CN111194517A - 具有集成制动器的电动马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动马达，该电动马达包括：具有至少一个电磁体的第一元件；能够相对于第一元件围绕轴线旋转的第二元件，该第二元件包括至少一个永磁体，其中电动马达被布置成通过向第二元件施加旋转磁场来生成转矩；以及摩擦构件，该摩擦构件联接到第一元件以使得摩擦构件不能相对于第一元件围绕轴线旋转，该摩擦构件包括磁敏材料并且被第一偏置力朝向第二元件偏置，其中第一元件、第二元件和摩擦构件被配置为使得：当电磁体未通电时，第一偏置力致使摩擦构件接触第二元件以生成制动转矩。

Description

具有集成制动器的电动马达

技术领域

本发明涉及具有集成制动器的电动马达。

背景技术

电动马达通常用于包括机器人臂的许多致动器应用。在一些情况下，要求在电动马达不被驱动时，其应当保持静止以使得电动马达的驱动轴不能通过外部转矩自由旋转。

用于防止电动马达的移动的现有系统倾向于包括与马达分开定位的制动器布置，其可能增加整个布置所需的零件数量和空间。改善的马达和制动器布置是期望的。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种电动马达，其包括任何或所有的以下特征：具有至少一个电磁体的第一元件；能够相对于第一元件围绕轴线旋转的第二元件，该第二元件包括至少一个永磁体，其中电动马达被布置成通过向第二元件施加旋转磁场来生成转矩；以及摩擦构件，该摩擦构件联接到第一元件以使得摩擦构件不能相对于第一元件围绕轴线旋转，摩擦构件包括磁敏材料并且被第一偏置力朝向第二元件偏置，其中第一元件、第二元件和摩擦构件被配置为使得：当电磁体未通电时，第一偏置力致使摩擦构件接触第二元件以生成制动转矩，并且当电磁体通电时，摩擦构件被电磁体所生成的第二偏置力偏置，使得减小制动转矩。

通过这种布置，本发明提供了更加紧凑的电动马达和制动系统，因为摩擦构件可以直接作用在电动马达的元件上，而不需要单独的制动器结构。

制动系统可以在电磁体未通电时防止第二元件相对于第一元件的自由旋转，和/或可以在电磁体通电时不在摩擦构件和第二元件之间提供制动转矩。

第一元件可以是电动马达的定子并且第二元件可以是电动马达的转子。

至少一个永磁体可以吸引摩擦构件以使得摩擦构件朝向第二元件偏置。通过这种布置，电动马达的永磁体具有提供电动马达的驱动转矩以及还致动摩擦构件的双重目的。因此，可以减少所需的永磁体的数量，从而导致更轻型和紧凑的布置。

电动马达还可以包括第三元件，该第三元件相对于第一元件固定，并且该第三元件设置在第二元件的与第一元件相对的一侧上，第二元件具有被布置成生成旋转磁场的另外电磁体。因此，提供了用于驱动第二元件以便产生电动马达的驱动转矩，以及还提供用于将摩擦构件与第二元件分开的电磁体的完整布置。通过使用单独电磁体以提供驱动转矩和吸引摩擦构件，在马达生成驱动转矩时，摩擦构件可以更可靠地保持在其与第二元件分开的位置。

摩擦构件可以附接到第一元件，并且当电磁体未通电时，摩擦构件可以变形以使得摩擦构件接触第二元件。因此，摩擦构件可以在第一部分处弹性地保持在适当的位置，而摩擦构件的第二部分移动成进行和脱离与第二元件的接触。

摩擦构件可以在摩擦构件的第一部分处相对于第一元件固定地安装，并且可以包括在远离第一部分的方向上延伸的细长空隙。当摩擦构件在生成制动转矩的位置与生成较小或零制动转矩的位置之间转变时，细长空隙可以允许摩擦构件在波前的远离第一部分的传播期间扩展。细长空隙还可以充当第一元件的径向对准磁极之间的磁通限制器。这可以减小使摩擦构件移动远离第二元件所需的能量。

由于定子柱可以是圆周的，因此径向伸长的细长空隙不应当显著限制来自次级定子的磁通。

细长空隙朝向摩擦构件的第二可移动部分延伸，该第二可移动部分可通过偏置力朝向第二元件移动。

电动马达还可以包括布置在摩擦构件和第二元件之间的剥离垫片，该剥离垫片被布置成将摩擦构件的一部分与第二元件分开。剥离垫片可以有效地减小将摩擦构件与第二构件分开所需的力，并且因此减小要求施加到电磁体以便使摩擦构件从第二元件脱离的电流或功率的量。

剥离垫片可以表现出围绕电动马达的轴线的旋转对称性。通过这种布置，摩擦构件可以接触第二元件以均匀地分配引起制动转矩的摩擦。

剥离垫片可以具有渐缩部分。渐缩部分可以允许摩擦构件以波状方式与第二元件分开，由此进一步减小电磁体使摩擦构件从第二元件脱离所需的功率。

在电动马达是轴向磁通马达的情况下，剥离垫片可以是基本上盘形或扇形的，任选地是具有渐缩径向外部区域的盘形或扇形。

在电动马达是径向磁通马达的情况下，剥离垫片可以具有套筒或弯曲片材的形式，任选地在剥离垫片的轴向端处具有渐缩区域的套筒或弯曲片材。

剥离垫片的渐缩部分可以渐缩到小于5°的角度。这可以进一步改善电磁体将摩擦构件与第二元件分开所需的功率量。

第一元件可以包括多个同心绕组，绕组被布置成使得第一绕组中的电流的方向与径向邻近第一绕组的至少一个第二绕组中的电流的方向相反。通过这种布置，第一元件可以生成更均匀的电磁场以吸引摩擦构件，并且磁场可以在较小程度上影响第二元件。

第一元件可以包括设置在同心绕组之间的多个同心柱，柱的极性在径向上交替。通过这种布置，可以针对给定电流使磁场更强，从而改善马达的效率。

第一元件可以包括用于接收绕组的径向狭槽。通过这种布置，绕组可以紧凑地布置在第一元件内，从而给出更紧凑的整体布置。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施方案，其中：

图1示出了根据本发明的轴向磁通电动马达的半截面，其中正在生成制动转矩；

图2示出了根据本发明的轴向磁通电动马达的半截面，其中未正在生成制动转矩；

图3示出了剥离垫片的扇区；

图4示出了次级定子的示意性平面图；

图5示出了摩擦构件的扇区的平面图；

图6示出了根据本发明的径向磁通电动马达的半截面，其中正在生成制动转矩；并且

图7示出了根据本发明的径向磁通电动马达的半截面，其中未正在生成制动转矩。

具体实施方式

图1和图2示出了包括本发明的特征的轴向磁通电动马达的实施方案的半截面。电动马达10通过使转子14围绕轴线A旋转来进行操作。马达10通过用位于初级定子12中的电磁体18提供旋转磁场来生成驱动转矩，该初级定子可以被认为是驱动定子。旋转磁场与位于转子14内的永磁体20相互作用以便生成围绕轴线A的转矩。这通常称为轴向磁通马达。轴向磁通马达的许多布置是已知的，并且技术人员将熟悉此类布置。为了描述的效率，这里没有详细地描述轴向磁通马达布置的复杂细节，但本领域技术人员将意识到此类布置以及如何实现它们。例如在WO2017/197497Al中描述了示例，该专利申请的内容通过引用并入本文。

在图1所示的布置中，通过摩擦构件26撞击在转子14上来生成制动转矩。这是由永磁体20与摩擦构件26之间的吸引引起的，该吸引是由于摩擦构件26由磁敏材料(诸如铁质材料)形成。然而，还可以设想，摩擦构件26可以通过由其他装置(诸如弹簧)生成的偏置力或者通过摩擦构件26的弹性变形而朝向转子14偏置。

如图2所示，通过使用次级定子16向摩擦构件26施加磁场，可以将摩擦构件26与转子14分开，该次级定子包括电磁体15并且可以被认为是制动器定子。次级定子16的电磁体15可以包括位于狭槽22中的多个绕组和多个定子柱24。次级定子16可以刚性地固定到初级定子12。

摩擦构件26可以通过剥离垫片28在其区域的至少一部分上与转子14分开。图1示出了剥离垫片28具有以下效果：当摩擦构件26接触转子14以生成制动转矩时，仅摩擦构件26的外部部分接触转子14。

由于摩擦构件26的一部分接触转子14并远离次级定子16并且摩擦构件26的另一部分与转子14分开并靠近次级定子16，因此当次级定子16的电磁体15最初通电时，摩擦构件26可能以波形方式与转子14分开，其中分开线径向向外移动，并且摩擦构件26的与转子14接触的部分逐渐减小。因此，减小了使摩擦构件26从其接触转子14的位置移动到摩擦构件26不接触转子14的位置所需的力。

图1所示的剥离垫片28是基本上圆形的，并且因此将摩擦构件26的内部圆形部分与转子14分开。由于摩擦构件26的外部部分与转子14接触，因此所生成的摩擦具有围绕轴线A的更大力矩。因此，摩擦构件26的较大部分可以与转子14分开，同时提供足够的制动转矩。通过将摩擦构件26的较大部分与转子14分开，剥离垫片28进一步减小将摩擦构件26与转子14分开所需的能量。

另选地，剥离垫片28可以是环形的，并且可以设置在摩擦构件26的径向外部部分处以便将摩擦构件26的径向外部部分与转子14分开。

在该示例中，剥离垫片28不接触转子14。

在优选的示例中，为了保持摩擦构件28从200mm的转子18脱离而需要的保持电流小于10Amp。

图3示出了剥离垫片28的扇区。尽管在图3中仅示出了剥离垫片28的扇区，但应当理解，剥离垫片28可以被形成为基本上整体的环、盘，或者可以由一个或多个扇区部分(诸如图3所示的一个扇区部分)形成；剥离垫片28可以具有扇形或盘形或环形。剥离垫片28可以具有截头圆锥形，即具有平坦的中心部分和渐缩的径向外部部分30。另选地，剥离垫片28可以具有基本上三角形的截面，并且因此可以形成圆锥形或者可以具有被布置成接触摩擦构件26的弯曲表面。渐缩部分30可以被配置为处于摩擦构件26和转子14之间，并且维持摩擦构件26的第一部分与转子14相距的距离大于摩擦构件26的第二部分与该转子相距的距离。

本领域技术人员将理解，尽管以上将剥离垫片28描述为基本上圆形，但剥离垫片28可以在中心具有圆形腔以用于接收电动马达的驱动轴或初级定子12的部件，并且剥离垫片28可以被形成为环状物。

在剥离垫片28的径向外边缘处，剥离垫片28可以渐缩成点。该点的特征可以在于第一侧面29和第二侧面31的会聚角等于剥离垫片角θ，该剥离垫片角θ是圆锥形或截头圆锥形剥离垫片28的底角。剥离垫片角θ可以优选地小于10°，更优选地小于5°。

剥离垫片28可以在第一部分27处附接到初级定子12和次级定子16，该第一部分可以是剥离垫片28的径向内部部分。

图4示出了次级定子16的平面图。从图4可以看出，次级定子16具有被放置在圆周狭槽22中的多个绕组23a、23b、23c、23d，绕组23a、23b、23c、23d遵循多个同心圆形路径。绕组23a、23b、23c、23d被布置成使得相邻圆周路径之间的电流是反向的。同心圆周路径由具有交替极性的圆周定子柱24a、24b、24c分开。定子柱24a、24b、24c的磁化是由通过绕组23a、23b、23c、23d的电流引起的。

每个第二定子柱24a、24c可以具有相同极性，因为定子柱24a、24b、24c的极性交替。每个第二圆周绕组23a、23c可以具有相同的电流方向，该电流方向与交错绕组23b、23d相反，因为绕组部分23a、23b、23c、23d的电流方向交替。

次级定子16可以由铁质材料(诸如铁)形成。虽然次级定子16可以是基本上盘形的，但交替的定子柱24和狭槽22可以形成为盘中的相应挤出部和凹陷部。

为了使相邻圆周绕组23a、23b、23c、23d可以由相同线材形成，从而需要较低数量的线材，次级定子16可以具有径向狭槽30以用于包含连接相邻同心绕组28的线材。

绕组28和定子柱24的组合作用是形成电磁体15。鉴于先前的附图及其描述，应当理解，电磁体15可以用于吸引摩擦构件26进而远离转子14以减小摩擦构件26与转子14之间的制动转矩，从而允许转子14旋转。

图5示出了摩擦构件26的扇区的平面图。从图5可以看出，摩擦构件可以包括多个径向伸长空隙32。摩擦构件26优选地包括铝青铜以便实现高制动力。

类似于剥离垫片28，摩擦构件26可以由单个部分形成为整体盘，或者可以由一系列扇区部分形成。摩擦构件26可以具有圆形或扇形。

空隙32可以是伸长的，使得它们各自在径向方向上延伸的距离是它们在切线方向上延伸的距离的至少两倍。空隙32可以形成为从摩擦构件26切出的部分。空隙32可以延伸通过摩擦构件26或者可以是仅部分地延伸通过摩擦构件26的凹陷部。通过正确地布置空隙32，可以定制摩擦构件26的刚度。

虽然摩擦构件26和剥离垫片28在上面被描述为平坦且圆形的以用于施加到转子14的面，但其可以被施加到转子14的圆周侧，并且在这种实施方案中，摩擦构件26和/或剥离垫片28可以是弯曲的以便将摩擦均匀地施加到转子的弯曲外侧。

尽管以上公开的实施方案涉及轴向磁通电动马达，但该教导可以类似地应用于径向磁通电动马达。

图6和图7各自示出了包括本发明的特征的径向磁通电动马达的实施方案的半截面。电动马达100通过使基本上圆柱形的转子114围绕轴线B旋转来进行操作。马达100通过用位于初级定子112中的电磁体118提供旋转磁场来生成驱动转矩，该初级定子可以被认为是驱动定子。旋转磁场与位于转子114内的永磁体120相互作用以便生成围绕轴线B的转矩。

在图6所示的布置中，通过摩擦构件126撞击在转子114上来生成制动转矩。这是由永磁体120与摩擦构件126之间的吸引引起的，该吸引是由于摩擦构件126由磁敏材料(诸如铁质材料)形成。然而，还可以设想，摩擦构件126可以通过由其他装置(诸如弹簧)生成的偏置力或者通过摩擦构件126的弹性变形而朝向转子114偏置。

如图7所示，通过使用次级定子116向摩擦构件126施加磁场，可以将摩擦构件126与转子114分开，该次级定子包括电磁体115并且可以被认为是制动器定子。次级定子116的电磁体115可以包括位于狭槽122中的多个绕组和多个定子柱124。次级定子116可以例如经由围绕转子114延伸的壳体(未示出)刚性地固定到初级定子112。

摩擦构件126可以通过剥离垫片128在其区域的至少一部分上与转子114分开。图6示出了剥离垫片128具有以下效果：当摩擦构件126接触转子114以生成制动转矩时，摩擦构件126的仅一部分接触转子114。

由于摩擦构件126的一部分接触转子114并远离次级定子116并且摩擦构件126的另一部分与转子114分开并靠近次级定子116，因此当次级定子116的电磁体115最初通电时，摩擦构件126可能以波形方式与转子114分开，其中分开线在轴线B的方向上轴向移动，并且摩擦构件126的与转子14接触的部分逐渐减小。因此，减小了使摩擦构件126从其接触转子114的位置移动到摩擦构件126不接触转子114的位置所需的力。

图6所示的剥离垫片128可以是基本上环形的，并且因此可以将摩擦构件126的一部分与转子114分开。

剥离垫片128可以是环形的或者可以是形成为环状物的扇区的弯曲片材，并且可以设置在摩擦构件126的轴向部分处，在摩擦构件126附接到初级定子112和/或次级定子116的点附近。

在该示例中，剥离垫片128不接触转子114。

摩擦构件126和剥离垫片128可以适当地采取圆柱形套筒或弯曲片材的形式，以便接触电动马达100的圆柱形转子114。在这种布置中，次级定子116可以径向地设置在摩擦构件126的外部，并且可以具有狭槽122中的圆周绕组和定子柱124，定子柱124的极性沿轴线B的方向轴向交替并且狭槽122内的绕组的电流方向沿轴线B的方向轴向交替。

在径向磁通马达中，摩擦构件126可以具有细长空隙，这些细长空隙是轴向伸长的，使得空隙各自轴向延伸的距离是它们沿圆周延伸的距离的至少两倍。剥离垫片128可以具有渐缩轴向部分，其朝向剥离垫片128的轴向端渐缩。

另外，以上教导也可以应用于其中转子包括电磁体并且定子包括永磁体的马达。在这种示例中，摩擦构件可以例如固定到定子并且通过弹簧朝向转子偏置。另选地，摩擦构件可以固定到转子并且可以朝向定子偏置，转子中的电磁体提供足够的力以使摩擦构件从定子分离以便移动摩擦构件，使得不会生成制动转矩。

在某些非限制性示例中，次级定子16、116可以被认为是电动马达10、100的第一元件。转子14、114可以被认为是电动马达10、100的第二元件，并且初级定子12、112可以被认为是电动马达10、100的第三元件。

另选地，摩擦构件26、126可以固定到初级定子12、112，并且初级定子12、112可以被认为是电动马达10、100的第一元件。

在初级定子12、112可以包括永磁体并且转子14、114可以包括电磁体的情况下，初级定子可以被认为是电动马达10、100的第二元件，并且转子14、114可以被认为是电动马达10、100的第一元件。

尽管上面已经参考一个或多个优选实施方案描述了本发明，但应当理解，在不脱离所附权利要求中限定的本发明范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (14)

1.一种电动马达，包括：

具有至少一个电磁体的第一元件，

第二元件，能够相对于所述第一元件围绕轴线旋转，所述第二元件包括至少一个永磁体，其中所述电动马达被布置成通过向所述第二元件施加旋转磁场来产生转矩，和

摩擦构件，所述摩擦构件耦接到所述第一元件使得所述摩擦构件不能相对于所述第一元件围绕所述轴线旋转，所述摩擦构件包括磁敏材料并且被第一偏置力朝向所述第二元件偏置，

其中所述第一元件、所述第二元件和所述摩擦构件被配置为使得：

当所述电磁体未通电时，所述第一偏置力致使所述摩擦构件接触所述第二元件以生成制动转矩，并且

当所述电磁体通电时，所述摩擦构件被所述电磁体所生成的第二偏置力偏置，使得所述制动转矩被减小。

2.根据权利要求1所述的电动马达，其中所述第一元件是所述电动马达的定子并且所述第二元件是所述电动马达的转子。

3.根据任一项前述权利要求所述的电动马达，其中所述至少一个永磁体生成所述第一偏置力。

4.根据任一项前述权利要求所述的电动马达，还包括第三元件，所述第三元件相对于所述第一元件是固定的，所述第三元件设置在所述第二元件的与所述第一元件相对的一侧上，所述第二元件具有被布置成生成所述旋转磁场的另外的电磁体。

5.根据任一项前述权利要求所述的电动马达，其中所述摩擦构件被配置为使得当所述电磁体未通电时，所述摩擦构件变形以使得所述摩擦构件接触所述第二元件。

6.根据任一项前述权利要求所述的电动马达，其中所述摩擦构件相对于所述第一元件固定地安装在所述摩擦构件的第一部分处，并且包括在远离所述第一部分的方向上延伸的细长空隙。

7.根据权利要求6所述的电动马达，其中所述细长空隙朝向所述摩擦构件的可移动的第二部分延伸，其中可移动的第二部分能够通过所述第一偏置力朝向所述第二元件移动。

8.根据任一项前述权利要求所述的电动马达，还包括布置在所述摩擦构件和所述第二元件之间的剥离垫片，所述剥离垫片被布置成将所述摩擦构件的一部分与所述第二元件分开。

9.根据权利要求8所述的电动马达，其中所述剥离垫片关于所述轴线旋转对称。

10.根据权利要求8或9所述的电动马达，其中所述剥离垫片具有渐缩部分。

11.根据权利要求10所述的电动马达，其中所述剥离垫片在第一部分处安装到所述第一元件，并且所述渐缩部分在远离所述第一部分的方向上逐渐变窄。

12.根据任一项前述权利要求所述的电动马达，其中所述第一元件包括多个同心的绕组，所述绕组被布置成使得第一绕组中的电流的方向与在径向上邻近所述第一绕组的至少一个第二绕组中的电流的方向相反。

13.根据权利要求12所述的电动马达，其中所述第一元件包括设置在所述同心的绕组之间的多个同心的柱，所述柱的极性在径向上交替。

14.根据任一项前述权利要求所述的电动马达，其中所述第一元件包括用于接收绕组的径向狭槽。

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