CN103683769A - 无导磁轭结构永磁式有限转角电机 - Google Patents

Abstract

无导磁轭结构永磁式有限转角电机，涉及一种有限转角电机。以解决现有动铁式有限转角直流力矩电机气隙磁密低，功率密度较小、转动惯量大、响应速度慢的问题。内、外转子固定在一起，电机轴通过轴承安装在轴承座内，轴承座装在外转子的中心孔内，且与外转子固定连接，支架与电机轴固定连接，内、外转子均由非导磁材料制成，内转子的外圆周侧面上固定有外永磁磁钢，外转子的内圆周侧面上固定有内永磁磁钢，内、外永磁磁钢之间设置有骨架，多组绕组线圈固定缠绕在骨架上，骨架与内、外永磁磁钢之间分别设有气隙，绕组线圈的组数与磁极极数相同，每两个相邻的绕组线圈绕向相反，且串联连接，骨架与支架固定连接。本发明用于扫描机构及伺服定位系统中。

Description

无导磁轭结构永磁式有限转角电机

技术领域

本发明涉及一种有限转角电机，属于电机领域。

背景技术

对于有限转角电机的研究始于上世纪70年代，最初由于其控制方式简单，节约成本，在许多只要求电机在有限转角内摆动的自动控制系统中应用广泛。最初的有限转角电机多为双边励磁结构，随着永磁材料的发展，永磁式的有限转角电机也应运而生。现在多数成型的有限转角电机产品多为定子为绕线式结构，即将线圈均匀的绕制在环形的导磁环上，转子为永磁式结构，这种结构大大的增加了电机的气隙，从而很难得到较高的功率密度，在要求高功率密度的场合并不适用。对于有槽结构的有限转角电机来说，气隙磁密较大，但由于齿槽的存在，定位力矩对于电机性能的影响很大，在高精度位置伺服系统中也不适用。为了实现较高的位置精度，无铁心结构，即线圈缠绕在非导磁材料的支架上被提了出来，但现有的结构一般为动圈式与动铁式，动圈式结构有限转角电机的响应速度较快，但动铁式的有限转角直流力矩电机气隙磁密低，功率密度较小，且由于导磁轭与永磁体的存在一般转动惯量较大，对于伺服系统的位置信号响应速度较慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种无导磁轭结构永磁式有限转角电机，以解决现有动铁式有限转角直流力矩电机气隙磁密低，功率密度较小、转动惯量大、响应速度慢的问题。 

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：无导磁轭结构永磁式有限转角电机，所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机包括内转子、外转子、内永磁磁钢、外永磁磁钢、电机轴和轴承座；内转子与外转子固定在一起，电机轴通过轴承安装在轴承座内，外转子的中部设有中心孔，轴承座装在外转子的中心孔内，且与外转子固定连接，电机轴与内转子和外转子同轴设置，所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机还包括无铁心式定子，所述的无铁心式定子包括骨架、支架及多组绕组线圈，内永磁磁钢和外永磁磁钢均包括多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片；

支架的中部与电机轴的一端固定连接，且电机轴的轴线与支架的中心线重合设置，内转子和外转子均由非导磁材料制成，内转子的外圆周侧面上固定有外永磁磁钢，且外永磁磁钢的多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片沿内转子的外圆周侧面上依次交替排布，外转子的内圆周侧面上固定有内永磁磁钢，且内永磁磁钢的多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片沿外转子的内圆周侧面上依次交替排布，内永磁磁钢和外永磁磁钢所构成的每一对极为多段式结构，并形成闭式磁路结构，内永磁磁钢和外永磁磁钢之间设置有骨架，多组绕组线圈沿外永磁磁钢的圆周方向均布固定缠绕在骨架上，骨架与内永磁磁钢之间以及骨架与外永磁磁钢之间分别设有气隙，绕组线圈的组数与绕组线圈的磁极极数相同，每两个相邻的绕组线圈绕向相反，且串联连接，骨架的外端与支架固定连接。

优选的是，所述的外永磁磁钢利用环氧树脂胶粘接固定在内转子的外圆周侧面上，内永磁磁钢同样利用环氧树脂胶粘接固定在外转子的内圆周侧面上。

进一步的是，所述的内转子和外转子均由铝、塑料或碳纤维材料制成。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

1.内、外转子上的永磁磁钢为新型环形闭式磁路结构，能够有效的提高动铁式有限转角电机的气隙磁密，进而提高其力矩密度。在同等的技术要求下，可以减小电机的尺寸，应用场合广泛。

2.内、外转子的无导磁轭结构设计，即内、外转子的轭部（即内、外转子）均使用非导磁材料，避免了由于导磁材料所产生的铁心损耗，同时由于轭部重量的减轻，从而减小了电机的转动惯量， 电机的转动惯量减少了30%至50%左右，从而提高了电机的响应速度，响应速度提高了约四分之一。

3.电机定子采用无铁心结构，消除了定位力矩对此类电机性能的影响，适用于高精度的位置伺服系统中。

附图说明

图1是本发明的高效率、低推力脉动圆筒型直线运动机构的主剖视图；

图2是图1中的A-A剖面图，轴承座未画出；

图3是图2中的B-B剖视图；

图4是内永磁磁钢和外永磁磁钢充磁示意图，箭头所指示的方向为充磁方向；

图5是绕组线圈在骨架上的分布及某一时刻绕组线圈上的电流通电方向示意图。

图4和图5中，黑点表示电流由里向出，十字线表示电流由外向里进。

本发明中的各部件名称及件号如下：

1-外转子；2-内永磁磁钢；3-绕组线圈；4-骨架；5-外永磁磁钢；6-内转子；7-支架；8-电机轴；9-轴承座；10-轴承；11-中心孔；12-气隙；13-挡板。

具体实施方式

    下面结合附图说明具体的实施方式:

具体实施方式一：如图1~图5 所示；无导磁轭结构永磁式有限转角电机，所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机包括内转子6、外转子1、内永磁磁钢2、外永磁磁钢5、电机轴8和轴承座9；内转子6与外转子1固定在一起，电机轴8通过轴承10安装在轴承座9内，外转子1的中部设有中心孔11，轴承座9装在外转子1的中心孔11内，且与外转子1固定连接，电机轴8与内转子6和外转子1同轴设置，所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机还包括无铁心式定子，所述的无铁心式定子包括骨架4、支架7及多组绕组线圈3，内永磁磁钢2和外永磁磁钢5均包括多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片；

支架7的中部与电机轴8的一端固定连接，且电机轴8的轴线与支架7的中心线重合设置，内转子6和外转子1均由非导磁材料制成，内转子6的外圆周侧面上固定有外永磁磁钢5，且外永磁磁钢5的多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片沿内转子6的外圆周侧面上依次交替排布，外转子1的内圆周侧面上固定有内永磁磁钢2，且内永磁磁钢2的多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片沿外转子1的内圆周侧面上依次交替排布，内永磁磁钢2和外永磁磁钢5所构成的每一对极为多段式结构，并形成闭式磁路结构，内永磁磁钢2和外永磁磁钢5之间设置有骨架4，多组绕组线圈3沿外永磁磁钢5的圆周方向均布固定缠绕在骨架4上，骨架4与内永磁磁钢2之间以及骨架4与外永磁磁钢5之间分别设有气隙12，绕组线圈3的组数与绕组线圈3的磁极极数相同，每两个相邻的绕组线圈3绕向相反，且串联连接，骨架4的外端与支架7固定连接。

内转子6和外转子1均采用环形闭式磁路结构，绕组线圈3缠绕在骨架4上，每两个相邻的绕组线圈3绕向相反，且串联连接，保证通入到绕组线圈3中的电流方向相反。

本实施方式中，所述的外永磁磁钢5利用环氧树脂胶粘接固定在内转子6的外圆周侧面上，内永磁磁钢2同样利用环氧树脂胶粘接固定在外转子1的内圆周侧面上。

本实施方式中，外转子1为圆柱形筒体，外转子1的一端通过挡板13封闭，圆柱形筒体的另一端为敞口端，挡板13的中心设有中心孔11，内转子6也为圆柱形筒体，且内转子6的两端均为敞口端，内转子6套装在外转子1内，且内转子6的一端与挡板13固定连接。

具体实施方式二：如图1~图5所示，具体实施方式一所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机，所述的内转子6和外转子1均由铝、塑料或碳纤维材料制成。质量轻，从而减小了电机的转动惯量，提高了电机的响应速度。

本发明的工作原理如下：

当绕组线圈3通入直流电时，因为骨架4上相邻的绕组线圈3的绕向相反，那么某一时刻时，绕组线圈3中的电流方向如图4所示，闭式磁路的充磁方式如图5所示，这种环形闭式磁路结构能够有效的提高电机的气隙磁密，从而提高电机的力矩密度，力矩密度提高了25%左右，同时，电机的内转子6和外转子1为非导磁材料（避免铁心损耗的产生），能够有效的减小电机的转动惯量，提高系统的响应速度。本发明是以电机的极数等于8为例，同样也可以设计为其他极数以满足不同场合对于力矩范围的要求。

当电机空载时，内永磁磁钢2和外永磁磁钢5提供的磁动势经过气隙12形成闭合磁路。负载时，绕组线圈3中通入直流电后，根据左手定则，即可判断电机在有限角度内产生恒定转矩的方向，电流相反时，转矩也随之相反。

Claims (3)

1.一种无导磁轭结构永磁式有限转角电机，所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机包括内转子（6）、外转子（1）、内永磁磁钢（2）、外永磁磁钢（5）、电机轴（8）和轴承座（9）；内转子（6）与外转子（1）固定在一起，电机轴（8）通过轴承（10）安装在轴承座（9）内，外转子（1）的中部设有中心孔（11），轴承座（9）装在外转子（1）的中心孔（11）内，且与外转子（1）固定连接，电机轴（8）与内转子（6）和外转子（1）同轴设置，其特征是：所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机还包括无铁心式定子，所述的无铁心式定子包括骨架（4）、支架（7）及多组绕组线圈（3），内永磁磁钢（2）和外永磁磁钢（5）均包括多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片；

支架（7）的中部与电机轴（8）的一端固定连接，且电机轴（8）的轴线与支架（7）的中心线重合设置，内转子（6）和外转子（1）均由非导磁材料制成，内转子（6）的外圆周侧面上固定有外永磁磁钢（5），且外永磁磁钢（5）的多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片沿内转子（6）的外圆周侧面上依次交替排布，外转子（1）的内圆周侧面上固定有内永磁磁钢（2），且内永磁磁钢（2）的多个大扇形永磁磁钢片和多个小扇形永磁磁钢片沿外转子（1）的内圆周侧面上依次交替排布，内永磁磁钢2和外永磁磁钢5所构成的每一对极为多段式结构，并形成闭式磁路结构，内永磁磁钢（2）和外永磁磁钢（5）之间设置有骨架（4），多组绕组线圈（3）沿外永磁磁钢（5）的圆周方向均布固定缠绕在骨架（4）上，骨架（4）与内永磁磁钢（2）之间以及骨架（4）与外永磁磁钢（5）之间分别设有气隙（12），绕组线圈（3）的组数与绕组线圈（3）的磁极极数相同，每两个相邻的绕组线圈（3）绕向相反，且串联连接，骨架（4）的外端与支架（7）固定连接。

2.如权利要求1所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机，其特征是：所述的外永磁磁钢（5）利用环氧树脂胶粘接固定在内转子（6）的外圆周侧面上，内永磁磁钢（2）同样利用环氧树脂胶粘接固定在外转子（1）的内圆周侧面上。

3.如权利要求1或2所述的无导磁轭结构永磁式有限转角电机，其特征是：所述的内转子（6）和外转子（1）均由铝、塑料或碳纤维材料制成。

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