CN107919748B - 一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，包括壳体，贯穿驱动轴，电刷，以及与电刷接触连接的设置在驱动轴上的换向器；所述驱动轴位于壳体内部的中部段上固定套设有由多片硅钢片叠加组成的转子主体，所述转子主体上设置有由多个绕组组成的绕组群，所述绕组群的任何一层绕组以驱动轴为圆心的外圆周靠近壳体内壁处均设置有对应的永磁体组。本发明通过对应增加多组绕组和永磁体，能够在相同电压供应的条件下增强磁场，从而增大扭矩；进一步地，由于沿驱动轴方向交错设置多层绕组能够避免磁力驱动力间隙死角的问题，扭矩输出更加线性和稳定。

Description

一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达

技术领域

本发明涉及电动机领域，尤其涉及一种小体积，高扭矩的直流驱动马达，具体的说，是一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反复使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。

现有的无人机根据升力产生方式不同可以分为固定翼无人机和旋翼无人机，根据旋翼的多少可以分为单旋翼无人机和多旋翼无人机。无人机旋翼的大小和数量直接影响着无人机的升力大小和稳定性。单旋翼无人机通常具有较大的桨叶，能够产生较大的气动升力，比较容易控制，但是单旋翼的桨叶较长在飞行过程中需要较大力矩的马达驱动。现有的马达通常是采用单层级绕组线圈和单层级永磁体或者绕组定子构成，在相同绕组角度布局的情况下始终存在电磁驱动力死角，在低转速时输出的扭矩不够线性，同时提供的扭矩不够大，不能满足单旋翼，大翼面的螺旋桨无人机，克服这种缺陷的最好方式就是更换更大扭矩和转速的马达，但是这种方式又会明显的增加驱动机构的重量，减少无人机的有效载重和机动性，鉴于此，需要一种高扭矩马达，同时不会明显增加马达重量和体积。

现有技术1：中国发明专利，申请号为201320476902.3，授权公告号为CN203377688U，公开了一种高扭矩空心杯马达，具体提供了一种牢固度好，力矩稳定性高，能够提高空心杯电机的力矩，能够缩短空心杯电机的起动反应时间的一种高扭矩空心杯马达。包括：空心杯马达本体，所述空心杯马达本体包括空心杯以及设在空心杯内的内磁钢，还包括横截面呈圆环形的外磁钢，并且空心杯布置在外磁钢的内孔内，外磁钢的N极与内磁钢的S极设置在空心杯的同一端。空心杯马达的线圈在切割磁感的过程中将会受到比目前空心杯马达大一倍左右的力矩，从而提高了扭矩，这样不仅能够提高磁场的密度，还可以减短磁场气隙和磁场回路，因此可以大幅提高空心杯电机的力矩，能够大大缩短空心杯电机的起动反应时间。

现有技术2：中国发明专利，申请号为201620834035.X，授权公告号为CN205876594U，公开了一种高扭矩液压马达，具体公开了包括外壳，所述外壳包括前盖、后盖、设置在后盖底端的制动缸体以及设置在制动缸体底端的制动端盖，所述制动缸体内设有与其内壁滑动配合的制动活塞，它还包括输出轴和设置在外壳内的制动轴，所述输出轴的一端伸入前盖内，且所述输出轴的底端与制动轴的顶端连接，所述输出轴的底端与制动轴的顶端外壁上安装有一转子总成，所述前盖的底端与后盖的顶端之间通过螺钉连接的方式安装有一延长轴，所述后盖上设有进油孔，所述制动轴的顶端外壁上套有配油轴，所述制动轴的底端外壁上安装有摩擦片组件。该发明具有增大工作扭矩的优点。

上述两个现有技术均具有增大扭矩的作用，但采用的技术方案与本发明专利申请均不相同，且并不能很好的应用于无人机领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，用于解决背景技术中所述的现有的无人机马达多半利用高转速进行驱动，对于部分单旋翼无人机需要较大的的扭矩的马达匹配时，往往存在马达扭矩不足的问题；尤其是对于大翼面的旋翼无人机的驱动马达而言，对于扭矩提出来更高的要求。现有的高转速马达无法满足尤其是经过改装后的单旋翼无人机的扭矩需求。由此对于高负载的无人机改装造成了较大的限制。如果采用更大型号的马达则会影响无人机的重量，甚至因为电池电压不匹配导致更换电池会进一步的增大无人机本身重量，减少有效载重。

本发明在现有的马达构造基础上，通过设置多层的永磁体定子和与定子匹配的转子绕组线圈，能够在不明显增加马达重量的情况下增加马达的有效扭矩，以满足单旋翼或者大翼面旋翼无人机对于马达扭矩的需求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，包括呈圆柱体状的壳体，贯穿所述壳体上下两个底面圆心的驱动轴，所述驱动轴分别通过第一轴承和第二轴承与壳体的上下两个底面滚动连接，所述壳体上设置有电刷，以及与电刷接触连接的设置在驱动轴上的换向器；所述驱动轴位于壳体内部的中部段上固定套设有由多片硅钢片叠加组成的转子主体，所述转子主体上设置有由多个绕组组成的绕组群，且所述绕组群的横截面是以驱动轴为圆心设置的三层绕组，纵截面具有平行于驱动轴的对称分布在驱动轴两侧的三层绕组且以驱动轴为原点由内向外的第二层绕组和第三层绕组沿驱动轴的长度方向设置有两层；

所述绕组群的任何一层绕组在以驱动轴为圆心的外圆周靠近壳体内壁处均设置有对应的永磁体组。

为了更好的实现本发明，优选地，所述绕组群由相互平行安装在转子主体上的第一绕组A、第一绕组B、第二绕组A、第二绕组B和第三绕组组成；所述第一绕组A与第一绕组B相对于驱动轴的径向距离相同，数量相等且相互对应安装，任一对应的第一绕组A和第一绕组B沿驱动轴轴线方向的距离L=1/2第一绕组A的长度；第二绕组A与第二绕组B的安装位置分别与第一绕组A和第一绕组B在相同横截面位置；所述第三绕组沿驱动轴的轴线方向的中点与L中点位于同一横截面且第三绕组的长度大于L的长度。

为了更好的实现本发明，优选地，所述绕组群以所述驱动轴为原点由内到外依次为第三绕组，第二绕组A和第二绕组B，以及第一绕组A和第一绕组B；或者第二绕组A和第二绕组B，第一绕组A和第一绕组B以及第三绕组。

为了更好的实现本发明，优选地，所述永磁体组由第一永磁体、第二永磁体A和第二永磁体B组成；所述第一永磁体的横向水平安装位置与第三绕组相适应；所述第二永磁体A的横向水平安装位置分别与第二绕组A和第一绕组A相适应；所述第二永磁体B的横向水平安装位置分别与第二绕组B和第一绕组B相适应。

为了更好的实现本发明，优选地，所述转子主体的上下两端面均设置有用于容纳第三绕组的凹槽，多数上下对应凹槽的底面之间的直线距离大于L。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过对应增加多组绕组和永磁体，能够在相同电压供应的条件下增强磁场，从而增大扭矩；进一步地，由于沿驱动轴方向交错设置多层绕组能够避免磁力驱动力间隙死角的问题，扭矩输出更加线性和稳定。

（2）本发明在能够在明显增加扭矩的同时只是微弱的增加重量和体积，满足了单旋翼无人机对升力的要求，同时没有造成无人机有效载重和机动性，能够广泛满足对于单旋翼无人机的升力改装设计，利于无人机的新设计和新改装，为多用途单旋翼无人机的革新创造了条件。

附图说明

图1为本发明的纵向剖视结构示意图；

图2为图1中沿剖切标记A-A的剖视结构示意图；

其中1-驱动轴；2-第一轴承；3-第二绕组A；4-第一绕组A；5-硅钢片；6-第二永磁体A；7-第一永磁体；8-第二永磁体B；9-第一绕组B；10-第二绕组B；11-第三绕组；12-第二轴承；13-凹槽；14-壳体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1-2所示，一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，包括呈圆柱体状的壳体14，贯穿所述壳体14上下两个底面圆心的驱动轴1，所述驱动轴1分别通过第一轴承2和第二轴承12与壳体14的上下两个底面滚动连接，所述壳体14上设置有电刷，以及与电刷接触连接的设置在驱动轴1上的换向器；所述驱动轴1位于壳体14内部的中部段上固定套设有由多片硅钢片5叠加组成的转子主体，所述转子主体上设置有由多个绕组组成的绕组群，且所述绕组群的横截面是以驱动轴1为圆心设置的三层绕组，纵截面具有平行于驱动轴1的对称分布在驱动轴1两侧的三层绕组且以驱动轴1为原点由内向外的第二层绕组和第三层绕组沿驱动轴1的长度方向设置有两层；

所述绕组群的任何一层绕组在以驱动轴1为圆心的外圆周靠近壳体14内壁处均设置有对应的永磁体组。

工作原理：

首先，对于本发明的具体实施方式进行原理说明之前，将本实施例中的部分现有技术进行适当的解释和说明。

关于电刷、换向器的安装位置，方式可以根据本领域普通技术人员能够想到的多种方式进行，且本案的改进点也并非在此，故而本实施例重点对有利于扭矩提高的改进点进行说明，部分电刷、换向器等结构未在附图中示出，但这对于本领域技术人来说是公知的，并不会导致本案公开不充分，不清楚的问题，特此说明。

根据洛伦磁力可以得知：洛伦兹力f=qvB(磁场是匀强磁场，v与B方向垂直），式中q、v分别是点电荷的电量和速度；B是点电荷所在处的磁感应强度；由此可知洛伦磁力的大小与磁感应强度成正比，洛伦磁力越大，转子获得的转矩力也就越大，输出的力矩越大，能够满足阻力大的单旋翼或者大翼面的宽旋翼。

从微观的角度分析，洛伦磁力F=q(E+v×B）其中，F是洛伦兹力，q是带电粒子的电荷量，E是电场强度，v是带电粒子的速度，B是磁感应强度。洛伦磁力F与磁感应强度B依然成正相关，因此，只要能过提高磁感应强度B就能增大扭矩驱动力，以实现提高扭矩的作用。

本实施例中，采用多层设置的绕组与磁体组的交错设置能够规避相邻两个绕组周期之间的磁力死角，能够使扭矩输出更加流畅和线性。

实施例2：

为了更好的实现本发明，进一步结合附图1-2所示，本实施例中，所述绕组群由相互平行安装在转子主体上的第一绕组A4、第一绕组B9、第二绕组A3、第二绕组B10和第三绕组11组成；所述第一绕组A4与第一绕组B9相对于驱动轴1的径向距离相同，数量相等且相互对应安装，任一对应的第一绕组A4和第一绕组B9沿驱动轴1轴线方向的距离L=1/2第一绕组A4的长度；第二绕组A3与第二绕组B10的安装位置分别与第一绕组A4和第一绕组B9在相同横截面位置；所述第三绕组11沿驱动轴1的轴线方向的中点与L中点位于同一横截面且第三绕组11的长度大于L的长度。

为了更好的实现本发明，优选地，所述绕组群以所述驱动轴1为原点由内到外依次为第三绕组11，第二绕组A3和第二绕组B10，以及第一绕组A4和第一绕组B9；或者第二绕组A3和第二绕组B10，第一绕组A4和第一绕组B9以及第三绕组11。

为了更好的实现本发明，优选地，所述永磁体组由第一永磁体7、第二永磁体A6和第二永磁体B8组成；所述第一永磁体7的横向水平安装位置与第三绕组11相适应；所述第二永磁体A6的横向水平安装位置分别与第二绕组A3和第一绕组A4相适应；所述第二永磁体B8的横向水平安装位置分别与第二绕组B10和第一绕组B9相适应。

为了更好的实现本发明，优选地，所述转子主体的上下两端面均设置有用于容纳第三绕组11的凹槽13，多数上下对应凹槽13的底面之间的直线距离大于L。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，包括呈圆柱体状的壳体（14），贯穿所述壳体（14）上下两个底面圆心的驱动轴（1），所述驱动轴（1）分别通过第一轴承（2）和第二轴承（12）与壳体（14）的上下两个底面滚动连接，所述壳体（14）上设置有电刷，以及与电刷接触连接的设置在驱动轴（1）上的换向器；其特征在于：

所述驱动轴（1）位于壳体（14）内部的中部段上固定套设有由多片硅钢片（5）叠加组成的转子主体，所述转子主体上设置有由多个绕组组成的绕组群，且所述绕组群的横截面是以驱动轴（1）为圆心设置的三层绕组，纵截面具有平行于驱动轴（1）的对称分布在驱动轴（1）两侧的三层绕组且以驱动轴（1）为原点由内向外的第二层绕组和第三层绕组沿驱动轴（1）的长度方向设置有两层；

任何一层绕组沿以驱动轴（1）为轴心的外圆周、在靠近壳体（14）内壁处均设置有对应的永磁体组。

2.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，其特征在于：所述绕组群由相互平行安装在转子主体上的第一绕组A（4）、第一绕组B（9）、第二绕组A（3）、第二绕组B（10）和第三绕组（11）组成；所述第一绕组A（4）与第一绕组B（9）相对于驱动轴（1）的径向距离相同，数量相等且相互对应安装，任一对应的第一绕组A（4）和第一绕组B（9）沿驱动轴（1）轴线方向的距离L=1/2第一绕组A（4）的长度；第二绕组A（3）与第二绕组B（10）的安装位置分别与第一绕组A（4）和第一绕组B（9）在相同横截面位置；所述第三绕组（11）沿驱动轴（1）的轴线方向的中点与L中点位于同一横截面且第三绕组（11）的长度大于L的长度。

3.根据权利要求2所述的一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，其特征在于：所述绕组群以所述驱动轴（1）为原点由内到外依次为第三绕组（11），第二绕组A（3）和第二绕组B（10），以及第一绕组A（4）和第一绕组B（9）；或者第二绕组A（3）和第二绕组B（10），第一绕组A（4）和第一绕组B（9）以及第三绕组（11）。

4.根据权利要求3所述的一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，其特征在于：所述永磁体组由第一永磁体（7）、第二永磁体A（6）和第二永磁体B（8）组成；所述第一永磁体（7）的横向水平安装位置与第三绕组（11）的横向水平安装位置对应；所述第二永磁体A（6）的横向水平安装位置分别与第二绕组A（3）和第一绕组A（4）的横向水平安装位置对应；所述第二永磁体B（8）的横向水平安装位置分别与第二绕组B（10）和第一绕组B（9）的横向水平安装位置对应。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种用于多旋翼无人机的高扭矩马达，其特征在于：所述转子主体的上下两端面均设置有用于容纳第三绕组（11）的凹槽（13），多数上下对应凹槽（13）的底面之间的直线距离大于L。