之间应满足H-D值介于1.5mm至3mm。
进一步的，所述后端盖、前端盖与机壳采用过渡配合，电机性能调试完成后进行焊接处理；
所述定子空心杯绕组与主磁回路耦合随着转子多极环形磁环回转运动得到正弦度高于反电势波形。
进一步的，在电机径向空间方面，将环形铁芯内径做大，在轴向空间方面将磁钢的尺寸做大，通过磁场结构，提高电机气隙磁通，减少单位反电势有效匝数，进一步减少电机电阻和损耗。
进一步的，所述电机装配完成后转子位置传感器组件上的霍尔的感应面与转子上的检测磁钢平面的最近距离为t，且t介于0.5mm至2mm。
一种空心杯无刷直流电机，所述的电机上述任意组成的一种空心杯无刷直流电机。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现产品结构紧凑、尺寸小、体积小、重量轻、效率高、损耗小、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、控制运行平稳、精度高；
2、通过优化磁场分布，优选了铁芯轭部厚度、气隙长度、磁钢厚度、转子轭厚，有效的提高了单位体积内磁通通量，从而提高了电机单位匝数的反电势和转矩系数大，进一步地降低了单位转矩系数下的电阻，降低的电机铜损耗，有效的提高了电机效率、转矩密度及功率密度。
3、通过优化气隙磁场，电机反电势正弦度高、波形畸变率低，电机运行平稳、噪音和振动低，转矩波动小，控制运转平稳、精度高。
4、采用同心式绕组绕线和布局，绕组过线无重叠部分，有效匝数下气隙短，在有限环形气隙下可实现多层绕线布局，从而提高了绕组空间利用率，单位反电势下电阻的低，电机铜损小，降低的电机铜损耗，有效的提高了电机效率、转矩密度及功率密度；
5、通过优化气隙磁场，采用HALBACH结构整体多极充磁磁环，通过合理布局磁环极数、气隙长度、定子磁轭厚度等关键参数，使得电机气隙磁密波形正弦性好，反电势正弦性好、波形畸变率低，电机反电势正弦度高、波形畸变率低，电机运行平稳、噪音和振动低，转矩波动小，控制运转平稳、精度高；
6、采用整体多极环形磁钢设计、简化了转子转配工艺，降低了生产制造难度，并将跟踪磁钢直接与端部跟踪磁钢有效的缩短电机轴向尺寸，使得电机的更为紧凑，转子刚度好。
附图说明
图1为本发明的结构剖图；
图2为本发明的定子结构剖视图；
图3为本发明的转子结构剖视图；
图4为本发明的多极环形磁环的表磁曲线图；
图5为本发明的转子位置传感器组件的结构剖视图；
图6为本发明的霍尔板总成的示意图。
图中标号：
轴承1、定子2、转子3、转子位置传感器组件4；
前端盖21、机壳22、环形定子铁芯23、定子空心杯绕组24、支撑环25、转接板组件26；转子轴31、多极环形磁环32、检测磁钢护套33、检测磁钢34；后端盖41、霍尔板总成42、螺钉43、O型密封圈44、波形弹簧45；t霍尔感应距离，D轴承厚度，H端盖轴承室台阶距离霍尔板总成的PCB板底面距离。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。应当说明的是，实施例只是对本发明的具体阐述，其目的是为了让本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，不应视为对本发明的限定。其中没有详细描述的结构均采用传统的结构进行处理衔接。
另需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在本方案中的描述，涉及到的“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平"、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
目前空心杯无刷电机因工艺所限，多采用的1对极，六边形绕组结构以及三角形接线方法，从磁路结构分析，一般此类结构电机轭部较厚，转子外径偏小，结合如下无刷直流电机公式出发：
从公式分析，在电机长度La、转速n、极弧系数αi、绕组系数kω、磁场强度A、气隙平均电机Bδ及散热条件相同情况下，电机输出功率P'正比于电枢或转子外径Da 2。目前1对极在相同的电机外围尺寸下，因定子轭部大，电机有效尺寸Da小，导致电机的整体磁通偏低，进一步地影响空心杯无刷直流电机转矩和功率输出，以及电机效率，若达到相同转矩密度输出就必须增大电机体积。因此随着功率密度、转矩密度逐、小型化等指标逐步提高，在特定的电机外径和厚度情况下，要充分磁路特性，兼顾气隙磁密和有效转子直径，提高电机有效工作磁通。本方案具体实施方式如下：
如图1所示，一种空心杯无刷直流电机，包括轴承1、定子2、转子3和转子位置传感器组件4等零部件。所述轴承1、定子2、转子3、霍尔板总成42的定位圆心在同轴心线。
如图2所示，所述的定子2包括前端盖21、机壳22、环形定子铁芯23、定子空心杯绕组24、支撑环25和转接板组件26等零部件。所述定子空心杯绕组24为同心式多层绕组，所述定子空心杯绕组24的引线与转接板组件26通过焊接引线连接。
其中转子位置传感器组件4的后端盖41和/或定子2的前端盖21设置轴承室，轴承室内设置放置O型橡胶圈44的安装槽；O型橡胶圈44弹性支撑轴承1，有效吸收电机运行过程产生的振动，减少电机运行振动和噪音。轴承1与相应的端盖之间还设置波形弹簧45，波形弹簧45提供电机的轴承1预紧力和消除电机轴向装配误差。
所述机壳22整体呈圆筒状；所述环形定子铁芯23通过过盈及外壁涂抹胶水粘接在机壳22内侧；所述空心杯定子绕组24固定在环形定子铁芯23内侧，空心杯定子绕组24与环形定子铁芯23之间设置绝缘纸隔绝；所述空心杯定子绕组24由自粘性漆包线绕制，并卷圆成圆筒状结构。所述转接板组件26由机壳22、支撑环25分别进行径向定位和轴向定位，转接板组件26与定子空心杯绕组24之间预留0.5mm～1mm安装间隙。所述定子空心杯绕组24的尾部引线焊接在转接板组件26上，并由转接板组件26上引出三相电源线。
在机壳22、环形定子铁芯23、空心杯定子绕组24完成定子电枢制作，定子电枢装配到位后，将前端盖21压入环形机壳22，然后对定子2进行整体灌封，树脂填充空心杯定子绕组24之间及空心杯定子绕组24与环形定子铁芯23间安装缝隙，提高整个定子2的强度和散热效果。其中，所述机壳22材质采用非导磁体不锈钢材质，机壳22内的环形定子铁芯23形成的环形冲片由至少两个以上0.1mm～0.5mm厚度的硅钢片叠压而成。
如图3所示，所述转子包括转子轴31、多极环形磁环32、检测磁钢护套33和检测磁钢34等零部件。如图4所示，所述多极环形磁环32的磁极为P,采用HALBACH结构进行整体多极充磁,实现定子空心杯绕组24耦合部分的气隙磁密波形为正弦形，并且可达到定子空心杯绕组24与主磁回路耦合随着转子多极环形磁环32回转运动得到正弦度高于反电势波形的效果。
转子轴31由高强度导磁不锈钢加工而成。转子轴31与多极环形磁环32通过耐高温高强度胶水进行粘接固定。多极环形磁环32极数为P，P值介于4至12，且为2的公倍数。多极环形磁环32的材质为耐高温、高性能的钕铁硼或钐钴；多极环形磁环32的表磁曲线近似正弦波分布，表磁的峰值大于等于3000高斯。多极环形磁环32的极数与检测磁钢34的极数相等，且极性一一对应；检测磁钢34采用多片扇形磁钢拼接成圆环结构，扇形夹角α满足α＝360/P，检测磁钢34的磁钢取向沿扇形轴向进行取向平面充磁。转子装配完成后进行动平衡，平衡等级≤G6.3,满足转子转速大于等于10000rpm条件下平稳运行。
如图5、6所示，所述转子位置传感器组件4包括后端盖41、霍尔板总成42、螺钉43、O型密封圈44、波形弹簧45。所述霍尔板总成42中霍尔数量为3个。
转子位置传感器组件4以后端盖41为基准依次装入O型橡胶圈44、波形弹簧45、轴承1，然后将霍尔板总成42用螺钉43进行紧固，霍尔板总成42为三个霍尔传感器平贴在PCB板上，相邻霍尔之间的机械夹角为θ，θ＝240N/P，N为正整数，P为磁环的极数，θ限制角度小于等于120°。转子位置传感器组件4的霍尔板总成42的底面，距离轴承室台阶距离H与轴承宽度D之间应满足H-D值介于1.5mm至3mm。
作为优选，所述后端盖41、前端盖21与机壳22采用过渡配合，按空心杯无刷直流电机功能和性能要求进行电机全面性能测试，待各项指标均满足设计要求后，进行电机端盖与机壳的焊接、即可完成一种空心杯无刷直流电机制作。其中，所述电机装配完成后转子位置传感器组件4上的霍尔的感应面与转子3上的检测磁钢34平面的最近距离为t，且t介于0.5mm至2mm。在电机径向空间方面，在保证强度情况下，可充分将环形定子铁芯23内径做大。在轴向空间方面布局，考虑零件结构特点下，充分利用两轴承间距范围内的尺寸，尽量将磁钢的尺寸做大。通过上述布局然后优化磁场结构，提高电机气隙磁通，减少单位反电势有效匝数，进一步地减少电机电阻和损耗，有利于提高电机的效率、转矩和功率密度。
综上，本方案通过优化电机磁场，尽可能的提高单位体积下的气隙磁通，并采用HALBACH结构进行磁环的取向和充磁，使得电机气隙磁场趋近正弦化，电机运行谐波含量低，绕组反电势呈现正弦形。可以有效的降低电机损耗，提高电机效率、转矩密度、功率密度等，提高了电机控制和运行的平稳性，减少了转矩脉动、减少了电机振动和噪音。绕组薄弱部分采用环氧树脂灌封，提高了绕组的结构强度、防水特性、绝缘强度及散热特性，提高了电机工作寿命、可靠性及在同等体积下电机功率密度提高。实现空心杯无刷直流电机的结构简化、装配方便、结构紧凑、尺寸小、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、运行噪音和振动低，转矩波动小，动态响应速度高、控制运转平稳、控制精度高、可靠性高等优点。
以上结合附图详细描述了本方案的优选实施方式,但是,本方案并不限于此。在本方案的技术构思范围内,可以对本方案的技术方案进行多种简单变型,包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本方案对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本方案所公开的内容,均属于本方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种空心杯无刷直流电机，包括轴承(1)、定子(2)、转子(3)和转子位置传感器组件(4)，其特征在于：所述的定子(2)包括前端盖(21)、机壳(22)、环形定子铁芯(23)、定子空心杯绕组(24)、支撑环(25)和转接板组件(26)；所述定子空心杯绕组(24)为同心式多层绕组，所述定子空心杯绕组(24)的引线与转接板组件(26)通过焊接引线连接；所述转子包括转子轴(31)、多极环形磁环(32)、检测磁钢护套(33)和检测磁钢(34)，所述多极环形磁环(32)的磁极为P,采用HALBACH结构进行整体多极充磁,实现定子空心杯绕组(24)耦合部分的气隙磁密波形为正弦形；所述转子位置传感器组件(4)包括后端盖(41)、霍尔板总成(42)、螺钉(43)、O型密封圈(44)、波形弹簧(45)。
2.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：所述轴承(1)、定子(2)、转子(3)、霍尔板总成(42)的定位圆心在同轴心线；所述霍尔板总成(42)中霍尔数量为3个；
所述转接板组件(26)由机壳(22)、支撑环(25)分别进行径向定位和轴向定位，转接板组件(26)与定子空心杯绕组(24)之间预留0.5mm～1mm安装间隙；
所述定子空心杯绕组(24)的尾部引线焊接在转接板组件(26)上，并由转接板组件(26)上引出三相电源线。
3.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：后端盖(41)和/或前端盖(21)设置轴承室，轴承室内设置放置O型橡胶圈(44)的安装槽；O型橡胶圈(44)弹性支撑轴承(1)，有效吸收电机运行过程产生的振动，减少电机运行振动和噪音；
轴承(1)与相应的端盖之间设置波形弹簧，提供电机的轴承(1)预紧力和消除电机轴向装配误差。
4.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：所述机壳(22)整体呈圆筒状；所述环形定子铁芯(23)通过过盈及外壁涂抹胶水粘接在机壳(22)内侧；所述空心杯定子绕组(24)固定在环形定子铁芯(23)内侧，空心杯定子绕组(24)与环形定子铁芯(23)之间设置绝缘纸隔绝；所述空心杯定子绕组(24)由自粘性漆包线绕制，并卷圆成圆筒状结构；
在机壳(22)、环形定子铁芯(23)、空心杯定子绕组(24)完成定子电枢制作，定子电枢装配到位后，将前端盖(21)压入环形机壳(22)，然后对定子(2)进行整体灌封，树脂填充空心杯定子绕组(24)之间及空心杯定子绕组(24)与环形定子铁芯(23)间安装缝隙；其中，所述机壳(22)材质采用非导磁体不锈钢材质，机壳(22)内的环形定子铁芯(23)形成的环形冲片由至少两个以上0.1mm～0.5mm厚度的硅钢片叠压而成。
5.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：转子轴(31)与多极环形磁环(32)通过耐高温高强度胶水进行粘接固定；多极环形磁环(32)极数为P，P值介于4至12，且为2的公倍数；多极环形磁环(32)的材质为耐高温、高性能的钕铁硼或钐钴；多极环形磁环(32)的表磁曲线近似正弦波分布，表磁的峰值大于等于3000高斯；
转子轴(31)由高强度导磁不锈钢加工而成；
多极环形磁环(32)的极数与检测磁钢(34)的极数相等，且极性一一对应；检测磁钢(34)采用多片扇形磁钢拼接成圆环结构，扇形夹角α满足α＝360/P，检测磁钢(34)的磁钢取向沿扇形轴向进行取向平面充磁；
转子装配完成后进行动平衡，平衡等级≤G6.3,满足转子转速大于等于10000rpm条件下平稳运行。
6.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：转子位置传感器组件(4)以后端盖(41)为基准依次装入O型橡胶圈(44)、波形弹簧(45)、轴承(1)，然后将霍尔板总成(42)用螺钉(43)进行紧固，霍尔板总成(42)为三个霍尔传感器平贴在PCB板上，相邻霍尔之间的机械夹角为θ，θ＝240N/P，N为正整数，P为磁环的极数，θ限制角度小于等于120°；
转子位置传感器组件(4)的霍尔板总成(42)的底面，距离轴承室台阶距离H与轴承宽度D之间应满足H-D值介于1.5mm至3mm。
7.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：所述后端盖(41)、前端盖(21)与机壳(22)采用过渡配合，电机性能调试完成后进行焊接处理；
所述定子空心杯绕组(24)与主磁回路耦合随着转子多极环形磁环(32)回转运动得到正弦度高于反电势波形。
8.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：在电机径向空间方面，将环形铁芯内径做大，在轴向空间方面将磁钢的尺寸做大，通过磁场结构，提高电机气隙磁通，减少单位反电势有效匝数，进一步减少电机电阻和损耗。
9.根据权利要求1所述的一种空心杯无刷直流电机，其特征在于：所述电机装配完成后转子位置传感器组件(4)上的霍尔的感应面与转子(3)上的检测磁钢(34)平面的最近距离为t，且t介于0.5mm至2mm。
10.一种空心杯无刷直流电机，其特征在于，所述的电机根据权利要求1～9项任意组成的一种空心杯无刷直流电机。
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