CN111285025A - 伺服直驱电动滚筒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伺服直驱电动滚筒，包括滚筒外壳、滚筒轴、信号线、永磁无刷直流电机和电感式编码器，电感式编码器包括转动模块和定子模块，转动模块随滚筒外壳一起旋转，与定子模块相互作用得到接收信号，经处理芯片计算后得到高精度位置信号，并传输到电机控制系统，从而精准地控制永磁无刷直流电机启停、速度控制及功率密度监控等。本发明所述伺服直驱电动滚筒具备了结构紧凑、重量轻、位置精度高和扭矩大等诸多优点，并且由于电感式位置编码器采用非接触式感应原理，适合在各种恶劣环境条件下工作，包括潮湿、泥泞、粉尘多的工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及滚筒领域，具体的，涉及一种伺服直驱电动滚筒。
背景技术
随着国民经济的飞速发展和电动滚筒技术水平的不断提高，电动滚筒作为驱动单元应用在斗式提升机上，作为主动辊子应用在带式输送机上，输送各种散状、件状物品。电动滚筒是一种将电机放置于滚筒体内部的新式驱动设备。它首要应用于固定式和移动式带式输送机、代替传统的电机放置于滚筒体之外的分离式驱动设备。电动滚筒作为一种非常重要的工业设备，需要达到多方面的要求，如：1)结构紧凑；2)重量轻；3)扭矩大；4)位置精度高。
目前，市场中较为常见的电动滚筒分为两大类：直流无刷直驱电动滚筒和直流伺服直驱电动滚筒，其特征如下：
直流无刷直驱电动滚筒内部采用霍尔型无刷外转子永磁电机，此类电动滚筒结构简单，重量轻，但是由于没有高精度位置信号反馈，无法保证系统效率，容易导致扭力的浪费，此类电动滚筒只能应用于低端场合，并被市场逐渐淘汰；
直流伺服直驱电动滚筒内部采用旋变伺服外转子永磁电机，此类电动滚筒由于装备了旋转变压器，可以得到高精度位置反馈，提高了电机效率，扭矩大，但是由于旋转变压器本身结构复杂，重量大，增加了电动滚筒内部结构的复杂性，增大了电动滚筒的体积，是目前电动滚筒领域无法解决的一个问题。
因此，需要在现有直流伺服职权电动滚筒的基础上重新设计一种新型伺服直驱电动滚筒来满足结构简单、重量轻、扭矩大且位置精度高的要求。
申请号为201910985357.2的发明专利公开了一种半直驱行星电动滚筒，包括筒体、左支座和右支座，筒体两端分别设有左支座和右支座，筒体内设有三相永磁电动机，三相永磁电动机通过齿轮与行星齿轮传动减速机连接，行星齿轮传动减速机与筒体通过齿轮和齿轮轴连接。本发明设计严谨、合理，是利用三相永磁电动机配合行星齿轮传动减速机的新型电动滚筒，可以有效提高齿轮箱的使用寿命。半直驱行星电动滚筒可以做到55KW以上的超大功率，有承载能力强、耐用的优点。但是上述专利结构复杂，重量大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种伺服直驱电动滚筒。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种伺服直驱电动滚筒，包括滚筒外壳、滚筒轴以及信号线，其中；
滚筒外壳两端盖内侧壁分别设置有轴承，分别套设在滚筒轴两端；信号线设置在滚筒轴上；
滚筒外壳内设置有永磁无刷直流电机，永磁无刷直流电机包括定子绕组和永久磁钢，定子绕组通过过盈配合固定在滚筒轴上，定子绕组的三相电流线通过信号线与外部连接；
永久磁钢正对定子绕组，永久磁钢均匀排布在滚筒外壳的内壁侧表面或者嵌入滚筒外壳内壁，永久磁钢的NS极性交替分布；
滚筒外壳内设置有电感式编码器，电感式编码器包括转动模块和定子模块。
优选地，所述转动模块包括第一印刷电路板，第一印刷电路板沿圆周方向上印制有多个周期性重复的导电材料刻度区；第一印刷电路板上有多个定位孔，通过螺丝固定在滚筒外壳一端端盖内侧壁上；
优选地，所述定子模块包括第二印刷电路板，第二印刷电路板上沿圆周方向印制有激励线圈和接收线圈，分别接入一处理芯片，所述处理芯片的电源、地及输出信号通过第二印刷电路板连接到信号线上；激励线圈、接收线圈与第一印刷电路板上的导电材料刻度区在垂直方向上重叠。
优选地，第二印刷电路板通过第二印刷电路板上的槽和滚筒轴上的键固定在滚筒轴的轴肩上。
优选地，所述转动模块包括一个金属块，金属块上设置有底座和多个叶片，金属块的底座部分通过过盈配合固定在滚筒外壳和滚筒轴中间。
优选地，所述转动模块包括永久磁钢。
优选地，所述定子模块贴合在滚筒轴上。
优选地，所述转动模块包括金属件，金属件沿滚筒外壳的内壁侧表面均匀排布多个金属块，相邻两个金属块之间存在空隙。
与传统电动滚筒相比，本发明所述电动滚筒具有如下优点：
1、本发明结构紧凑，无多余机械结构和零部件；
2、重量轻，本发明所采用电感式位置编码器的重量相较旋转变压器轻；
3、位置精度高；
4、本发明能够更好的控制电机，保证扭矩效率；
5、本发明适合在各种恶劣环境条件下工作，包括潮湿、泥泞、粉尘多的工作环境。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为伺服直驱电动滚筒外观示意图；
图2为伺服直驱电动滚筒实施例一外观剖面图；
图3为伺服直驱电动滚筒实施例一电感式编码器转动模块一安装示意图；
图4为伺服直驱电动滚筒实施例一电感式编码器定子模块安装示意图；
图5为伺服直驱电动滚筒实施例一电感式编码器转动模块二剖面示意图；
图6为伺服直驱电动滚筒实施例一电感式编码器转动模块二安装示意图；
图7为伺服直驱电动滚筒实施例二外观剖面图；
图8和图9为伺服直驱电动滚筒实施例二电感式编码器剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。
实施例一
如图1、图2、图3和图4所示，根据本发明提供的一种伺服直驱电动滚筒，包括：
滚筒外壳1、滚筒轴2和信号线3，滚筒外壳1两端盖内侧壁分别设置有轴承4和轴承5，这样保证了与滚筒轴2的可转动连接，同时减小滚筒外壳1在转动过程中与滚筒轴2之间的摩擦损耗；
电动滚筒内置了一台永磁直流无刷电机，包括定子绕组6和永久磁钢7，其中：
永磁直流无刷电机的定子绕组6通过过盈配合固定在滚筒轴2上，定子绕组6的三相电流线通过信号线3与外部连接；永久磁钢7正对定子绕组6，且永久磁钢7沿滚筒外壳1的内壁侧表面(或嵌入滚筒外壳内壁)均匀排布，NS极性交替分布；
电动滚筒内置了一个电感式位置编码器，包括定子模块和转动模块，其中：
转动模块为一块印刷电路板8，印刷电路板8沿圆周方向上印制有多个周期性重复的导电材料刻度区9。印刷电路板8上有多个定位孔10，通过螺丝11固定在滚筒外壳1一端端盖内侧壁上；
定子模块为一块印刷电路板12，印刷电路板12上沿圆周方向印制有激励线圈13及接收线圈14，分别接入处理芯片15，该处理芯片的电源、地及输出信号通过印刷电路板12连接到信号线3上，同时，激励线圈13、接收线圈14与转动模块印刷电路板8上的导电材料刻度区在垂直方向上重叠；滚筒轴2是一根台阶轴，印刷电路板12通过印刷电路板12上的槽25和滚筒轴2上的键16来固定在滚筒轴2的轴肩17上，这样保证了印刷电路板12不会因为电机抖动或外力影响而发生旋转或沿轴向位移。
图5和图6为伺服直驱电动滚筒实施例一电感式编码器转动模块二的安装方式。
如图5和图6所示，转动模块为一个金属块18，金属块18上有多个叶片19和底座20，金属块18的底座20部分通过过盈配合固定在滚筒外壳1和轴承4中间。
基于上述本发明所述伺服直驱电动滚筒结构，其工作方式如下：
本发明所述伺服电动滚筒通过滚筒轴2固定在传送机构中。系统通过信号线3为永磁直流无刷电机和电感式位置编码器供电后，定子绕组6和永久磁钢7的相互作用带动滚筒外壳1旋转；同时，处理芯片15配合激励线圈13产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在其周边区域内形成交变电磁场。
根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈组件时，由于通过闭合接收线圈组件的磁通量发生交变，在每个扇环形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。
转动模块印刷电路板8上的导电材料刻度区用于影响激励线圈13和接收线圈14之间的耦合关系，当滚筒外壳1旋转时，带动转动模块印刷电路板8一起旋转，激励线圈13的交变电磁场使得转动模块印刷电路板8上的导电材料刻度区产生涡流场，从而削弱激励线圈13的交变电磁场强度。不均匀的电磁场强度将接收线圈14上的感应电动势发生变化。当转动模块印刷电路板8相对定子模块印刷电路板12旋转一圈后，在接收线圈14上分别得到多个周期的接收信号；接收信号输入处理芯片15后，经过计算输出高精度高分辨率的编码信号，并传输到电机控制系统，从而精准地控制电机启停、速度控制及功率密度监控等。
实施例二
如图1、图7和图8所示一种伺服直驱电动滚筒，包括：
滚筒外壳1、滚筒轴2和信号线3，滚筒外壳1两端盖内侧壁分别设置有轴承4和轴承5，这样保证了与滚筒轴2的可转动连接，同时减小滚筒外壳1在转动过程中与滚筒轴2之间的摩擦损耗；
电动滚筒内置了一台永磁直流无刷电机，包括定子绕组6和永久磁钢7，其中：
永磁直流无刷电机的定子绕组6通过过盈配合固定在滚筒轴2上，定子绕组6的三相电流线通过信号线3与外部连接；永久磁钢7正对定子绕组6，且永久磁钢7沿滚筒外壳1的内壁侧表面(或嵌入滚筒外壳内壁)均匀排布，NS极性交替分布；
电动滚筒内置了一个电感式位置编码器，包括定子模块和转动模块，其中：
转动模块为永久磁钢7；
定子模块为一块柔性印刷电路板21，柔性印刷电路板21上沿圆周方向印制有激励线圈22及接收线圈23，分别接入处理芯片15，该处理芯片的电源、地及输出信号通过印刷电路板21连接到信号线3上，同时，激励线圈22、接收线圈23与永久磁钢7上的导电材料刻度区在垂直方向上重叠；柔性印刷电路板21贴合在滚筒轴2上。
滚筒轴2为台阶轴，滚筒轴2上设置有键和轴肩。定子模块印刷电路板通过滚筒轴上的键固定在滚筒轴的轴肩上，这样保证了定子模块印刷电路板不会因为电机抖动或外力影响而发生旋转或沿轴向位移。
图9为伺服直驱电动滚筒实施例二电感式编码器的另一种结构示意图。
如图9所示，动滚筒内置了一个电感式位置编码器，包括定子模块和转动模块，其中：
转动模块为金属件24，金属件24沿滚筒外壳1的内壁侧表面均匀排布多个金属块，相邻两个金属块之间存在一定的空隙；
定子模块为一块柔性印刷电路板21，柔性印刷电路板21上沿圆周方向印制有激励线圈22及接收线圈23，分别接入处理芯片15，该处理芯片的电源、地及输出信号通过印刷电路板21连接到信号线3上，同时，激励线圈22、接收线圈23与永久磁钢7上的导电材料刻度区在垂直方向上重叠；柔性印刷电路板21贴合在滚筒轴2上。
基于上述本发明外转子直驱电机实例二结构，其工作方式如下：
本发明所述伺服电动滚筒通过滚筒轴2固定在传送机构中。系统通过信号线3为永磁直流无刷电机和电感式位置编码器供电后，定子绕组6和永久磁钢7的相互作用带动滚筒外壳1旋转；同时，处理芯片15配合激励线圈22产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在其周边区域内形成交变电磁场。
根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈组件时，由于通过闭合接收线圈组件的磁通量发生交变，在每个扇环形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。
永久磁钢7影响激励线圈22和接收线圈23之间的耦合关系，当永久磁钢7旋转时，永久磁钢7上的NS极削弱激励线圈13的交变电磁场强度。不均匀的电磁场强度将接收线圈23上的感应电动势发生变化。当永久磁钢7相对定子模块柔性印刷电路板21旋转一圈后，在接收线圈23上分别得到多个周期的接收信号；接收信号输入处理芯片15后，经过计算输出高精度高分辨率的编码信号，并传输到电机控制系统，从而精准地控制电机启停、速度控制及功率密度监控等。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种伺服直驱电动滚筒，其特征在于，包括滚筒外壳、滚筒轴以及信号线，其中；
滚筒外壳两端盖内侧壁分别设置有轴承，分别套设在滚筒轴两端；信号线设置在滚筒轴上；
滚筒外壳内设置有永磁无刷直流电机，永磁无刷直流电机包括定子绕组和永久磁钢，定子绕组通过过盈配合固定在滚筒轴上，定子绕组的三相电流线通过信号线与外部连接；
永久磁钢正对定子绕组，永久磁钢均匀排布在滚筒外壳的内壁侧表面或者嵌入滚筒外壳内壁，永久磁钢的NS极性交替分布；
滚筒外壳内设置有电感式编码器，电感式编码器包括转动模块和定子模块。
2.根据权利要求1所述的伺服直驱电动滚筒，其特征在于，所述转动模块包括第一印刷电路板，第一印刷电路板沿圆周方向上印制有多个周期性重复的导电材料刻度区；第一印刷电路板上有多个定位孔，通过螺丝固定在滚筒外壳一端端盖内侧壁上。
3.根据权利要求2所述的伺服直驱电动滚筒，其特征在于，所述定子模块包括第二印刷电路板，第二印刷电路板上沿圆周方向印制有激励线圈和接收线圈，分别接入一处理芯片，所述处理芯片的电源、地及输出信号通过第二印刷电路板连接到信号线上；激励线圈、接收线圈与第一印刷电路板上的导电材料刻度区在垂直方向上重叠。
4.根据权利要求3所述的伺服直驱电动滚筒，其特征在于，第二印刷电路板通过第二印刷电路板上的槽和滚筒轴上的键固定在滚筒轴的轴肩上。
5.根据权利要求1所述的伺服直驱电动滚筒，其特征在于，所述转动模块包括一个金属块，金属块上设置有底座和多个叶片，金属块的底座部分通过过盈配合固定在滚筒外壳和滚筒轴中间。
6.根据权利要求1所述的伺服直驱电动滚筒，其特征在于，所述转动模块包括永久磁钢。
7.根据权利要求1所述的伺服直驱电动滚筒，其特征在于，所述定子模块贴合在滚筒轴上。
8.根据权利要求1所述的伺服直驱电动滚筒，其特征在于，所述转动模块包括金属件，金属件沿滚筒外壳的内壁侧表面均匀排布多个金属块，相邻两个金属块之间存在空隙。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200616 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |