CN109478806B - 旋转致动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于使用定子的高旋转速度应用的致动器，所述定子利用叠层特征以减少所述定子中的涡流损耗。该构造允许高极数，同时提供了叠层构造的效率和高速有益效果。叠层构造对于高极数轻型马达非常具有挑战性，但所述设备的实施方案提供了结构强度和刚度，以及诸如低制造成本、高散热、集成冷却通道和轻重量构造等其他有益效果。许多这些有益效果是由于使用非磁性、热传导材料，诸如阳极氧化铝的叠层夹层作为所述定子的结构构件。

Description

旋转致动器

技术领域

本发明涉及致动器。

背景技术

高极数马达具有诸如高扭矩和轻重量的潜力等诸多优势。WIPO公布的专利申请WO2017024409A1显示，固体定子可在速度相对较低的情况下，诸如当在机器人中使用时，在最小化涡流方面提供足够的性能。对于高速应用，优选使用叠层来减少涡流损耗。挑战在于，高极数轴向马达具有非常薄的外形(如果要利用扭矩重量比的潜力)，因此很难搭建叠层。例如，如果使用单转子和单定子构造，则将定子和转子通过气隙拉到一起的力预期会剪切将叠层结构保持在一起的胶合线，以便保持气隙。

发明内容

旋转致动器以多种方式解决了该问题，这些方式包括使用双转子配置，其中定子定位在两个转子之间。该配置的优点在于，定子上的磁力始终在每个柱的两个轴向方向上适度地相等。这减小了每个柱上的载荷，并且减小了定子组件中每个胶合线上的应力。每个柱上的切向力在全功率下可也非常高，但这些力在每个柱上也是均衡的，使得胶合线在任何时候不会受到很大的应力。

因此，在一个实施方案中，公开了一种电机，包括：定子，所述定子设置在转子之间，所述转子安装在轴承上以相对于所述定子绕电机的轴线旋转，所述转子通过相应的气隙与所述定子分离；定子由结构构件形成，每个结构构件由叠层形成，每个叠层具有轴向延伸的最小尺寸；每个结构构件具有槽，以及固定在所述槽内的磁柱，以便通过结构构件支撑所述磁柱；以及一个或多个电导体，所述一个或多个电导体围绕柱设置，用于产牛一系列换向电磁极。

附图说明

现在将参考附图，以示例的方式描述旋转致动器的实施方案，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是高速致动器的实施方案的截面视图，其示出了具有磁体的转子、推力轴承、四点接触轴承、具有叠层柱的定子、定子的叠层结构构件、固体结构构件和导体。

图2是示例性实施方案的视图，该示例性实施方案具有安装在叠层结构构件之间的叠层柱。

图3是定子的叠层结构构件的视图，其示出了叠层的优选堆叠放置。其中径向切口从定子柱槽的径向向内或向外，并且对于每个相邻层交替。

图4为示出了将叠层定子柱安装到定子的叠层结构构件中的视图，其中不存在固体结构构件。

图5为示出了将叠层定子柱安装到定子的叠层结构构件中的视图，其中存在具有安装特征的固体结构构件。

图6示出了涡流路径如何被径向切口断开；其中径向切口从定子柱槽的径向向内和向外在叠层结构构件的叠层中制成。

图7为定子和转子的截面视图，示出了磁体在转子中的取向以及横跨叠层定子柱的通量路径。

图8为具有2个叠层结构件和叠层定子柱的最终叠层组件的视图。

图9为移除了一些柱和线圈的定子的剖面视图。

具体实施方式

公开了一种旋转致动器，该旋转致动器使用双转子配置，其中定子定位在两个转子之间。该配置的优点在于，定子上的磁力始终在每个柱的两个轴向方向上适度地相等。这减小了每个柱上的载荷，并且减小了定子组件中每个胶合线上的应力。每个柱上的切向力在全功率下可也非常高，但这些力在每个柱上也是均衡的，使得胶合线在任何时候不会受到很大的应力。

在这种具有高结构强度和刚度，以及高热传导性的配置中，希望使用“护铁”，这种配置实际上不像常规单定子一样，成为通量路径的一部分。就高强度与重量比以及高热传导性而言，铝会是一个极好的选择，但是铝还具有高电导率，因此会产生高涡流，尤其是在高的操作速度下。

为了利用铝结构和热的有益效果，用于护铁，公开了一种旋转致动器，其使用两个或多个铝盘的堆叠，铝盘中具有容纳柱的槽，以及诸如从槽中径向向外或向内的附加槽，以消除围绕每个柱的导电路径。单块铝可与径向槽一起使用，以防止涡流，但是本发明人相信，具有从径向向内到径向向外层层交替的涡流槽的叠层铝结构为给定的厚度提供更强且更硬的结构。这是因为在一个层上的涡流槽与下一个铝层上的非开槽的材料环对齐，使得没有两个相邻层具有对齐的涡流槽。

铝可被涂覆在护铁叠层中，但是叠层优选地诸如用硬阳极氧化抛光处理被阳极氧化。阳极氧化基本上是提供高介电强度和适度良好的热传导性的陶瓷涂层。

电动马达/致动器可包括定子，定子利用用于电磁柱的铁磁性材料叠层来减少涡流损耗。并且，优选在定子结构中使用高热传导材料以从设备中排出热量。转子可由根据需要执行的铁质材料制成。

参考标识＃ 描述

20 定子线圈

22 定子柱叠层

24 定子非铁结构叠层

26 定子构架

28 外转子外壳

30 转子磁体

32 推力轴承

34 滚珠轴承

36 定子柱叠层组件

38 “M”非铁定子结构叠层

40 “W”非铁定子结构叠层

42 不连续涡流环状路径

44 内部定子冷却室

46 径向切口

48 定子柱和结构叠层

50 转子侧1

52 转子侧2

54 转子极

56 结构叠层组件

58 气隙

60 槽

62 定子构架上的脊

64 定子结构构件内部的通道

66 结构构件之间以及柱之间的室

如图1所示，电机包括定子，其中构架26和结构叠层组件56设置在转子50和52之间，转子50、52安装在轴承32、34上，以相对于定子绕电机的轴线旋转。轴线的近似位置在图4中被识别为A。转子50、52通过相应的气隙58与定子分离。如图2所示，定子结构叠层组件56可包括结构构件24，每个结构构件形成如图2所示的环形叠层38、40，每个叠层38、40具有轴向延伸的最小尺寸。每个结构构件24和相应的叠层具有开口或槽60，以及(如图4所示)固定在槽60内的磁柱36，以便通过结构构件24支撑磁柱。槽60可具有径向延伸的最长尺寸，周向延伸的中间尺寸和轴向延伸的深度。如图2所示，一个或多个电导体20，所述一个或多个电导体围绕柱36设置，用于产生一系列换向电磁极。可能存在M个极和N个柱，并且N和M的最大公因子为三个或更多个。

如图5所示，构架26包括外部构架68和内部构架70，其中结构构件24被固定于脊62的任一侧上，所述脊分别在外部构架的内侧和内部构架的外侧延伸。结构构件24可以通过任何合适的方式，诸如胶合，固定到脊62。

转子50、52为彼此的镜像，并且例如用螺栓或螺钉(未示出)在其外部周边彼此固定。如图1所示，转子50、52在定子的内侧安装在径向轴承34上并且在定子的外侧安装在推力或轴向轴承32上以相对于定子旋转。轴承座圈形成在定子的构架26上和转子50、52里。定子构架26可通过任何合适的方式固定到构架26的内部周面处的固定结构。然后，转子50、52的外周面28用作输出。可通过通道(未示出)，通过构架26的内部部分向绕组20提供功率。如图2所示，结构构件24之间的定子柱22的径向长度可小于定子构架26的脊62之间的距离，以在定子周围形成通道64，所述通道可用于冷却流体的流动。在定子构架26的内部部分中的通道(未示出)可用于冷却流体流进和流出通道64。

示例性实施方案可使用铁合金用于定子柱叠层以及铝合金用于结构叠层。该电机的定子由结构叠层24形成，该结构叠层具有其中固定柱22的槽。结构叠层24在轴向方向上具有最薄的尺寸，并且在径向方向为环形。

如图3所示，结构叠层24优选具有从柱槽向材料的边缘制成的径向切口46，以便移除围绕定子柱的涡流环状路径42，如图6所示。槽可也在柱之间，诸如周向上在每个第二柱之间。优选的实施方案中，每层具有相对的径向切口，如图3所示，这些径向切口可被称为“M”38和“W”40叠层。这是为了去除结构叠层的所有层上的涡流环状路径42，同时借助每个槽的一侧或两侧在另一层上的重叠部分，仍能在铝层中保持足够的强度和刚度。在图2所示的一个实施方案中，示出了每个叠层组件24具有但不限于五层，层的数量由设计范围而定。然后，这产生了较厚组件，该组件具有强度要求并且借助每层上的间断涡流路径，以及每层之间的电绝缘，诸如阳极氧化表面将减少来自涡流的损耗。

定子柱叠层36优选垂直于结构叠层24安装，然后在两个结构叠层之间安装以产生定子，可从图4中看出，其中一个实施方案通过在内部和外部径向位置处的突片机械固定在结构叠层之间。该组件可优选具有干扰并且被挤压在一起，以产生如图8所示的固体组件48。然后，可优选的是，在封装化合物中涂覆该子组件，以便添加另一种材料，有助于热从定子柱到达结构叠层。磁柱可具有放大的中心部分，放大的中心部分限定形成突片的相应肩部，并且相应肩部接合结构构件，以抵制磁柱在结构构件内的轴向移动。柱和结构构件一起限定室66。

在该优选的配置中，柱叠层36用于两个定子柱，并且用作单个磁偶极子。这要求转子在侧面52上具有磁体30以形成相对于侧面50旋转一个间距的极54。因此，北极在转子的另一侧上南极对面，如图7中所见，使得轴向相对的磁体具有相反的极性。

室66和通道64一起产生两个结构叠层之间的室44，如图2和图9所见，所述室可贯穿于定子构架和转子之间的不由结构构件24或柱占据的整个空间中。该室可填充有流体或气体以从定子和定子线圈中移除热量。这是优选的，因为流体或气体将与定子柱和结构叠层构件的中心直接接触，这将允许有效的热传递。这可以是优选的，因为这允许设备在较高的电流下运行，同时保持稳定、期望的温度。由于入口和出口(未示出，但可以在内部构架中)之间的压力差，该室中的流体或气体优选流动穿过该室。流体或气体可也保持静态，或者如果优选空气冷却，则环境空气可也通过自然对流而流动。

为了制造该设备，当组装柱和铝盘时，在两个叠层结构构件之间***隔板可能是必要的或有帮助的。然后在添加线圈和封装定子之后，该隔板防止封装化合物在叠层铝盘之间填充空间。该隔板优选地由可溶解材料或可熔性材料制成，诸如蜡，其可在封装完成之后通过溶解或熔融来移除。

为了将叠层定子组件附接到另一个实体，可能需要在组装过程期间，在叠层之间***固体构件。这在图5中示出，其中在结构叠层之间***示例性构件。该示例性构件允许使用ID和OD上的轴承，以及定子构架26的ID凸缘72上的螺栓孔图案。

可在两个结构构件之间使用具有较短柱的单组线圈，而不是所示的仅从结构构件突出的线圈20。这将不会有冷却的有益效果，而是个较低轮廓组件。

在定子每一侧上设有转子，定子极上存在平衡的轴向力，这是由转子极在每个柱的两个轴端上作用相等的力导致的。这趋于消除定子柱叠层上的剪切力，这降低了叠层之间的胶合层上的应变。即使胶失效，两个铝分层盘(具有铝分层盘之间的柱的较宽部分)之间的定子柱叠层的机械固定抵制了叠层的移动。该设计减少了由于每层中交替ID-OD槽而导致的结构构件的叠层中的涡流。每个连续层从ID到OD的交替在相邻层上的每个涡流预防槽的至少一侧上提供了非间断表面。

结构构件使用铝的结果是，重量结构更轻，散热特性更优异。在组装之前，阳极氧化这些层在层之间提供具有最小热绝缘的电绝缘。铝分层盘之间的空间可也用于内部流体冷却。

Claims (17)

1.一种电机，包括：

定子，所述定子设置在转子之间，所述转子安装在轴承上以相对于所述定子绕所述电机的轴线旋转，所述转子通过相应的径向延伸的气隙与所述定子分离；

所述定子包括结构构件，每个结构构件由叠层形成，每个叠层具有轴向延伸的最小尺寸；

每个结构构件具有柱槽以及磁柱，该磁柱固定在所述柱槽内，以便通过所述结构构件支撑所述磁柱，其中每个叠层包括径向切口，所述径向切口用作闭合所述磁柱周围的电流回路的屏障，其中，在相应叠层中的所述径向切口由至所述叠层的相邻边缘的柱槽形成，并且其中，所述径向切口在所述柱槽的相对侧之间在相邻叠层上交替；并且

一个或多个电导体，所述一个或多个电导体围绕所述磁柱设置，用于产生一系列换向电磁极。

2.根据权利要求1所述的电机，其中存在M个极和N个磁柱，并且N和M的最大公因子为3或更大。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其中每个磁柱包括具有电绝缘叠层或粉末的涡流减少特征。

4.根据权利要求1所述的电机，其中所述磁柱包括叠层铁质材料。

5.根据权利要求1所述的电机，其中所述磁柱包括电绝缘粉末材料。

6.根据权利要求1所述的电机，还包括安装所述结构构件的定子构架。

7.根据权利要求6所述的电机，其中所述结构构件由定子构架上的脊隔开。

8.根据权利要求6所述的电机，其中所述定子构架包括内部部分和外部部分。

9.根据权利要求8所述的电机，其中所述轴承包括位于所述转子和所述定子构架的内部部分之间的径向轴承以及位于所述转子和所述定子构架的外部部分之间的轴向推力轴承。

10.根据权利要求7所述的电机，其中所述结构构件形成所述结构构件以及所述磁柱之间的室，并且通道围绕所述构架的内部部分延伸，所述室和所述通道组合以形成所述定子内部的冷却室。

11.根据权利要求1所述的电机，其中所述径向切口包括盲槽。

12.根据权利要求1所述的电机，其中所述磁柱是叠层的。

13.根据权利要求12所述的电机，其中所述磁柱包括磁性材料。

14.根据权利要求1所述的电机，其中叠层的磁柱在所述结构构件的两侧上轴向向外延伸并且穿过所述结构构件中的每一个，每个磁柱形成磁偶极子，并且所述转子的轴向相对的磁体具有相反的极性。

15.根据权利要求1所述的电机，其中所述结构构件包括非磁性材料。

16.根据权利要求15所述的电机，其中所述结构构件的所述叠层包括阳极氧化铝。

17.根据权利要求1所述的电机，其中所述磁柱具有放大的中心部分，所述放大的中心部分限定相应肩部，并且所述相应肩部接合所述结构构件，以阻挡所述磁柱在所述结构构件内的轴向移动。

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