CN114123565A - 一种转子无径向跳动的有限转角力矩电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种转子无径向跳动的有限转角力矩电机，解决有限转角力矩电机可靠性低的问题。该电机包括壳体、定子组件、转子组件、限位螺钉和限位轴套；壳体包括外壳和轴承室；定子组件包括定子铁芯和定子绕组，定子绕组为采用单根线圈通过环形密绕绕制在定子铁芯上的多层线圈；转子组件包括转轴、转子铁芯、磁钢、隔磁环和转子屏蔽板；转轴通过两组轴承设置在轴承室内；限位轴套设置在两组轴承之间；转子铁芯设置在转轴外侧；转子铁芯的左侧设置有限位螺钉，限位螺钉与设置在外壳内的弧形限位槽配合；磁钢设置在转子铁芯外侧，隔磁环设置在磁钢的右侧，转子屏蔽板设置在隔磁环和转子铁芯的右侧，从而实现多层漏磁屏蔽。

Description

一种转子无径向跳动的有限转角力矩电机
技术领域
本发明属于有限转角力矩电机领域，具体涉及一种转子无径向跳动的有限转角力矩电机。
背景技术
有限转角力矩电机是一种将电信号转换为一定角度的角位移，并具有一定力矩输出的特殊结构电机，由于特殊的电磁设计和结构设计，使得其通电时只能在一定的角度范围内转动工作。由于有限转角力矩电机具有工作可靠、易于控制、动态响应好、使用寿命长、电磁干扰小等诸多优点，使得其主要应用于某些要求定位精度高的系统中作为伺服驱动执行元件。
随着系统装配精度的不断提高，系统对配套电机的精度提出了更高的要求，不仅要求电机具有良好的电气特性，而且还要求电机具有较高的机械精度。现有有限转角力矩电机的电机轴与转子间仅靠轴承进行固定支承，由于轴承滚珠与外壳有一定的间隙，使电机组装后的轴向间隙、径向间隙过大，而在实际使用环境中受到振动或者冲击时，因间隙影响电机的振动量级会因此放大，导致电机内部受到更强的作用，而电机内部结构多为薄壁件，会导致电机内部零组件因此失效，降低了电机的使用寿命及安全性，在使用中存在很大的安全隐患。例如，在光电瞄准系统或激光制导系统中，为满足控制系统的高精度要求，需配套的电机在全工况使用过程中，转子在工作角度范围内的任意位置都必须平稳无跳动。但由于装配精度以及所用轴承自身游隙的存在，使得电机转子在工作角度范围内转动或在冲击、振动等环境条件下会产生一定的径向跳动，从而影响系统的瞄准精度或制导精度。
此外，现有有限转角力矩电机的电枢换向处绕线时，使用了两段独立线圈，通过焊接的方式使线圈成为一体，而电机焊线过程中需要预留焊接空间，并且焊点易受到环境影响，焊点本身的可靠性并不高。因此，该种方式不仅增加了电机体积，并且由于焊接工艺性可靠性较低，降低了电机工作时的可靠性。
发明内容
为解决现有有限转角力矩电机可靠性低的问题，本发明提供了一种转子无径向跳动的有限转角力矩电机，该电机是一种工作平稳、无径向跳动的电机，可满足系统的高精度需求。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种转子无径向跳动的有限转角力矩电机，包括壳体、定子组件、转子组件、限位螺钉和限位轴套；所述壳体包括外壳和设置在外壳内部的轴承室，所述外壳的内侧设置有两个弧形限位槽，两个弧形限位槽相对设置，其角度与有限转角力矩电机的旋转角度相对应；所述定子组件包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯为环状结构，其截面形状与外壳的形状相匹配，所述定子铁芯上设置有定位块，且定位块与定子铁芯间隙配合，配合间隙小于0.01mm；所述定子绕组为采用单根线圈通过环形密绕绕制在定子铁芯上的多层线圈，单根线圈在换向处以跨过定位块的方式进行换向；所述转子组件包括转轴、转子铁芯、磁钢、隔磁环和转子屏蔽板；所述转轴通过两组轴承设置在轴承室内，所述轴承为陶瓷深沟球轴承，其外圈设置有与轴承室台阶相配合的凸缘；所述限位轴套设置在两组轴承之间，所述限位轴套的内孔与转轴配合，外圆与轴承室内孔配合，所述转轴上设置有锁紧螺母，所述锁紧螺母用于对轴承的内圈进行限位，实现轴承的轴向间隙调整，从而消除因轴承自身游隙导致的径向间隙；所述转子铁芯设置在转轴外侧，且与转轴一体设置；所述转子铁芯的左侧设置有限位螺钉，所述限位螺钉与设置在外壳内的弧形限位槽配合，实现转子组件的机械限位；所述磁钢设置在转子铁芯外侧，所述隔磁环设置在磁钢的右侧，所述转子屏蔽板设置在隔磁环和转子铁芯的右侧，从而实现多层漏磁屏蔽。
进一步地，所述轴承室内孔与轴承之间的径向间隙小于0.005mm。
进一步地，所述定子组件采用真空灌胶的形式设置在壳体内，且与壳体一体设置。
进一步地，所述外壳的右侧设置有保护板，用于对真空灌胶后的定子组件进行保护，所述壳体的左侧端面上设置有定子屏蔽板，用于防止端部漏磁对电机周边其他磁敏感器件的干扰。
进一步地，所述转轴上设置有锁紧螺母，所述锁紧螺母用于对轴承的内圈进行限位，并通过其旋紧实现轴承的轴向间隙调整，所述轴承的轴向间隙小于0.005mm。
进一步地，所述外壳和轴承室为一体设置。
进一步地，所述磁钢为稀土钐钴磁钢，所述磁钢为扇形结构，其扇形边缘设置有极靴，同时磁钢的充磁偏角控制在30′以内。
进一步地，所述转子铁芯与磁钢的粘接配合表面设置储胶槽，磁钢通过设置在储胶槽内的氧树脂胶设置在转子铁芯上。
进一步地，所述定子铁芯的截面形状为梯形截面。
进一步地，所述定子铁芯采用无安装凹槽的整环式结构，且材料为磁性能各向同性的1J50软磁合金材料。
本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明在两个轴承间设置机械强度好、具有良好自润滑特性的限位轴套，通过优化其与轴承室及转轴的配合关系，保证其对转轴的限位和定位精度，消除转子因轴承游隙存在而产生的径向跳动，保证了转子转动运行的平稳性，满足系统使用要求。同时，该轴承为采用带凸缘结构的深沟球轴承，既充分利用了内部有限的空间结构，又保证了电机具备承受轴向、径向大过载冲击的能力。
2.本发明定子绕组采用了单根线圈绕制换向的方式，替代了传统多段焊接拼接的方式，不仅节省了空间，减小电机体积，并且避免内部接线存在焊点，增加了电机的可靠性。
3.本发明电机采用多层漏磁屏蔽结构，降低了电机轴孔以及表面的漏磁强度，降低了电机本身对其它电子元件的电磁干扰。
4.本发明转子内侧端面装配限位螺钉，限位螺钉与壳体的限位槽结构实现机械限位，使电机具备电气及机械双重限位的特性。
5.本发明定子组件采用真空灌胶的方式设置在壳体内，将组成定子的各个零部件通过灌封胶成为一个牢固的整体，不仅增强了定子的整体结构强度和绝缘性能，而且还有利于绕组的散热，利于温升的抑制。
附图说明
图1为本发明有限转角力矩电机的剖面图；
图2为本发明有限转角力矩电机的侧视图；
图3为本发明有限转角力矩电机中壳体侧视图；
图4为本发明有限转角力矩电机中转子组件结构示意图；
图5为本发明有限转角力矩电机中转子组件侧视图；
图6为本发明定位块的安装示意图。
附图标记：1-壳体，2-定子组件，3-转子组件，4-限位螺钉，5-限位轴套，6-绝缘板，7-接线片，8-定子屏蔽板，9-锁紧螺母，11-外壳，12-轴承室，13-弧形限位槽，14-保护板，21-定子铁芯，22-定子绕组，23-定位块，31-转轴，32-转子铁芯，33-磁钢，34-隔磁环，35-转子屏蔽板，36-轴承，37-凸缘，38-储胶槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
为提高光电瞄准系统或激光制导系统运行平稳性以及位置精度，本发明提供了一种永磁组装式有限转角力矩电机，该电机消除了电机转子因轴承游隙导致的径向跳动现象，使电机在任何工况下工作使用时都会平稳运行，转轴不会产生径向跳动，保证了系统的高精度控制要求。
如图1至图5所示，本发明转子无径向跳动的有限转角力矩电机包括壳体1、定子组件2、转子组件3、限位螺钉4和限位轴套5；本发明壳体1设计为内凹轴承室12结构，其具体包括外壳11和设置在外壳11内部的轴承室12，且外壳11和轴承室12为一体设置。外壳11的内侧设置有两个弧形限位槽13，两个弧形限位槽13相对设置，其角度与有限转角力矩电机的旋转角度相对应。定子组件2采用真空灌胶的形式设置在壳体1内，且与壳体1一体设置。定子组件2具体包括定子铁芯21和定子绕组22，定子铁芯21为环状结构，其截面形状与外壳11的形状相匹配，在本发明实施例中，具体可为梯形。定子绕组22为采用单根线圈通过环形密绕绕制在定子铁芯21上的多层线圈，单根线圈在换向处以跨过定位块23的方式进行换向；壳体1的左侧端面上设置有定子屏蔽板8，起磁屏蔽的作用，防止端部漏磁对电机周边其他磁敏感器件的干扰。外壳11的右侧设置有保护板14，用于对真空灌胶后的定子组件2进行保护。
本发明转子组件3包括转轴31、转子铁芯32、磁钢33、隔磁环34和转子屏蔽板35；转轴31通过两组轴承36设置在轴承室12内，轴承36为陶瓷深沟球轴承36，其外圈设置有与轴承室12台阶相配合的凸缘37；轴承36内孔与转轴31相配合，起支撑转子的作用；限位轴套5设置在两组轴承36之间，限位轴套5的内孔与转轴31配合，外圆与轴承室12内孔配合，对转轴31起径向限位的作用，消除因轴承36自身游隙导致的径向间隙；锁紧螺母9旋配在转子转轴31上的螺纹处，通过其旋紧程度来控制定子和转子间的轴向间隙。转子铁芯32设置在转轴31外侧，且与转轴31一体设置；转子铁芯32的左侧设置有限位螺钉4，限位螺钉4与设置在外壳11内的弧形限位槽13配合，实现转子组件3的机械限位；转子铁芯32外侧粘接有高性能的稀土钐钴磁钢，为电机气隙提供足够的气隙磁密，保证电机在通电工作时有足够的输出转矩，隔磁环34设置在磁钢33的右侧，转子屏蔽板35设置在隔磁环34和转子铁芯32的右侧，从而实现多层漏磁屏蔽。
本发明限位轴套5装配在两个轴承36之间的空挡处，其内孔与转轴31间隙配合(间隙小于0.005mm)，外圆与定子的轴承室12内孔间隙配合(间隙小于0.01mm)，对转轴31起径向限位的作用，消除因轴承36自身游隙导致的径向间隙，使电机转子转动工作时无径向跳动；首先，通过选取合适的公差尺寸配合关系，控制轴承室12与轴承36之间的径向间隙(小于0.005mm)，保证转子转动过程中无径向跳动，其次，在保证轴向配合尺寸适宜的同时，使用限位轴套5使两轴承36间的空挡距离保持一定的距离，并使用调整垫片，旋转锁紧螺母9进行微调，保证轴承36能够顺利转动的同时，消除轴承36的轴向间隙(小于0.005mm)，最后使用环氧胶固化锁紧螺母9位置，使轴承36间轴承36间隙不再发生改变。
本发明带法兰结构的微型陶瓷轴承36可以保证电机能够在断电后任意位置停止。传统电机选用钢性球体作为轴承36的滚珠，滚珠在磁性环境下易被电机中的永磁体磁化从而带磁性，因此在电机断电后，磁场环境改变，被磁化的滚珠会受到磁场影响而滚动导致转子发生偏转，而陶瓷轴承36使用陶瓷球体作为滚珠，可以避免被磁化，即保证轴承36在任意位置都可以不受到磁场环境影响，即断电后可在任意位置停止。
基于上述结构，本发明电机具有以下特点：
本发明电机为组装式结构，定子选用环形密绕的绕组结构，提高了绕组利用率，改善电机的输出转矩特性。同时，电枢采用了一根线绕制换向的方式，替代了传统多段焊接拼接的方式，不仅节省了空间，减小电机体积，并且避免内部接线存在焊点，增加了电机的可靠性，更适用于系统。
本发明定子组件2采用真空灌胶的工艺，将组成定子的各个零部件通过灌封胶成为一个牢固的整体，不仅增强了定子的整体结构强度和绝缘性能，而且还有利于绕组的散热，利于温升的抑制。
本发明转轴31与转子铁芯32为一体式结构，保证零件自身的结构强度，改善电机对环境条件的适应性，扩展电机的应用场合。同时，采用带凸缘37结构的深沟球轴承36，既充分利用了内部有限的空间结构，又保证了电机具备承受轴向、径向大过载冲击的能力。两个轴承36间加装机械强度好、具有良好自润滑特性的限位轴套5，通过优化其与轴承室12及转轴31的配合关系，保证其对转轴31的限位和定位精度，消除转子因轴承36游隙存在而产生的径向跳动，保证了转子转动运行的平稳性，满足系统使用要求。为了保证电机能够在断电后任意位置停止，防止轴承36在磁场环境中磁化，选用了一款带法兰结构的微型陶瓷轴承36。
本发明磁钢33设置为扇形结构，其内表面设置为与转子铁芯32外壁相匹配的弧形，保证了磁钢33的粘接均布性。采用高强度环氧树脂胶进行磁钢33的粘接固定，为改善和增强磁钢33的粘接强度，提高电机对环境条件的适应能力，在转子铁芯32与磁钢33的粘接配合表面设置储胶槽38。
为了降低电机本身对其它电子元件的电磁干扰，采用了多层漏磁屏蔽结构，降低了电机轴孔以及表面的漏磁强度。本发明采用防漏磁设计，合理设计磁路结构和尺寸，既使材料得到充分利用，又避免磁路过度饱和而产生漏磁现象。此外，在定子端面一侧加装由高饱和磁感应强度软磁合金材料制作的屏蔽板，对电机进行磁屏蔽，将有限的漏磁进一步进行屏蔽处理，避免对电机周边装配的其他磁敏感器件的干扰。
为了确保磁性材料不因机械加工、热处理以及材料本身性质影响，采用仿真优化后的结构，并通过实际生产验证，大大提高了电机断电后的运行平稳性；同时优化定子铁芯21结构，保证其各部分磁路均衡，避免因局部磁阻不均而产生的磁力偏转，产生自定位现象。以定位块23粘接槽的深度尺寸作为变量，通过电磁仿真模拟，得到了槽深度与电机偏转力矩大小的关系，从而得出了当槽深度为0，即定子铁芯21在任意角度等厚度时，磁钢33与定子铁芯21间的气息磁密可以保持均匀分布，磁阻均匀，不考虑其他因素(磁钢33的磁偏角、机械加工以及装配带来的尺寸偏差)影响，此时的偏转力矩最小，定子铁芯21选取了整环结构，并选用了磁性能各向同性的1J50软磁合金材料。
如图6所示，定子铁芯21上设置有定位块23，定子铁芯21是支撑定子组件的主要结构件，也是电机磁路的重要组成部分。一般在定子铁芯表面设置厚度为δ的粘接槽，增强定位块23与定子铁芯的连接强度，保证在组合机加过程中定位块23不发生脱落现象。而在本发明中，通过分析不同厚度定位槽对电机性能的影响，得出了粘接槽厚度为0，即定子铁芯不预留粘接槽，定子铁芯设置为整圆环结构时，电机的偏转力矩最小，电机可以在任意位置停止，即增强了电机的灵敏度，保证了电机偏转角度的精度。定位块23与定子铁芯间采用间隙配合(间隙小于0.01mm)，定位块23在定子铁芯上使用环氧胶对称粘接，粘接后使用绑扎带增强定位块23的粘接强度，对组件进行热烘固化后进行组合机加，即完成了定子铁芯组件的工艺流程。
本发明磁钢33采用矫顽力高、剩磁高及耐温高的稀土钐钴磁钢33，采用均匀气隙，通过优化磁钢33结构、尺寸、极弧系数及充磁偏角等参数，使磁钢33的磁力线分布均匀，保证电机输出转矩特性的平稳性和转矩电流的良好线性度。本发明磁钢33为扇形结构，通过优化，磁钢33的结构在扇形边缘增加极靴，磁钢33的具体优化结构如图5所示，磁钢33的充磁偏角控制在30′以内。
本发明转子无径向跳动的有限转角力矩电机的装配过程如下：
一、电机定子装配；
对加工好的定子铁芯21使用工装进行筛选，挑出性能满足要求的定子铁芯21(即在特制工装内可以使转子停止在任意位置)；粘接定位块23并进行机加，得到定子铁芯21组件随后使用绝缘胶带对组件进行绝缘处理；采用环形密绕绕制多层线圈，在换向处以跨过定位块23的方式进行换向，并注意绕向。将绕制好的定子组件2装入机壳内部，并使用定位工装保证定子铁芯21组件的同轴度，随后测试装配的同轴度。
将装配好的机壳组件采用真空灌胶的形式，使电枢与机壳成为一体，既可以增加电机定子的抗冲击强度，保护机壳组件内部零组件，并且可以增强电机的散热，降低电机温升速率；机壳组件粘接定子护板，并进行表面处理，完成定子的准备工作；将接线片7及绝缘板6进行装配、焊接，完成定子的装配工作。
二、电机转子装配
将磁钢33进行筛选，将表磁相差不超过一定量值的磁钢33进行配对；将转子铁芯32压装在电机轴上，并相应粘接磁钢33、隔磁环34及屏蔽板。将装配好的组件进行机加，打磨磁钢33外圆，保证磁钢33外圆与电机轴的同轴度，从而保证电机气隙的均匀性。将电机转子与定子进行适配，并使用测试工装测试电机的相关性能，将满足要求的定、转子进行标记。
三、电机整机装配
将筛选完毕的转子，使用轴承36以及轴套装配于一起，并使用锁紧螺母9进一步调整轴承36的间隙，保证电机轴、径向间隙满足一定的技术要求。对整机进行相关试验筛选、机加、测试，完成整机的装配工作。

Claims (10)

1.一种转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：包括壳体(1)、定子组件(2)、转子组件(3)、限位螺钉(4)和限位轴套(5)；
所述壳体(1)包括外壳(11)和设置在外壳(11)内部的轴承室(12)，所述外壳(11)的内侧设置有两个弧形限位槽(13)，两个弧形限位槽(13)相对设置，其角度与有限转角力矩电机的旋转角度相对应；
所述定子组件(2)包括定子铁芯(21)和定子绕组(22)，所述定子铁芯(21)为环状结构，其截面形状与外壳(11)的形状相匹配，所述定子铁芯(21)上设置有定位块(23)，且定位块(23)与定子铁芯(21)间隙配合，配合间隙小于0.01mm；所述定子绕组(22)为采用单根线圈通过环形密绕绕制在定子铁芯(21)上的多层线圈，单根线圈在换向处以跨过定位块(23)的方式进行换向；
所述转子组件(3)包括转轴(31)、转子铁芯(32)、磁钢(33)、隔磁环(34)和转子屏蔽板(35)；
所述转轴(31)通过两组轴承(36)设置在轴承室(12)内，所述轴承(36)为陶瓷深沟球轴承，其外圈设置有与轴承室(12)台阶相配合的凸缘(37)；所述限位轴套(5)设置在两组轴承(36)之间，所述限位轴套(5)的内孔与转轴(31)配合，外圆与轴承室(12)内孔配合；所述转轴(31)上设置有锁紧螺母(9)，所述锁紧螺母(9)用于对轴承(36)的内圈进行限位，实现轴承(36)的轴向间隙调整，从而消除因轴承(36)自身游隙导致的径向间隙；
所述转子铁芯(32)设置在转轴(31)外侧，且与转轴(31)一体设置；所述转子铁芯(32)的左侧设置有限位螺钉(4)，所述限位螺钉(4)与设置在外壳(11)内的弧形限位槽(13)配合，实现转子组件(3)的机械限位；
所述磁钢(33)设置在转子铁芯(32)外侧，所述隔磁环(34)设置在磁钢(33)的右侧，所述转子屏蔽板(35)设置在隔磁环(34)和转子铁芯(32)的右侧，实现多层漏磁屏蔽。
2.根据权利要求1所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述轴承室(12)内孔与轴承(36)之间的径向间隙小于0.005mm。
3.根据权利要求1所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述定子组件(2)采用真空灌胶的形式设置在壳体(1)内，且与壳体(1)一体设置。
4.根据权利要求3所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述外壳(11)的右侧设置有保护板(14)，用于对真空灌胶后的定子组件(2)进行保护，所述壳体(1)的左侧端面上设置有定子屏蔽板(8)，用于防止端部漏磁。
5.根据权利要求1至4任一所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述轴承(36)的轴向间隙小于0.005mm。
6.根据权利要求5所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述外壳(11)和轴承室(12)为一体设置。
7.根据权利要求6所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述磁钢(33)为稀土钐钴磁钢，所述磁钢(33)为扇形结构，其扇形边缘设置有极靴，同时磁钢(33)的充磁偏角控制在30′以内。
8.根据权利要求7所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述转子铁芯(32)与磁钢(33)的粘接配合表面设置储胶槽(38)，磁钢(33通过设置在储胶槽(38)内的氧树脂胶设置在转子铁芯(32)上。
9.根据权利要求8所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述定子铁芯(21)的截面形状为梯形截面。
10.根据权利要求9所述的转子无径向跳动的有限转角力矩电机，其特征在于：所述定子铁芯(21)采用无安装凹槽的整环式结构，且材料为磁性能各向同性的1J50软磁合金材料。
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