CN115102352A - 一种微特有限转角力矩电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微特有限转角力矩电机，用以解决现有电机力矩密度低、转矩波动大的技术问题。本发明所述电机包括定子和转子，转子同轴贯穿于定子内部；所述定子包括铁芯和绕组，所述铁芯包括铁芯本体和齿极，沿所述铁芯本体的径向，所述齿极与所述铁芯本体的内圆均匀固定连接，相邻两个所述齿极之间构成定子槽，所述绕组缠绕于所述齿极上；所述绕组按一定规律分布于所述定子槽内；所述转子包括磁极和转轴，所述磁极与所述转轴固定连接，且所述磁极的数量与所述定子槽的数量相等。本发明的微特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的输出力矩，且输出力矩特性优异，转子惯量小，满足高精度电机要求。

Description

一种微特有限转角力矩电机

技术领域

本发明涉及微特电机领域，具体涉及一种有限转角力矩电机。

背景技术

随着永磁材料及电力电子驱动器件的发展，永磁式有限转角力矩电机逐步成为人们研究的热点，特别是在航空航天这类对电机的尺寸、重量及可靠性等要求极其严格的领域，永磁式有限转角力矩电机的地位更为突出。

现今，国内外的有限转角力矩电机产品主要分为无齿槽式有限转角力矩电机和齿槽式有限转角力矩电机，其中无齿槽式有限转角力矩电机占大多数，其在位置跟随***中的应用十分广泛。与齿槽式结构相比，无齿槽式有限转角力矩电机的等效气隙较大、磁负荷相对较低且不存在齿槽效应，从而可以得到优良的力矩特性，具有相对较大的运行区间；但同时也存在力矩密度低的致命缺陷，使得该类电机很难应用于对体积和重量有严格要求的场合。齿槽式有限转角力矩电机则具有更高力矩密度，但是同时也存在磁路饱和所引起的力矩特性为非线性，及齿槽效应所引起的运行范围内转矩波动大造成电机工作不稳定等问题。

发明内容

本发明为解决现有有限转角力矩电机力矩密度低、转矩波动大的技术问题，提供了一种微特有限转角力矩电机。

一种微特有限转角力矩电机，其特殊之处在于，所述电机包括定子和转子，所述转子同轴贯穿于所述定子内部；所述定子包括铁芯和绕组；所述铁芯包括铁芯本体和齿极，所述齿极沿所述铁芯本体的径向与所述铁芯本体的内圆均匀固定连接；所述绕组缠绕于所述齿极上；相邻两个所述齿极之间构成定子槽，其中，所述绕组按一定规律分布于所述定子槽内；所述转子包括磁极和转轴，所述磁极与所述转轴固定连接，且所述磁极的数量与所述定子槽的数量相等。

进一步地，所述电机为2极2槽结构的集中绕组有限转角力矩电机。

进一步地，所述电机还包括机壳、第一端盖和第二端盖；所述定子与所述机壳同轴固定连接；所述转子一端与所述第一端盖连接，另一端与所述第二端盖连接；所述第一端盖和所述第二端盖分别与所述机壳的两端固定连接；所述转子的一端设置有定位环，所述定位环与所述转子同轴套装，所述定位环与所述第一端盖卡接。

进一步地，所述转子还包括第一端环和第二端环；所述第一端环与所述磁极的一端固定连接，所述第二端环与所述磁极的另一端固定连接；所述定位环与所述第一端环活动连接。

进一步地，所述定位环上设有定位凸块，所述第一端盖设置有定位台，所述定位台上设有定位槽；所述定位凸块与所述定位槽卡接。

进一步地，所述机壳上设置有第一定位孔，所述第一端盖上还设置有第二定位孔；所述第一定位孔和所述第二定位孔同轴且远离转子的中心轴线。

进一步地，所述铁芯本体内侧沿轴向设有两个相互对称的限位台，所述限位台与所述齿极的中心线垂直。

进一步地，所述限位台上设置有第一工艺槽，所述第一工艺槽用于定位所述限位台与所述铁芯本体的连接。

进一步地，所述齿极远离所述铁芯本体的一端沿轴向设置有第二工艺槽，所述第二工艺槽用于定位所述齿极与所述铁芯本体的连接。

进一步地，所述齿极为尖角齿尖。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的微特有限转角力矩电机，不需要斜槽来额外减少齿槽，降低转矩波动的影响，提高了槽满率和电机的电负荷；同时，本发明的微特有限转角力矩电机的输出力矩远高于传统有限转角力矩电机，且输出力矩特性优异，转子惯量小，满足高精度电机要求。

附图说明

图1为本发明一种微特有限转角电机实施例的结构示意图；

图2为本发明一种微特有限转角电机实施例的绕组线圈连接示意图；

图3为本发明一种微特有限转角电机实施例的定子结构示意图；

图4为图3中A方向的结构示意图；

图5为本发明一种微特有限转角电机实施例的第二端盖结构示意图；

图6为图5中B方向的结构示意图；

图7为本发明一种微特有限转角电机实施例的转子结构示意图；

图8为图7中C方向的结构示意图；

图9为图7中D-D方向的结构剖视图；

图10为本发明一种微特有限转角电机实施例的第一端盖结构示意图；

图11为图10中E方向的结构示意图；

图12为本发明一种微特有限转角电机实施例的机壳结构示意图；

图13为本发明一种微特有限转角电机实施例的铁芯本体的结构示意图；

图14为图13中F方向的结构示意图；

图15为本发明一种微特有限转角电机实施例的齿极结构示意图。

附图标记如下：

1-电机，2-定子，21-铁芯，22-绕组，24-齿极，241-第二工艺槽，25-铁芯本体，251-限位台，2511-第一工艺槽,3-转子，31-转轴，32-磁极，33-定位环，331-定位凸块，34-第一端环，35-第二端环，4-机壳，41-第一定位孔，5-第一端盖，51-定位台，511-定位槽，52-第二定位孔，6-第二端盖，61-出线孔。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种微特有限转角力矩电机作进一步详细说明，附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实施例的目的，需要说明的是，本发明中所用的术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图15所示，本发明一种微特有限转角力矩电机1包括：定子2和转子3，转子3同轴贯穿于定子2内部；定子2包括铁芯21和绕组22；铁芯21包括铁芯本体25和齿极24，齿极24沿铁芯本体25的径向与铁芯本体25的内圆均匀固定连接；绕组22缠绕于齿极24上；相邻两个齿极24之间构成定子槽23，其中，绕组22按一定规律分布于定子槽23内；转子3包括磁极32和转轴31，磁极32与转轴31固定连接，且磁极32的数量与定子槽23的数量相等。

具体地，如图1所示，由于本发明电机1结构的限定，电机机壳4的外径不大于22mm，可采用市场上常用的粘接剂，例如DG-3S胶，使得定子2通过专用工装与机壳3内壁粘接，确保定子2与机壳4装配且不发生变形。转子3与定子2同轴，且与定子2之间的距离为气隙，当定子2通电，定子2和转子3之间产生气隙磁通。定子2可采用齿槽式结构，类似于传统的永磁无刷直流电机，齿槽式有限转角力矩电机的气隙较小，可以得到较高的气隙磁密，所以其力矩密度一般会高于无齿槽式的有限转角力矩电机；电机定子2、转子3为圆筒型结构，转子2一般为表贴式结构，也可采用内置式结构，绕组22形式为单相、单层、分布式绕组。本实施例的绕组22为单相、双层、集中绕组，绕组22的节距为整数，绕组22的线圈串联。

如图3和图4所示，为提高电机1的力矩密度，需要绕组22尽可能设置更多的导线，来提高槽满率，采用传统的铁芯，工艺上不能实现高槽满率的定子2，本发明首先将绕组22嵌套于齿极24上，在保证铁芯本体25的刚度，其可以开设有安装槽，安装槽形状不做限定，齿极24与铁芯本体25连接端的形状与安装槽的形状匹配，或者铁芯本体25为圆筒形，铁芯本体25为圆弧状，齿极24与铁芯本体25连接端也为弧形，然后采用粘接或者卡接的方式将齿极24与铁芯本体25固定连接。

作为一种优选的方案，由于电机体积的限制，本实施例优先采用粘接的方式，将齿极24与铁芯本体25固定连接，此方式解决了微特力矩电机不能实现高槽满率要求的工艺装配问题。

如图1和图2所示，U+、U-为电机引出线，Ⅰ、Ⅱ为电机定子线圈，a为线圈头，b为线圈尾；红色引出线接电源正极，黑色引出线接电源负极时，电机1的转轴31由零位顺时针旋转至电机1的恒转矩角度，通常电源为12V、24V或者36V的逆变器供电，也可根据实际要求进行匹配，例如航天、航空电源为28V，本实施例不做限定。同时，每个永磁磁极极面所对的绕组电流方向是相同的，当定子2的绕组22通入某一方向的电流后，转子3会在安培力的作用下向某一侧转动；当电流方向发生变化时，转子3的转动方向也将发生相应变化；当断开电源后，转子3受到磁阻转矩作用后恢复至初始位置。

常规齿槽式的有限转角力矩电机由于齿槽转矩的作用，在其恒转矩区间内，电磁转矩仍存在转矩波动，一般是通过增加定子槽23的数量来减小齿槽转矩幅值，进而减小转矩波动的，定子槽23的槽数一般为转子3的磁极极数大于等于2的整数倍。另外，转子3的极数不宜过多，因为随着极数的增加，电机1的恒转矩区间也会减小，为了能够减小齿槽转矩对有限转角力矩电机恒转矩区间的影响，本实施例优先采用一种微特集中绕组有限转角力矩电机，转子3的极数与定子2的槽数相等，可以为2极2槽，也可以为4极4槽等，且绕组类型与常规齿槽式结构不同，可以为单相、或者双层集中绕组，由于采用双层绕组，定子槽23可设置更多导线，使得电机1电负荷远高于现有技术有限转角电机，提高电机1的转矩，并且恒转角范围大，力矩最高可达50Nm。

另外，因为极数与槽数相等，此时在一个电磁转矩周期上只有一个齿槽转矩周期，且有限转角力矩电机的恒转矩区间位于齿槽转矩值较小的位置，这样齿槽转矩幅值对恒转矩区间基本没有影响。与常规齿槽式结构相比，集中绕组有限转角力矩电机由于其槽数相对较少，槽面积的利用率较大，同时绕组系数高于分布绕组，故在电机1体积相同的条件下，具有更高的功率密度。同时由于采用集中绕组，绕组下线方便且集中绕组的端部长度会小于分布绕组，从而有效减少了铜的使用率，进而减小绕组22的铜耗。

本发明微特有限转角力矩电机，不需要斜槽来额外减少齿槽，降低转矩波动的影响，提高了槽满率和电机的电负荷，本发明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，且输出力矩特性优异，转子惯量小，满足高精度电机要求。

本实施例中，如图1、图2、图3、图4和图9所示，电机1为2极2槽结构的集中绕组有限转角力矩电机。

具体地，本实施例电机1的极槽配合为2极2槽，绕组类型与常规齿槽式结构不同，为单相、双层、集中绕组，转子结构与常规齿槽式结构一致。恒转角区间为30-35度，在恒转矩角范围内转矩波动小，本实施例电机1由于其槽数相对较少，槽面积的利用率较大，同时集中绕组系数高于分布绕组，具有更高的功率密度，能够有效减少铜的使用率，从而减小绕组铜耗。

本实施例中，如图1、图5、图6和图7所示，电机还包括机壳4、第一端盖5和第二端盖6；定子2与机壳4同轴固定连接；转子3一端与第一端盖5连接，另一端与第二端盖6连接；第一端盖5和第二端盖6分别与机壳4的两端固定连接；转子3的一端设置有定位环33，定位环33与转子3同轴套装，定位环33与第一端盖5卡接。

具体地，为便于电机1的装配，转子3的一端设置有定位环33，定位环33与转子3间隙配合，且与第一端盖4卡接，并且可圆周转动，以便调整与第一端盖4的相对位置，确保转子3与第一端盖4的装配位置，进而提高本发明的电机1的转矩角精度。转子3通过轴承外壳与第一端盖5和第二端盖6压力安装，确保转子转动时，第一端盖5、第二端盖6和轴承外壳位置不发生变化，与此同时，根据电机1的结构和适用场合，采用螺栓或者粘接方式将第一端盖5、第二端盖6与机壳4连接。

为便于与电机1连接电源，第二端盖6上还设置有出线孔61，出线孔61用于电机1得引线出线，引出线可设置有接线端口，进而提高电源连接的可靠性。

本实施例中，如图7所示，转子3还包括第一端环34和第二端环35；第一端环34与磁极32的一端固定连接，第二端环35与磁极32的另一端固定连接，定位环33与第一端环34活动连接。

具体地，转子3还包括第一端环34和第二端环35，第一端环34与磁极32、第二端环35与磁极32可通过粘接的方式固定连接，粘接剂采用电机常用的固定胶水，定位环33与第一端环34间隙装配，减小了转子3的不平衡度，降低了电机的转矩波动。

本实施例中，如图7、图8、图10和图11所示，定位环33上设有定位凸块331，第一端盖5设置有定位台51，定位台51上设有定位槽511；定位凸块331与定位槽511卡接。

具体地，为确保转子3与第一端盖5的位置，定位环33上设置有定位凸块331，第一端盖5上设置有定位台51，定位凸块331优选扇形开口，根据电机1的恒转矩角范围确定定位凸块331的角度，定位台51上定位槽511的角度与定位凸块331的角度差为恒转矩角，以此来确保电机力矩输出范围，提高电机工作的可靠性。

本实施例中，如图10、图11和图12，机壳4上设置有第一定位孔41，第一端盖5上还设置有第二定位孔52；第一定位孔51和第二定位孔52同轴且远离转子3的中心轴线。

具体地，为便于电机1的装配，机壳4设置有第一定位孔41，第一端盖5设置有第二定位孔52，第一定位孔41设置在机壳4的外圆，第二定位孔52设置在第一端盖5的内圆，第一定位孔41和第二定位孔52大小和形状相同，既可以为圆形孔，也可以为半圆形孔，且同心对齐，考虑到加工工艺，本实施例优选半圆形孔。在机壳4与第一端盖5装配时，第一定位孔41和第二定位孔52可作为相对位置的标记，同时作为转矩角的起始位置，确保了电机1装配时的精度。

本实施例中，如图13和图14所示，铁芯本体25内侧沿轴向设有两个相互对称的限位台251，限位台251与齿极24的中心线垂直。

具体地，铁芯本体25内侧沿轴向还设有对称布置的限位台251，一对限位台251以齿极24的中心线对称布置，限位台251与铁芯本体25一体化连接。当定子2通电后，因齿极24的磁通密度与限位台251磁通密度不相同，可有效降低电机1的转矩波动。铁芯本体25上可设置用于装配定位的矩形槽或者梯形槽，为提高齿极24与铁芯本体25卡接的可靠性，优选梯形槽。相较于焊接方式，本实施例采用的结构避免了齿极24与铁芯本体25的变形。

本实施例中，如图14所示，限位台251上设置有第一工艺槽2511，第一工艺槽2511用于定位限位台251与铁芯本体25的连接。

具体地，限位台251上设置有第一工艺槽2511，第一工艺槽2511用于定位限位台251与铁芯本体25的连接，第一工艺槽2511的形状也不作限定，需与铁芯本体25可设置用于装配定位的矩形槽或者梯形槽的中心在同一平面上，进而提高齿极24与铁芯本体25的装配精度和可靠性。

本实施例中，如图15所示，齿极24远离铁芯本体25的一端沿轴向设置有第二工艺槽241，第二工艺槽241用于定位齿极24与铁芯本体25的连接。

具体地，齿极24远离铁芯本体25的一端沿轴向设置有第二工艺槽241，以此来定位齿极24与铁芯本体25的连接，第二工艺槽241的形状也不作限定，但同样需与铁芯本体25可设置用于装配定位的矩形槽或者梯形槽的中心在同一平面上，进而提高装配精度和可靠性。

本实施例中，如图15所示，齿极24为尖角齿尖。

具体地，由于微特有限转角力矩电机的槽口不宜过大，当电机1为常规平行齿尖时，电枢磁链的很大一部分分量会通过定子轭部，定子齿中部分，齿尖部分，再经过槽口闭合。当电枢电流较大时，铁芯材料的非线性会使齿尖部分饱和严重，从而造成有限转角力矩电机的力矩特性变差。尖角形齿尖的等效槽开口宽度大于平行齿尖，从而使槽口处的等效磁阻增大，以达到减小槽口附近的漏磁的目的。尖角形齿尖的齿极形状会使得电枢磁链更多地经过主磁路，进而降低齿部磁路的饱和度，采用此结构，微特有限转角力矩电机的力矩特性会得到明显改善。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的可选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括可选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的原理及实现方式，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种微特有限转角力矩电机，其特征在于:所述电机包括定子(2)和转子(3)，所述转子(3)同轴贯穿于所述定子(2)内部；

所述定子(2)包括铁芯(21)和绕组(22)；所述铁芯(21)包括铁芯本体(25)和齿极(24)，所述齿极(24)沿所述铁芯本体(25)的径向与所述铁芯本体(25)的内圆均匀固定连接；所述绕组(22)缠绕于所述齿极(24)上；相邻两个所述齿极(24)之间构成定子槽(23),其中，所述绕组(22)按一定规律分布于所述定子槽(23)内；

所述转子(3)包括磁极(32)和转轴(31)，所述磁极(32)与所述转轴(31)固定连接，且所述磁极(32)的数量与所述定子槽(23)的数量相等。

2.根据权利要求1所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述电机为2极2槽结构的集中绕组有限转角力矩电机。

3.根据权利要求1所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述电机还包括机壳(4)、第一端盖(5)和第二端盖(6)；

所述定子(2)与所述机壳(4)同轴固定连接；

所述转子(3)一端与所述第一端盖(5)连接，另一端与所述第二端盖(6)连接；

所述第一端盖(5)和所述第二端盖(6)分别与所述机壳(4)的两端固定连接；

所述转子(3)的一端设置有定位环(33)，所述定位环(33)与所述转子(3)同轴套装，所述定位环(33)与所述第一端盖(5)卡接。

4.根据权利要求1所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述转子(3)还包括第一端环(34)和第二端环(35)；

所述第一端环(34)与所述磁极(32)的一端固定连接，所述第二端环(35)与所述磁极(32)的另一端固定连接；

所述定位环(33)与所述第一端环(34)活动连接。

5.根据权利要求3所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述定位环(33)上设有定位凸块(331)，所述第一端盖(5)设置有定位台(51)，所述定位台(51)上设有定位槽(511)；

所述定位凸块(331)与所述定位槽(511)卡接。

6.根据权利要求3所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述机壳(4)上设置有第一定位孔(41)，所述第一端盖(5)上还设置有第二定位孔(52)；

所述第一定位孔(51)和所述第二定位孔(52)同轴且远离转子(3)的中心轴线。

7.根据权利要求1所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述铁芯本体(25)内侧沿轴向设有两个相互对称的限位台(251)，所述限位台(251)与所述齿极(24)的中心线垂直。

8.根据权利要求7所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述限位台(251)上设置有第一工艺槽(2511)，所述第一工艺槽(2511)用于定位所述限位台(251)与所述铁芯本体(25)的连接。

9.根据权利要求1所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述齿极(24)远离所述铁芯本体(25)的一端沿轴向设置有第二工艺槽(241)，所述第二工艺槽(241)用于定位所述齿极(24)与所述铁芯本体(25)的连接。

10.根据权利要求1所述的微特有限转角力矩电机，其特征在于：所述齿极(24)为尖角齿尖。

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