CN113783320A - 一种定子及包含该定子的伺服电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定子及包含该定子的伺服电机，伺服电机包括电机轴、电机端盖、转子、机壳和定子；电机轴穿过电机端盖、转子和定子，可旋转地连接于机壳底部，电机端盖和机壳限定封闭空间，转子和定子位于其中；转子包括转子轭及附接在其上的多个磁钢，转子固定连接于电机轴，从而连同电机轴一起旋转，每个磁钢整体呈扇面的形状，沿着转子轭的外圆周以一定的间隔均匀分布在转子轭的一侧，转子与定子相邻放置，转子轭的附接有磁钢的一侧朝向定子，从而向定子提供励磁磁场；定子并包括定子印制板和多个定子铁心，在定子印制板上形成多个镂空部分，在其中安装多个定子铁心，定子印制板上设置有印制绕组，通过印制绕组与转子磁场的作用产生转矩。

Description

一种定子及包含该定子的伺服电机

技术领域

本发明涉及伺服驱动系统领域，更具体而言，涉及一种定子及包含该定子的伺服电机。

背景技术

轴向磁通永磁盘式电机由于电机的定子绕组沿径向分布，绕组端部不占用轴向空间，且转子表面积相对于径向励磁电机大，能容纳更多的磁钢，使得电机的轴向长度极大降低。同普通电机相比，轴向磁通电机具有体积小，功率密度大的优点，越来越得到广泛的应用。

相关技术中提出一种印刷电路板无定子铁心电机，其中该电机定子采用印制电路板，转子采用两个转子盘。该电机具有重量轻、体积小、功率密度高的优点，但同时该电机也存在材料成本高的缺陷。

由于该电机采用无铁心定子，因此相比有铁心定子，励磁气隙增大，磁钢用量增多。

提供一种结构简单、体积小，并且磁钢用量少、成本低的轴向磁通永磁盘式电机成为本领域亟待解决的问题。

上述对背景技术的陈述仅是为了方便对本发明技术方案(使用的技术手段、解决的技术问题以及产生的技术效果等方面)的深入理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

有鉴于前述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种伺服电机的定子结构，装配有该定子的电机不仅结构简单、体积小，还具有磁钢用量少、成本低的优点。

本发明的另一个目的是提供一种伺服电机的定子结构，在定子印制板上设置检测元件，如磁传感器、霍尔元件等，利用转子磁钢即可检测转子的转动位置，以对电机进行精确控制，从而无需单独增加一套位置检测设施，减小电机尺寸。

本发明的又一个目的是提供一种包含上述定子的伺服电机。

为达到目的，本发明提供一种伺服电机，其包括电机轴、电机端盖、转子、机壳以及定子；所述电机轴穿过电机端盖、转子和定子，并能够旋转地连接于所述机壳的底部，电机端盖和机壳限定一个封闭空间，所述转子和定子位于所述封闭空间中；所述转子包括转子轭及附接在转子轭上的多个磁钢，所述转子固定地连接于所述电机轴，从而连同电机轴一起旋转，每个磁钢整体呈扇面的形状，沿着转子轭的外圆周以一定的间隔均匀分布在转子轭的一侧，转子与定子相邻放置，其中，转子轭的附接有磁钢的一侧朝向定子，从而向定子提供励磁磁场；所述定子整体呈圆盘形状并包括定子印制板和多个定子铁心，在定子印制板上形成有多个镂空部分，在多个镂空部分中安装所述多个定子铁心，所述定子印制板上设置有一层或多层印制绕组，通过所述印制绕组与转子磁场的作用产生转矩。

优选地，所述电机端盖整体呈圆盘形状；所述机壳整体呈圆柱体形状，其顶部开口、底部封闭，所述电机端盖在机壳的顶部开口处将机壳封闭。

优选地，所述定子包括一个或多个叠压的定子印制板；在定子的两侧圆周附近设有圆环形的连接环，所述连接环的内径小于定子的直径，连接环的外径大于定子的直径，通过所述连接环使得所述定子固定连接至所述机壳内侧。

优选地，所述定子包括一个或多个叠压的定子印制板；在所述机壳的内侧形成凸台，所述定子通过螺纹固定到凸台上，或设置多个固定片，通过所述固定片将所述定子固定在机壳内侧。

优选地，定子印制板包括一体成形的第一圆环部分、第二圆环部分以及多个径向部分，所述第一圆环部分和第二圆环部分的圆心重合，径向部分沿第一圆环部分和第二圆环部分的径向方向连接第一圆环部分和第二圆环部分，第一圆环部分、第二圆环部分以及多个径向部分共同构成所述多个镂空部分，每个镂空部分基本上为扇形形状，所述定子铁心基本上为扇形形状，从而适配于镂空部分中，所述定子铁心的数量与镂空部分的数量相同。

优选地，所述定子印制板的第二圆环部分中设置有连接板，在所述连接板的中心具有连接板孔，电机轴穿过所述连接板孔，在连接板上设置有至少一个位置检测元件，所述位置检测元件用于检测转子的转动位置，以便对转子进行高精度控制。

优选地，所述定子铁心采用冷轧硅钢板叠压而成、采用硅钢板卷绕而成或者采用软磁复合材料压制而成。

优选地，所述转子轭整体呈圆盘形状，转子轭的直径小于定子的直径，在转子轭的中心处具有沿轴向将转子轭贯穿的圆形的转子孔，所述电机轴穿过所述转子孔，所述转子轭的材料为导磁钢，所述磁钢的材料为永磁材料。

优选地，所述电机端盖的直径基本上等于机壳的圆柱体形状的直径，在电机端盖的中心处具有沿轴向将电机端盖贯穿的圆形的端盖孔，电机轴穿过所述端盖孔，在电机端盖的朝向机壳的一侧在圆形的端盖孔的周围具有圆形的凹槽，用于固定地安装端盖轴承。

优选地，在所述机壳的底部具有底板，所述底板将机壳的底部封闭，在底板的朝向电机端盖的一侧的中心处具有圆形的凹槽，用于固定地安装机壳轴承。

优选地，所述伺服电机采用单定子单转子、单定子双转子、双定子单转子或者多定子多转子的组合方式。

优选地，当伺服电机采用单定子单转子或双定子单转子的方式的时候，所述多个定子铁心为彼此独立的方式或者整体形成在一个背板上的形式；当伺服电机采用单定子双转子或多定子多转子的方式的时候，所述多个定子铁心为彼此独立的方式。

本发明还提供一种定子，所述定子整体呈圆盘形状并包括定子印制板和多个定子铁心，在定子印制板上形成有多个镂空部分，在多个镂空部分中安装所述多个定子铁心，所述定子印制板上设置有一层或多层印制绕组，通过所述印制绕组与转子磁场的作用产生转矩，其中，在定子印制板上设置有至少一个位置检测元件，所述位置检测元件用于检测转子的转动位置。

本发明的有益效果为：

1.根据本发明示例性实施方案的伺服电机的上述结构能够有效缩短电机的轴向长度，降低电机成本；

2.根据本发明的伺服电机的上述结构，同相关技术的双盘式转子电机相比，本发明的气隙长度及磁钢用量极大降低。如对于某型号电机，在输出相同的转矩，在磁钢表面积相同的情况下，采用本专利的方法磁钢厚度减少2/3；

3.根据本发明的定子采用印制板代替定子绕组，能够减少定子制造过程中绕组的绕线、浸漆等工序，提高加工效率；

4.根据本发明的定子设置有位置检测元件，其利用转子磁钢即可检测转子的转动位置，以对电机进行精确控制，从而不需单独增加一套位置检测设施，所以能够减小电机尺寸；

5.对于无铁心电机，为了使定子与转子之间的气隙小，必须尽可能少的使用定子印制板，就需要定子印制板中印制6-8层印制绕组，必然造成定子印制板成本增加。而本发明仅需多个普通的具有4层印制绕组的定子印制板叠加，其有效气隙比无铁心电机小，磁钢用量少，且定子印制板成本低。

附图说明

通过下文结合附图所呈现的详细描述将会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其它优点，在这些附图中：

图1为根据本发明示例性实施方案的单定子双转子伺服电机的示意图；

图2A和图2B为图1中示出的单定子双转子伺服电机的分解图；

图3为根据本发明示例性实施方案的单定子双转子伺服电机沿径向方向截开所呈现的截面图；

图4为根据本发明示例性实施方案的转子的示意图；

图5A为根据本发明示例性实施方案的定子的示意图；

图5B为图4中示出的定子的分解图；

图6为根据本发明示例性实施方案的印制绕组的示意图；

图7为根据本发明示例性实施方案的多定子多转子伺服电机的示意图；

图8A为根据本发明示例性实施方案的单定子单转子伺服电机的定子铁心为整体结构示意图；

图8B为图8A中示出的定子的分解图。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件以相同的附图标记标引。

具体实施方式

图1为根据本发明示例性实施方案的单定子双转子伺服电机的示意图；图2A和图2B为图1中示出的单定子双转子伺服电机的分解图；图3为根据本发明示例性实施方案的单定子双转子伺服电机沿径向方向截开所呈现的截面图。

如图1、3中所示，根据本发明示例性实施方案的单定子双转子伺服电机包括电机轴1、电机端盖2、两个转子3、机壳4、定子5。

电机轴1整体呈阶梯型的圆柱体形状，即电机轴1由不同直径的多个圆柱体一体形成，具体而言，电机轴1在轴向的中部具有最大直径的第一部段11，在第一部段11的两侧具有直径小于第一部段11的第二部段12和第三部段13，在第二部段12的外侧具有直径最小的第四部段14，在第三部段13的外侧具有直径最小的第五部段15，其中第二部段12和第三部段13的直径相同，第四部段14和第五部段15的直径根据其所连接的轴承的内径可以相同也可以不同，通常第四部段14的直径大于第五部段15的直径。电机轴1穿过电机端盖2、两个转子3和定子5；其中，第一部段11对应于定子5的位置；第二部段12和第三部段13分别对应于两个转子3的位置；第四部段14对应于电机端盖2的位置，第五部段15对应于机壳4的底部的位置。

如图2A和2B中所示，电机端盖2整体呈圆盘形状，其直径基本上等于机壳4的圆柱体形状的直径，使得电机端盖2可以在机壳4的顶部开口处将其封闭。在电机端盖2的中心处具有沿轴向将其贯穿的圆形的端盖孔21，电机轴1可以穿过该端盖孔21。在电机端盖2的内侧(即，朝向机壳4的一侧)在圆形的端盖孔21的周围具有圆形的凹槽22，用于固定地安装端盖轴承23，电机轴1的第四部段14能够旋转地安装于端盖轴承23。其中，端盖轴承23卡接于第二部段12与第四部段14之间的台阶，从而使得电机端盖2相对于电机轴1的轴向位置固定。

如图3中所示，机壳4整体呈圆柱体形状，其顶部开口，底部封闭，电机端盖2在机壳4的顶部开口处将其封闭，且两者限定一个封闭空间，两个转子3和定子5位于机壳4和电机端盖2限定的封闭空间中。在机壳4的底部具有底板41，该底板41将机壳4的底部封闭。在底板41的内侧(即，朝向电机端盖2的一侧)的中心处具有圆形的凹槽42，用于固定地安装机壳轴承43，电机轴1的第五部段15能够旋转地安装于机壳轴承43。其中，机壳轴承43卡接于第三部段13与第五部段15之间的台阶，从而使得机壳4相对于电机轴1的轴向位置固定。

端盖轴承23和机壳轴承43的内径可以相同也可以不同，通常，端盖轴承23的内径大于机壳轴承43的内径。

图4为根据本发明示例性实施方案的转子的示意图；图5A为根据本发明示例性实施方案的定子的示意图；图5B为图4中示出的定子的分解图；图6为根据本发明示例性实施方案的印制绕组的示意图。

如图4中所示，每个转子3包括转子轭31及粘贴在转子轭31上的多个片状的磁钢32；虽然在本实施方案中是磁钢32粘贴在转子轭31上，但是本发明不限定在此，也可以采取其他附接方式，例如嵌置，喷涂等。转子轭31整体呈圆盘形状，其直径小于定子5的直径。在转子轭31的中心处具有沿轴向将其贯穿的圆形的转子孔33，电机轴1可以穿过该转子孔33，转子3固定地连接于电机轴1，从而连同电机轴1一起旋转。每个磁钢32整体呈扇面的形状，沿着转子轭31的外圆周以一定的间隔均匀分布在转子轭31的一侧；即，所有磁钢32的内弧面形成一个直径大于转子孔33的内周圆，外弧面形成一个直径小于转子轭31直径的外周圆。磁钢32的数量可以大于或等于2个，优选地磁钢32的数量可以为2至16个，特别优选地如图4中所示，磁钢32的数量可以为8个。

转子3与定子5相邻放置，具体而言，两个转子3沿轴向对称位于定子5的左右两侧，其中，每个转子轭31的粘贴有磁钢32的一侧朝向定子5，从而共同向定子5提供励磁磁场。

转子轭31的材料可以为导磁钢板，磁钢32的材料可以为永磁材料。

其中，两个转子3的转子轭31分别卡接于第一部段11与第二部段12之间的台阶以及第一部段11与第三部段13之间的台阶，从而使得两个转子3相对于电机轴1的轴向位置固定。

如图5A中所示，整体呈圆盘形状的定子5包括定子印制板51和多个定子铁心52。

如图6中所示，定子印制板51包括一体成形的第一圆环部分511、第二圆环部分512以及多个径向部分513，其中第一圆环部分511和第二圆环部分512分别位于定子印制板51的外内周并且它们的圆心重合，径向部分513沿第一圆环部分511和第二圆环部分512的径向方向连接第一圆环部分511和第二圆环部分512。

如图5B中所示，在定子印制板51上，第一圆环部分511、第二圆环部分512以及多个径向部分513共同形成多个镂空部分514，镂空部分基本上为扇形形状，在多个镂空部分514中安装有多个定子铁心52。径向部分513的数量可以为大于或等于2个，优选地径向部分513的数量可以为2至24个，特别优选地如图6中所示，径向部分513的数量可以为12个。则相应地，镂空部分514的数量为大于或等于2个，优选地镂空部分514的数量可以为2至24个，特别优选地如图5B中所示，镂空部分514的数量可以为12个。则相应地，定子铁心52的数量为大于或等于2个，优选地定子铁心52的数量可以为2至24个，特别优选地如图5B中所示，定子铁心52的数量可以为12个。

定子印制板51上印制有一层或多层印制绕组，通过印制绕组与转子磁场的作用产生转矩，印制绕组的形状可为弧形、矩型等多边形形状。

定子5可以包括一个或多个定子印制板51，如图1和图3中所示，根据本发明示例性实施方案的定子5由4个定子印制板51叠压而成。但是，本发明的定子印制板的数量不限定在此，定子印制板也可以为2至8个。

对于无铁心电机，为了使定子与转子之间的气隙小，必须尽可能少的使用定子印制板，就需要定子印制板中印制6-8层印制绕组，必然造成定子印制板成本增加。而本发明仅需多个普通的具有4层印制绕组的定子印制板叠加，其有效气隙比无铁心电机小，磁钢用量少，且定子印制板成本低。

如图2A和图2B中所示，在叠压而成的4个定子印制板51的两侧圆周附近设有圆环形的连接环54，该连接环54的内径小于定子5的直径，连接环54的外径大于定子5的直径。如图3中所示，通过该连接环54使得定子5固定连接至机壳4，在电机轴1旋转的时候，定子5相对于电机轴1固定不动。定子5和机壳4之间采用过盈配合，以防止高温时定子发生移动。虽然本实施方案采用了连接环使定子与机壳固定连接的形式，但是本发明也可以采取其他方式，例如在机壳的内侧形成凸台，而定子通过螺纹固定在凸台上；或者，通过多个分别与机壳和定子连接的固定片，将定子固定在机壳内侧。

定子印制板51的第二圆环部分512中设置有连接板515，在该连接板515的中心具有连接板孔(未示出)，电机轴1可以穿过该连接板孔。

在连接板515上设置有位置检测元件53(在图5A、图5B中仅示意性地示出了该位置检测元件53，实际上该位置检测元件53可以位于连接板515上任何不影响其安装以及功能的位置)，该位置检测元件53用于检测转子的转动位置，并且由于定子与转子的间距较小，因此对转子进行高精度控制。通常设置一个位置检测元件53，但是本发明不限定在此，位置检测元件也可以为多个，例如2至8个。

上述位置检测元件可以例如为磁传感器、霍尔元件等，其利用转子磁钢即可检测转子的转动位置，以对电机进行精确控制。因为不需单独增加一套位置检测设施，所以能够减小电机尺寸。

定子铁心52基本上为扇形形状，从而适配于镂空部分514中。定子铁心52的数量与镂空部分514的数量相同。

如图5B中所示，每个定子铁心52彼此独立而不连接在一起。

定子铁心52为高导磁的软磁材料，其可以采用冷轧硅钢板叠压而成，也可以采用硅钢板卷绕而成，还可以采用整块SMC软磁复合材料压制而成。

根据本发明示例性实施方案的伺服电机的上述结构能够有效缩短电机的轴向长度，降低电机成本。

进一步地，同无定子铁心的电机相比，根据本发明示例性实施方案的伺服电机可以减少定子与转子之间的气隙，降低磁钢的用量；并采用印制板代替定子绕组，能够减少定子制造过程中绕组的绕线、浸漆等工序，提高加工效率。

根据本发明示例性实施方案的伺服电机的上述结构，同相关技术的双盘式转子电机相比，本发明的气隙长度及磁钢用量极大降低。如对于某型号电机，在输出相同的转矩，在磁钢表面积相同的情况下，采用本专利的方法磁钢厚度减少2/3。

图7为根据本发明示例性实施方案的多定子多转子伺服电机的示意图；图8A为根据本发明示例性实施方案的单定子单转子伺服电机的定子铁心为整体结构示意图；图8B为图8A中示出的定子的分解图。

图7中示出多定子多转子伺服电机，其由两套上述实施方案的单定子双转子伺服电机的定子和转子轴向拼接组成，从而可以提供更大的功率。

图8A中示出单定子单转子伺服电机，在该伺服电机中，包含一个定子8和一个转子9。

如图8B中所示，与上述实施方案不同的是，该单定子单转子伺服电机的定子铁心82为一体结构，多个定子铁心82通过背板85整体连接在一起。该定子铁心一般通过硅钢板卷绕组成。在该实施方案中，定子8由6个定子印制板81叠加而成。

另外，根据本发明的伺服电机还可以采用多种组合方式，例如单定子单转子、单定子双转子、双定子单转子、多定子多转子等。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导作出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (13)

1.一种伺服电机，其包括电机轴、电机端盖、转子、机壳以及定子；所述电机轴穿过电机端盖、转子和定子，并能够旋转地连接于所述机壳的底部，其特征在于，

电机端盖和机壳限定一个封闭空间，所述转子和定子位于所述封闭空间中；

所述转子包括转子轭及附接在转子轭上的多个磁钢，所述转子固定地连接于所述电机轴，从而连同电机轴一起旋转，每个磁钢整体呈扇面的形状，沿着转子轭的外圆周以一定的间隔均匀分布在转子轭的一侧，转子与定子相邻放置，其中，转子轭的附接有磁钢的一侧朝向定子，从而向定子提供励磁磁场；

所述定子整体呈圆盘形状并包括定子印制板和多个定子铁心，在定子印制板上形成有多个镂空部分，在多个镂空部分中安装所述多个定子铁心，所述定子印制板上设置有一层或多层印制绕组，通过所述印制绕组与转子磁场的作用产生转矩。

2.根据权利要求1所述的伺服电机，其特征在于，

所述电机端盖整体呈圆盘形状；

所述机壳整体呈圆柱体形状，其顶部开口、底部封闭，所述电机端盖在机壳的顶部开口处将机壳封闭。

3.根据权利要求2所述的伺服电机，其特征在于，

所述定子包括一个或多个叠压的定子印制板；在定子的两侧圆周附近设有圆环形的连接环，所述连接环的内径小于定子的直径，连接环的外径大于定子的直径，通过所述连接环使得所述定子固定连接至所述机壳内侧。

4.根据权利要求2所述的伺服电机，其特征在于，

所述定子包括一个或多个叠压的定子印制板；在所述机壳的内侧形成凸台，所述定子通过螺纹固定到凸台上，或设置多个固定片，通过所述固定片将所述定子固定在机壳内侧。

5.根据权利要求2所述的伺服电机，其特征在于，

定子印制板包括一体成形的第一圆环部分、第二圆环部分以及多个径向部分，所述第一圆环部分和第二圆环部分的圆心重合，径向部分沿第一圆环部分和第二圆环部分的径向方向连接第一圆环部分和第二圆环部分，第一圆环部分、第二圆环部分以及多个径向部分共同构成所述多个镂空部分，每个镂空部分基本上为扇形形状，所述定子铁心基本上为扇形形状，从而适配于镂空部分中，所述定子铁心的数量与镂空部分的数量相同。

6.根据权利要求5所述的伺服电机，其特征在于，

所述定子印制板的第二圆环部分中设置有连接板，在所述连接板的中心具有连接板孔，电机轴穿过所述连接板孔，在连接板上设置有至少一个位置检测元件，所述位置检测元件用于检测转子的转动位置，以便对转子进行高精度控制。

7.根据权利要求1至6的任一项所述的伺服电机，其特征在于，

所述定子铁心采用冷轧硅钢板叠压而成、采用硅钢板卷绕而成或者采用软磁复合材料压制而成。

8.根据权利要求1至6的任一项所述的伺服电机，其特征在于，

所述转子轭整体呈圆盘形状，转子轭的直径小于定子的直径，在转子轭的中心处具有沿轴向将转子轭贯穿的圆形的转子孔，所述电机轴穿过所述转子孔，

所述转子轭的材料为导磁钢，所述磁钢的材料为永磁材料。

9.根据权利要求1至6的任一项所述的伺服电机，其特征在于，

所述电机端盖的直径基本上等于机壳的圆柱体形状的直径，在电机端盖的中心处具有沿轴向将电机端盖贯穿的圆形的端盖孔，电机轴穿过所述端盖孔，在电机端盖的朝向机壳的一侧在圆形的端盖孔的周围具有圆形的凹槽，用于固定地安装端盖轴承。

10.根据权利要求9所述的伺服电机，其特征在于，

在所述机壳的底部具有底板，所述底板将机壳的底部封闭，在底板的朝向电机端盖的一侧的中心处具有圆形的凹槽，用于固定地安装机壳轴承。

11.根据权利要求10所述的伺服电机，其特征在于，

所述伺服电机采用单定子单转子、单定子双转子、双定子单转子或者多定子多转子的组合方式。

12.根据权利要求11所述的伺服电机，其特征在于，

当伺服电机采用单定子单转子或双定子单转子的方式的时候，所述多个定子铁心为彼此独立的方式或者整体形成在一个背板上的形式；

当伺服电机采用单定子双转子或多定子多转子的方式的时候，所述多个定子铁心为彼此独立的方式。

13.一种定子，其特征在于，所述定子整体呈圆盘形状并包括定子印制板和多个定子铁心，在定子印制板上形成有多个镂空部分，在多个镂空部分中安装所述多个定子铁心，所述定子印制板上设置有一层或多层印制绕组，通过所述印制绕组与转子磁场的作用产生转矩，其中，在定子印制板上设置有至少一个位置检测元件，所述位置检测元件用于检测转子的转动位置。

Images