CN103997179A

CN103997179A - 一种永磁无刷大力矩电机

Info

Publication number: CN103997179A
Application number: CN201410131526.3A
Authority: CN
Inventors: 王舒雁; 董超; 刘科; 杨颖�; 邓楼楼; 孙建波
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2014-08-20

Abstract

一种永磁无刷大力矩电机，涉及电机领域。它包括定子组件和转子组件；定子组件与转子组件通过固定在外部机座上的转动轴同轴安装在一起；定子组件包括定子外壳、定子本体组件和换相器组件；转子组件包括转子导磁环和若干个永磁体，转子导磁环为圆形并带动转动轴一起旋转；定子绕组线圈通过外部的驱动电路输入电流，为转子组件提供旋转的磁场；换相器组件与定子绕组线圈同轴安装，并靠近定子绕组线圈的端部，换相器组件在转子组件旋转过程中敏感转子组件的位置，并反馈方波信号至外部的控制电路，用于控制定子绕组线圈中电流的通断。本发明在较小体积下有较大的输出力矩和较小的热负荷值，尤其适合于在空间环境中应用。

Description

一种永磁无刷大力矩电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是涉及用于圆锥扫描红外地球敏感器的永磁无刷大力矩电机。

背景技术

在各类飞行器的装备中，常需要一些执行部件进行旋转运动，以产生一定的旋转角度视场，满足飞行器各种功能性的需要。要求驱动这些旋转机构的执行部件不仅要达到一定的驱动能力要求，还要满足一定的旋转精度，以满足整个机构的动态控制性能。尤其是在长寿命的机构中，为克服随着产品环境条件的恶劣、产品寿命的加大，其组件的摩擦情况也会越加恶劣，要求其驱动部件的输出力矩越大越好，并在旋转组件出现异常堵转情况下，依然能够长期保证其输出能力，以便空间环境或组件情况有所改变时，可随时使部件恢复其功能。

根据目前国内外的研究及应用情况，需要一种低功耗、高可靠的大力矩控制电机产品应用于空间环境，但没有具体的方案设计。电负荷和热负荷是电机可靠性设计中需重点考虑项目，尤其是在空间环境中，热负荷的降额设计更为突出。电机力矩的提高主要靠提高电流和工作磁场，过大电流的选用不仅会使电机在堵转时的温升过高，同时也会使电机驱动部分的热降额设计带来困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种永磁无刷大力矩电机，不仅结构紧凑、体积小、重量轻，而且在较小体积下有较大的输出力矩和较小的热负荷值，实现电机良好的工作性能，同时保障电机工作的安全性，尤其适合于在空间环境中应用。

本发明的技术解决方案是：一种永磁无刷大力矩电机，包括定子组件和转子组件；定子组件与转子组件通过固定在外部机座上的转动轴同轴安装在一起。

所述定子组件包括定子外壳、定子本体组件和换相器组件；定子外壳分别连接外部机座、换相器组件和定子本体组件；所述定子本体组件包括定子绕组线圈、定子铁芯、定子绕组骨架和定子引出线，定子绕组线圈嵌入定子绕组骨架内，与定子铁芯粘接后灌封；定子引出线从定子绕组线圈中引出，并分别与外部的电源和外部的驱动电路连接。

所述转子组件包括转子导磁环和若干个永磁体，转子导磁环为圆形且紧贴机座上的转动轴，并带动转动轴一起旋转；永磁体的数量为偶数且依次粘结在转子导磁环的外圆，永磁体的磁场方向位于转子导磁环的径向且相邻两个永磁体的磁场方向相反；定子绕组线圈通过外部的驱动电路输入电流，为转子组件提供旋转的磁场；

所述换相器组件与定子绕组线圈同轴安装，并靠近定子绕组线圈的端部，换相器组件在转子组件旋转过程中敏感转子组件的位置，并反馈方波信号至外部的控制电路，用于控制定子绕组线圈中电流的通断。

所述定子绕组线圈采用三相星型连接，三相星型连接中的每一相线圈由匝线径为0.18.mm的漆包线组成。

所述换相器组件与其靠近的定子绕组线圈的端部的距离为0.18mm。

所述永磁体为钐钴稀土永磁体。

所述换相器组件采用磁敏式换相器。

所述换相器组件采用霍尔换相器。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明采用磁敏式换相产生的电子方波取代了直流电动机的机械换向，由永磁材料做转子，省去了电刷，在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单；采用高性能的稀土永磁体作为电机的工作磁场，使其磁场受外界去磁的影响小，并在高、低温情况下磁场的变化也比传统的永磁体变化小，从而保证了电机在星上全温度范围内的工作稳定性；

（2）本发明通过设计绕组线圈的连接方式、线圈的匝数、线径和阻值，确保了电机在具有较大堵转情况下仍具有较小的热负荷值，提升电机工作的安全性；

（3）本发明通过设计换相器装置，与定子绕组线圈的近距离使换相器内的霍尔器件可敏感电机主磁场，故在结构上可省去换相器转子部分，使电机的结构更为紧凑，减轻了电机重量,减小了组件体积；磁敏式换相器所敏感的旋转磁场与工作主磁场为同一磁场，简化了产品加工过程，提高了换相敏感的精度。

（4）本发明通过在电机内设计磁敏式的霍尔换相器，该结构易于换相器的替换和维修。该换相器与旋转变压器和光电码盘相比，具有性能稳定、工作可靠、频率响应宽、反应速度快、体积小、结构牢固、易于安装等诸多优点。

附图说明

图1外部机座示意图；

图2为本发明装配示意图；

图3为本发明定子本体组件剖视图；

图4为本发明定子绕组骨架形状示意图；

图5为本发明定子绕组单线圈示意图；

图6为本发明转子组件主视图；

图7为本发明换相器定子组件剖视图。

具体实施方式

电机力矩的提高主要靠提高电流和工作磁场，电流与绕组线圈的匝数成反比。现有技术中为了使电机具有较大的力矩，一般会通过增加工作磁场和线圈的匝数实现。但是这样一方面造成电机的体积过大，另一方面也会导致线圈电阻较大，电流损耗大，也会使输出力矩降低；而过大电流的选用不仅会使电机在堵转时的温升过高，同时也会使电机驱动部分的热降额设计带来困难。本发明通过设计同轴紧凑安装的无槽无刷式电机结构，设计定子绕组线圈和定子绕组骨架，选择转子永磁体和磁敏式换相器，实现了在小体积下输出较大力矩，同时使电机在具有较大堵转情况下仍具有较小的热负荷值，提升电机工作的安全性。同时，针对空间站的应用进行了适应性设计，使本发明尤其适合空间飞行器对电机大力矩、小体积和良好安全性能的需求。

本发明包括定子组件和转子组件。定子组件与转子组件通过固定在外部机座上的转动轴同轴安装在一起。如图1所示，外部的机座用于承载电机。机座包括底座12和转动轴，转动轴由轴承组件13和转轴套14组成。定子组件装在底座12上，转子组件的内表面与机座上的转动轴配合，机座上的转动轴在转子组件的带动下旋转，用于输出电机的力矩。

如图2所示，定子组件包括定子外壳1、定子本体组件和换相器组件；定子外壳1分别连接机座、换相器组件和定子本体组件。如图3所示，本发明的定子本体组件采用无刷无槽的结构，定子本体组件包括定子绕组线圈4、定子铁芯2、定子绕组骨架3和定子引出线5，定子绕组线圈4嵌入由聚砜材料形成的定子绕组骨架3内，与定子铁芯2粘接后灌封；定子引出线5从定子绕组线圈4中引出，并分别与电源和外部的驱动电路连接。

如图4所示，定子绕组骨架3的形状为带齿槽的圆环，材料为聚砜材料，替代了常用的齿槽铁芯做线圈绕组的支撑体，消除了电机的齿咬力矩。组装时先将聚砜棒加工成图4所示的形状，将已成型的如图5所示的定子绕组线圈4嵌入定子绕组骨架3内。定子绕组线圈4采用三相星型连接，定子绕组的三相线圈采用每组线圈整节距连绕的星型连接方式，工艺简单、制造方便。本发明中每相线圈优选175匝线径为0.18mm的漆包线，漆包线的型号优选Qy-1，即温度指数220°C的聚酰亚胺漆包圆铜线，使得每相绕组阻值保证为65Ω左右，从而确保了电机在堵转情况下，最大输出电流在0.43A左右，其电机的最大热负荷值为18.24(A/mm²×SA/cm),此外形尺寸大小的相同电机所允许的热负荷最小值为200(A/mm²×A/cm),所以本发明的电机的热降额系数达到0.09，确保了电机在堵转情况下，电机工作的安全性。定子绕组线圈4嵌入到定子绕组骨架3后与定子铁芯2粘接，然后灌封，最后压入定子外壳1内。定子绕组线圈4中引出四根引出线分别与外部的电源和驱动电路的三相驱动管集电极相连接，通过驱动电路输入三相衔接的驱动电流，为定子组件提供旋转的磁场。

如图6所示，转子组件包括转子导磁环11和若干个永磁体10，转子导磁环11为圆形且紧贴外部机座上的转动轴，并带动转动轴一起旋转；永磁体10的数量为偶数且依次粘结在转子导磁环11的外圆，永磁体10的磁场方向位于转子导磁环11的径向且相邻两个永磁体10的磁场方向相反；定子绕组线圈4通过外部的驱动电路输入电流，为转子组件提供旋转的磁场。

为了得到更强更稳定的磁场，本发明的永磁体10采用高性能的钐钴稀土永磁体10，不仅磁场较强，而且磁场受外界去磁的影响小，并在高、低温情况下磁场的变化也比其他材料的永磁体10变化小，更适用于空间飞行器中全温度范围内的工作稳定性。图6中所示，将八对稀土永磁体10对称粘接在磁稳定性处理后的转子导磁轭上整体灌封环氧胶。

如图7所示，换相器组件由换相器座6、霍尔换相器7、引线板8、换相信号引线9组成，霍尔器件电装在引线板8上，再装入换相器座6内。换相信号引线9通过引线板8上的PCB覆铜引线给霍尔器件7加电，并将换相信号引出至外部控制电路的逻辑处理部分。

如图2所示，换相器组件与定子绕组线圈4同轴安装，并靠近定子绕组线圈4的端部，换相器组件与其靠近的定子绕组线圈4的端部的距离L为3mm，换相器组件与定子绕组线圈4的近距离使换相器内的霍尔器件可敏感电机主磁场，故在结构上可省去换相器转子部分，使电机的结构更为紧凑，减轻了电机重量，减小了组件体积。换相器组件在转子组件旋转过程中敏感转子组件的位置，并反馈方波信号至控制电路，用于控制定子绕组线圈4中电流的通断。本发明中的换相器优选磁敏式换相器，替代了直流电动机的机械式换相，在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单。磁敏式换相器优选霍尔换相器7，该结构易于换相器的替换和维修。该换相器与旋转变压器和光电码盘相比，具有性能稳定、工作可靠、频率响应宽、反应速度快、体积小、结构牢固、易于安装等诸多优点。

本发明设计的电机的峰值堵转力矩最大可达到0.185NM；电机最大尺寸外径为φ104×31.5mm。电机组件总重量不大于625g。在允许的最大工作电流为0.43A时，电机和驱动电路部分在不需要任何散热措施的情况下能长期可靠地工作，特别适用于空间环境产品。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种永磁无刷大力矩电机，其特征在于：包括定子组件和转子组件；定子组件与转子组件通过固定在外部机座上的转动轴同轴安装在一起；

所述定子组件包括定子外壳（1）、定子本体组件和换相器组件；定子外壳（1）分别连接外部机座、换相器组件和定子本体组件；所述定子本体组件包括定子绕组线圈（4）、定子铁芯（2）、定子绕组骨架（3）和定子引出线（5），定子绕组线圈（4）嵌入定子绕组骨架（3）内，与定子铁芯（2）粘接后灌封；定子引出线（5）从定子绕组线圈（4）中引出，并分别与外部的电源和外部的驱动电路连接；

所述转子组件包括转子导磁环（11）和若干个永磁体（10），转子导磁环（11）为圆形且紧贴机座上的转动轴，并带动转动轴一起旋转；永磁体（10）的数量为偶数且依次粘结在转子导磁环（11）的外圆，永磁体（10）的磁场方向位于转子导磁环（11）的径向且相邻两个永磁体（10）的磁场方向相反；定子绕组线圈（4）通过外部的驱动电路输入电流，为转子组件提供旋转的磁场；

所述换相器组件与定子绕组线圈（4）同轴安装，并靠近定子绕组线圈（4）的端部，换相器组件在转子组件旋转过程中敏感转子组件的位置，并反馈方波信号至外部的控制电路，用于控制定子绕组线圈（4）中电流的通断。

2.根据权利要求1所述的一种永磁无刷大力矩电机，其特征在于：所述定子绕组线圈（4）采用三相星型连接，三相星型连接中的每一相线圈由175匝线径为0.18mm的漆包线组成。

3.根据权利要求1所述的永磁无刷大力矩电机，其特征在于：所述换相器组件与其靠近的定子绕组线圈（4）的端部的距离为3mm。

4.根据权利要求1所述的永磁无刷大力矩电机，其特征在于：所述永磁体（10）为钐钴稀土永磁体（10）。

5.根据权利要求1所述的永磁无刷大力矩电机，其特征在于：所述换相器组件采用磁敏式换相器。

6.根据权利要求1所述的永磁无刷大力矩电机，其特征在于：所述换相器组件采用霍尔换相器（7）。