CN101465584B - 双定子无刷直流电机及其制动方法 - Google Patents
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Abstract
一种双定子无刷直流电机，包括嵌入了磁场绕组的第一定子(102)、空心杯转子(203)和转子位置传感器(101)，还包括设置在所述空心杯转子(203)内腔的第二定子(104)，该第二定子(104)的一端轴伸(1041)穿出所述空心杯转子(203)在同一端的密封盖(2036)固定在电机的一个端盖(1021)的中央部位，另一端则借助轴承(1042)可转动地支承在所述空心杯转子主轴(2031)的内端同轴线镶嵌的细轴(2032)上；所述第二定子(104)上设置有励磁绕组，其电线束(1049)从该第二定子的一端空心轴伸(1041)内腔穿出，用于在制动时供电。本发明有益效果在于：只需要消耗较小的能量就可以产生较大的制动力矩，实现高效、高精度的制动方式以及姿态调整与保持。
Description
技术领域：本发明涉及有一个转子两个定子的电机，特别是涉及具有非机械换向装置的无刷直流电机，以及利用其空心杯转子的第二定子作磁力制动的方法与结构。
背景技术 控制类电机一般由驱动和制动两个系统构成。电机制动是控制类电机经常遇到的问题。电机制动一般会出现在需要迅速停车的场合，例如起重机械，车床等。电机制动的原理是在电机断电的情况下，克服电机转子的转动惯量使其快速停机。衡量制动效果的因素主要包括：制动力矩、制动能耗、制动时间、制动精度以及制动机构破坏、噪音等。传统的电机制动方式一般分为机械制动和电气制动。
机械制动是通过机械装置来卡住电机主轴，使其减速，如电磁抱闸、电磁离合器等电磁铁制动器。
常用的电气制动方式有：
一、反接制动：在电机断开电源后，为了使电机迅速停车，使用控制方法再在电机的电源上加上与正常运行电源反相的电源，此时，电机转子的旋转方向与电机旋转磁场的旋转方向相反，此时电机产生的电磁力矩为制动力矩，加快电机的减速。直流电机制动时，将电机的电源正负极反接，改变电枢电流的方向，这样转矩的方向也改变，使得转速与转矩的方向相反。交流电机制动采用改变相序的方法产生反向转矩，原理类似。
二、能耗制动：在定子绕组中通以直流电，从而产生一个固定不变的磁场。此时，转子按旋转方向切割磁力线，从而产生一个制动力矩，迫使电动机转子较快的停止。由于此制动方法并不是像再生制动那样，把制动时产生的能量回馈给电网，而是单靠电机把动能消耗掉，因此叫能耗制动。又由于是在定子绕组中通以直流电来制动，因而能耗制动又叫直流注入制动。
机械制动方式往往会产生较大的噪声，并会带有一定的机械磨损。
反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，无论是机械冲击还是制动时的电流，都很大，易损坏传动部件。另外反接制动有一个最大的缺点，就是：当电机转速为零时，如果不及时撤除反相后的电源电机会反转。正是由于反接制动有此特点，因此，不允许反转的机械，如一些车床等，制动方法就不能采用反接制动了，而只能采用能耗制动或机械制动。
能耗制动是单纯依靠电机来消耗动能来达到停车的目的，因而制动效果和精度并不理想。在一些要求制动时间短和制动效果好的场合，一般不使用此制动方法。
由于以上制动方式各自的局限性，在一些场合不能独立使用。如起重机械，其运行特点是电机转速低，频繁地起动、停止和正反转，而且拖着所吊重物运行。为了实现准确而又灵活的控制，电机经常处于制动状态，并且要求制动力矩大。而能耗制动则达不到上述要求。故起重机械一般采用反接制动，且要求有机械制动，以防在运行过程中或失电时，重物滑落。这样整个控制电机系统体积加大了，效率也因此而降低，并会产生大量噪声。而在在一些小型、室内器械等场合，需要电机体积小，且有较大制动力矩，制动效果好，噪音小。
发明内容 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足而提出的一种双定子无刷直流电机及其制动方法，实现电机的高效制动及姿态的调整与保持。
本发明为解决上述技术问题而提出的技术方案是，一种双定子无刷直流电机，包括嵌入了磁场绕组的第一定子、空心杯转子和转子位置传感器，特别是：
还包括设置在所述空心杯转子内腔的第二定子，该第二定子的一端轴伸穿出所述空心杯转子在同一端的密封盖固定在电机的一个端盖的中央部位；所述空心杯转子的主轴借助轴承可转动地伸出并固定在所述电机另一个端盖的中央部位；所述第二定子的另一端则借助轴承可转动地支承在所述空心杯转子主轴的内端同轴线镶嵌的细轴上；所述第二定子上设置有励磁绕组，其馈电线束从该第二定子的一端空心轴伸内腔穿出，用于在制动时供电。
所述空心杯转子由高磁导率的软磁材料制成，杯的外壁粘覆永磁性材料，杯内腔壁粘贴有至少一层屏蔽层，使得转子内腔磁场接近零值。
所述空心杯转子具有密封结构，该转子的轴伸端有密封盖，在该密封盖轴伸孔的内壁嵌入有密封圈，构成动态密封，并且在所述转子内腔与所述第二定子之间的空隙注入导磁液体。
所述第二定子包括叠置的硅钢冲片结构和绕组结构，各硅钢的齿槽数为转子极对数的整数倍；在满足绕线条件下，其槽宽应尽量小；所述绕组结构为单相的齿槽集中绕组，线径及匝数可以根据激发导磁液体所需能量来调整。
所述第二定子绕线后需要灌胶密封，以避免导磁液体进入绕组；灌胶后应不影响该第二定子外表面尺寸，且铁芯外表面无残留胶；所述第二定子与转子单边气隙为0.5mm，该第二定子两端灌胶后长度应会不干涉转子内部尺寸。同时，所述第二定子励磁绕组馈电线束从该第二定子的一端空心轴伸内腔穿出处需要灌胶密封。
导磁液是在第二定子以及空心杯转子密封盖装配完成后，通过密封盖上的注液孔注入，注满后将该注液孔密封。导磁液是由软磁材料的磁粉与液体混合而成。
本发明为解决上述技术问题还可以采用一种双定子无刷直流电机作伺服驱动时的制动方法，包括步骤：
A.在所述无刷直流电机空心杯转子内腔共轴线地设置第二定子，将该转子内腔作动态密封，在所述转子内腔与第二定子之间的空隙注入导磁液；
B.实施制动时，在切断所述电机第一定子的供电源的同时，为设置在所述第二定子上的绕组供给直流电力励磁，由此在所述空心杯转子内腔产生强大恒定磁场迫使所述转子瞬间停转；
C.在所述转子停转后仍保持为所述第二定子的绕组供电，则所述空心杯转子内腔仍保持强大恒定磁场，即可实现电机停转时原姿态保持。
同现有技术相比较，本发明的有益效果在于：只需要消耗较小的能量就可以产生较大的制动力矩，实现高效、高精度的制动方式以及姿态调整与保持。本发明制动方式在于小颗粒磁粉间的磁拉力作用以及摩擦力作用，不会造成大的噪音以及电机的磨损。由于本发明主体是一个无刷电机，同时又采用内置内定子的制动结构，具有体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定的优点，另一方面，。采用外置电路控制电机，可实现电机低转速、频繁起动、停止和正反转等运行方式。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种运行复杂，需要准确灵活制动控制场合。
附图说明 图1是本发明双定子无刷直流电机的主视剖视示意图；
图2是所述无刷直流电机第二定子励磁后的磁力线示意图。
具体实施方式 下面，结合附图所示之优选实施例进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明双定子无刷直流电机实施例是：一种双定子无刷直流电机，包括嵌入了磁场绕组的第一定子102、空心杯转子203和转子位置传感器101，特别是：
还包括设置在所述空心杯转子203内腔的第二定子104，该第二定子104的一端轴伸1041穿出所述空心杯转子203在同一端的密封盖2036固定在电机的一个端盖1021的中央部位；所述空心杯转子203的主轴2031借助轴承1023可转动地伸出并固定在所述电机另一个端盖1022的中央部位；所述第二定子104的另一端则借助轴承1042可转动地支承在所述空心杯转子主轴2031的内端同轴线镶嵌的细轴2032上；所述第二定子104上设置有励磁绕组，其馈电线束1049从该第二定子的一端空心轴伸1041内腔穿出，用于在制动时供电。
所述空心杯转子203由高磁导率的软磁材料制成，杯的外壁粘覆永磁性材料，杯内腔壁粘贴有至少一层屏蔽层2033，2034，使得转子203内腔磁场接近零值。
所述空心型转子203具有密封结构，该转子203的轴伸端有密封盖2036，在该密封盖2036轴伸孔的内壁嵌入有密封圈2038，构成动态密封，并且在所述转子203内腔与所述第二定子之间的空隙注入导磁液体2037。
所述第二定子104包括叠置的硅钢冲片结构和绕组结构，各硅钢片的齿槽数为转子极对数的整数倍；在满足绕线条件下，其槽宽应尽量小；所述第二定子104绕组结构为单相的齿槽集中绕组，线径及匝数可以根据激发导磁液体2037所需能量来调整。
所述第二定子104绕线后需要灌胶密封，以避免导磁液体2037进入绕组；灌胶后应不影响第二定子外表面尺寸，且铁芯外表面无残留胶；第二定子与转子203单边气隙为0.5mm；第二定子104的两端灌胶后长度应不干涉转子203内部尺寸。同时，第二定子104励磁馈绕组电线束1049从该第二定子的一端空心轴伸1041内腔穿出处需要灌胶密封。
导磁液2037是在第二定子104以及空心杯转子密封盖2036装配完成后，通过密封盖2036上的注液孔2039注入，注满后将该注液孔2039密封。导磁液2037是由软磁材料的磁粉与液体混合而成。其中磁份比例，根据电机整机功能，以不影响电机正常运转为前提配比。同时，导磁液自身并无磁性，需在外部激磁下方可显现磁性。
本发明的实施例同时也是采用一种双定子无刷直流电机作伺服驱动时的制动方法，包括步骤：
A.在所述无刷直流电机空心杯转子203内腔共轴线地设置第二定子104，将该转子203内腔作动态密封，在所述转子203内腔与第二定子104之间的空隙注入导磁液2037；
B.实施制动时，在切断所述电机第一定子102的供电源的同时，为设置在所述第二定子104上的绕组供给直流电力励磁，由此在所述空心杯转子203内腔产生强大恒定磁场迫使所述转子203瞬间停转；
C.在所述转子203停转后仍保持为所述第二定子104的绕组供电，则所述空心杯转子203内腔仍保持强大恒定磁场，即可实现电机停转时的原姿态保持。
在电机在正常运行时，第二定子(又称内定子)绕组不通电，转子正常运转且对第二定子不作用。电机需要制动时，第二定子绕组通直流电，产生固定磁场，导磁液体内部磁粉在外界激磁作用下由无序排列转化为有指向排列而显现强磁性(参考图2)，吸附于第二定子及屏蔽环表面产生磁拉力F。同时内表面由于吸附磁粉本身产生摩擦力f。磁力F与摩擦力f形成的合力作用于转子内壁，产生较大的制动力矩使电机迅速停车。在电机速度为零时，若第二定子电源不撤除，磁力F仍然作用于转子内壁，可以实现电机姿态保持。
本发明的结构在作一下变更后，也可以提供相似的功效：将电机磁路由径向改为轴向。
本发明还可以用在机械臂等运行复杂、制动力矩大、需要经常处于制动状态的场合以及一些小型、室内具有类似功能要求的场合。
上述过程为本发明优选实现过程，本领域的技术人员在本发明基本上进行的通常变化和替代包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双定子无刷直流电机，包括空心杯转子(203)、位于所述空心杯转子(203)外围的、嵌入了磁场绕组的第一定子(102)和转子位置传感器(101)，其特征在于：
还包括设置在所述空心杯转子(203)内腔的第二定子(104)，该第二定子(104)的一端空心轴伸(1041)穿出所述空心杯转子(203)在同一端的密封盖(2036)固定在电机的一个端盖(1021)的中央部位；所述空心杯转子(203)的主轴(2031)借助轴承(1023)可转动地伸出并固定在所述电机另一个端盖(1022)的中央部位；所述第二定子(104)的另一端则借助轴承(1042)可转动地支承在所述空心杯转子主轴(2031)的内端同轴线镶嵌的细轴(2032)上；所述第二定子(104)上设置有励磁绕组，其馈电线束(1049)从该第二定子的一端空心轴伸(1041)内腔穿出，用于在制动时供电；
所述空心杯转子(203)由高磁导率的软磁材料制成，杯的外壁粘覆永磁性材料，杯内腔壁粘贴有至少一层屏蔽层(2033，2034)，使得转子(203)内腔磁场接近零值；
所述空心杯转子(203)具有密封结构，该转子(203)的轴伸端有密封盖(2036)，在该密封盖(2036)轴伸孔的内壁嵌入有密封圈(2038)，构成动态密封，并且在所述转子(203)内腔与所述第二定子之间的空隙注入导磁液体(2037)；所述导磁液体(2037)是由软磁材料的磁粉与液体混合而成。
2.按照权利要求1所的述双定子无刷直流电机，其特征在于：
所述第二定子(104)包括叠层的硅钢冲片结构和绕组结构，各硅钢片的齿槽数为转子极对数的整数倍；在满足绕线条件下，其槽宽应尽量小；所述绕组结构为单相的齿槽集中绕组，线径及匝数可以根据激发导磁液体(2037)所需能量来调整。
3.按照权利要求1所述的双定子无刷直流电机，其特征在于：
所述第二定子(104)绕线后需要灌胶密封，以避免导磁液体进入绕组；灌胶后应不影响该第二定子(104)的外表面尺寸，且铁芯外表面无残留胶；所述第二定子与转子(203)单边气隙为0.5mm，该第二定子两端灌胶后长度应不干涉转子(203)内部尺寸。
4.按照权利要求1所述的双定子无刷直流电机，其特征在于：
所述第二定子(104)励磁绕组馈电线束(1049)从该第二定子的一端空心轴伸(1041)内腔穿出处需要灌胶密封。
5.按照权利要求1所述的双定子无刷直流电机，其特征在于：
所述导磁液体(2037)是在第二定子(104)以及空心杯转子密封盖(2036)装配完成后，通过密封盖(2036)上的注液孔(2039)注入，注满后将该注液孔(2039)密封。
6.一种双定子无刷直流电机作伺服驱动时的制动方法，其特征在于包括步骤：
A.在所述无刷直流电机空心杯转子(203)内腔共轴线地设置第二定子(104)，将该转子(203)内腔作动态密封，在所述转子(203)内腔与第二定子(104)之间的空隙注入导磁液体(2037)；
B.实施制动时，在切断位于所述空心杯转子(203)外围的、嵌入有磁场绕组的第一定子(102)的供电源的同时，为设置在所述第二定子(104)上的绕组供给直流电力励磁，由此在所述空心杯转子(203)内腔产生恒定磁场迫使所述转子(203)瞬间停转；
C.在所述转子(203)停转后仍保持为所述第二定子(104)的绕组供电，则所述空心杯转子(203)内腔仍保持恒定磁场，即可实现电机停转时的原姿态保持。
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| CN101465584A (zh) | 2009-06-24 |
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