CN118017775A - 一种超薄型电机的电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄型电机的电路结构，属于家用机器人技术领域。该超薄型电机包括布设在电机定子线圈骨架内侧并与电机定子线圈骨架位于同一个平面的环形电路板，该环形电路板的正面和反面均设有元器件；分别布设在电机转子中心区和电机定子环形线路板上的位置传感装置、以及分别布设在电机定子的环形电路板和电机转子的转子轴和轴承上的静电抗干扰装置；本发明通过用2个线性霍尔传感器代替传统的开关霍尔传感器，使得一圈的分辨率由开关传感器只能分辨60个位置提高到至少4万个位置；通过将电机的转子外壳接地，用电机的转子外壳代替接地代替传统的电路板的一个面接地，使得抗静电干扰的指标由18千伏A级提升到24千伏A级。

Description

一种超薄型电机的电路结构

技术领域

本发明属于家用机器人技术领域，尤其涉及一种超薄型电机的电路结构。

背景技术

随着科技的进步，家用机器人越来越多地走入到每个家庭，其中，超薄型家用机器人是未来发展的方向，超薄型家用机器人因其高度方向占地空间更小，更加适合家庭服务，更加具有竞争优势。

超薄型机器人的核心部件是超薄电机。实现超薄电机的难点在于如何将超薄电机电路板所占的高度空间节省下来。

节省电路板所占高度空间的难点之一在于：电路板上的霍尔传感器的位置必须与电机外壳上环形布设的磁钢的位置相对应（电路板上的霍尔传感器需要通过检测磁钢的位置进而控制电机的旋转），也就是磁钢的位置在哪里，霍尔传感器的位置就在哪里，从这个意义上说，线路板必须布设在能够与磁钢相接触的位置，也就是布设在电机外壳磁钢的下方，所以，电路板在高度空间上的位置很难节省下来。

节省电路板所占高度空间的难点之二在于：传统电路板的一个面接地，接地的一面作为保护壳，电路板用于保护壳的面积越大则抗静电越好。例如，将电路板的全部元器件放到电路板的上表面，而将电路板的反面铺一层铜，覆铜的一面作为电机的保护壳，由于保护壳面积越大保护屏蔽效果越好，所以传统电路板的直径和电机整体直径一样大，这就造成电路板必须单独占用电机的高度空间。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种超薄型电机的电路结构，第一目的在于解决电路板上的霍尔传感器的位置必须与电机外壳上环形布设的磁钢的位置相对应、电路板必须布设在电机外壳磁钢的下方，导致电机高度空间难以节省的问题；第二目的在于解决传统电路板的一个面接地，另一面元器件密集，接地的一面直径和电机整体直径一样大，导致电路板必须单独占用电机的高度空间的问题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：

一种超薄型电机的电路结构，该超薄型电机的电路结构包括：布设在电机定子线圈骨架内侧并与电机定子线圈骨架位于同一个平面的环形电路板，该环形电路板1的正面和反面均设有元器件；分别布设在电机转子和电机定子上的位置传感装置；分别布设在电机转子和电机定子上的静电抗干扰装置；

其特点是：

所述位置传感装置包括：布设在电机转子中心区的一个多对极小磁环和布设在电机定子的环形电路板内环上表面紧贴该一个多对极小磁环的二个线性霍尔传感器；该二个线性霍尔传感器用于感应该一个多对极小磁环的位置，从而控制电机的旋转；该二个线性霍尔传感器之间的电角度为90度；该二个线性霍尔传感器各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度；

所述静电抗干扰装置包括：开槽在电机定子的环形电路板内环上的多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿、电机转子上的转子轴、以及电机转子上的轴承；该多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿与电机转子上的轴承外圈紧配合，通过电机定子上的轴承内圈连接电机转子轴、再通过电机转子轴连接到转子外壳5，最终将轴承、转子轴、转子外壳5一起连接到环形电路板的地端，从而使得抗静电指标从千伏A级提高到24千伏A级和30千伏B级。

进一步地，所述该二个线性霍尔传感器各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度，具体为：假设一个多对极小磁环上设有N对磁极，则二个线性霍尔传感器之间的摆放角度=[(360°+90°)÷N] ±（360°÷ N）。

进一步地，所述该二个线性霍尔传感器各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度。

进一步地，该设定的角度包括但不限于二个线性霍尔传感器之间的机械角度为（360°+90°）÷10=45°。

进一步地，所述二个霍尔传感器对于磁环的分辨率小于0.01度，一圈360°能够分辨出至少4万个位置。

进一步地，所述多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿的数量，以能够形成作用点平面为基准。

进一步地，该凸齿的数量至少为3个，也即环形电路板内环上的3个凸齿形成一个相对于轴承外圈的作用点平面，该3个凸齿之间120度间隔。

进一步地，所述所述多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿与电机转子上的轴承外圈紧配合。

进一步地，轴承相对于凸齿的过盈量为0.075㎜。

进一步地，所述二个线性霍尔传感器到电机中心点的径向距离大于环形电路板内环上的凸齿到电机中心点的径向距离；该一个多对极小磁环的中心点和电机转子轴的中心点重合；该一个多对极小磁环的内圆和外圆之间的中心点与霍尔传感器的中心点重合。

本发明的优点效果

1、本发明通过设置与线圈骨架在同一个平面的环形电路板、通过在电机转子中心区布设与环形电路板位置相匹配的一个多对极小磁环，用一个多对极小磁环代替磁钢的位置传感器功能，解决了电路板上的霍尔传感器的位置必须与电机外壳上环形布设的磁钢的位置相对应、电路板必须布设在电机外壳磁钢的下方，导致电机高度空间难以节省的问题。

2、本发明通过在环形电路板上设置2个互为角度的线性霍尔传感器，用2个线性霍尔传感器代替传统的120度间隔的3个开关霍尔传感器，使得一圈的分辨率由开关传感器只能分辨60个位置提高到至少4万个位置，分辨率精度多了几个量级。

3、本发明通过设置与线圈骨架在同一个平面的环形电路板，通过开槽在环形电路板内环上的多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿，通过将多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿与电机转子上的轴承外圈紧配合，通过电机定子上的轴承内圈连接电机转子轴、再通过电机转子轴连接到转子外壳，最终将轴承、转子轴、转子外壳一起连接到电路板的地端，解决了传统电路板的一个面接地，另一面元器件密集，接地的一面直径和电机整体直径一样大，导致电路板必须单独占用电机的高度空间的问题。

4、本发明通过将电机的转子外壳接地，用电机的转子外壳代替接地代替传统的电路板的一个面接地，由于电机的转子外壳将电机的所有部件包括在内，屏蔽效果更好，使得抗静电干扰的指标由18千伏A级提升到24千伏A级。

附图说明

图1为本发明超薄电机位置传感装置空间布局立体图；

图2为图1的位置传感装置局部放大图；

图3为本发明超薄电机位置传感装置空间布局俯视图；

图4为本发明超薄电机位置传感装置原理图之一；

图5为本发明超薄电机位置传感装置原理图之二；

图6为本发明超薄电机静电抗干扰装置空间布局立体图；

图7为本发明改进前电机转子外壳为悬空状态示意图；

图8为本发明改进后电机转子外壳为接地状态示意图。

1：环形电路板；1-1：线性霍尔传感器；1-2：凸齿；1-3：轴承；1-3-1：轴承外圈；1-3-2：轴承内圈；2：一个多对极小磁环；3：线圈骨架；4：磁钢；5：转子外壳。

具体实施方式

本发明设计原理

1、环形电路板的设计原理。本发明环形电路板1和传统电路板区别之一、传统电路板和线圈骨架3是上、下位置的关系，该上下位置的关系决定了传统电路板需要单独占用电机的高度空间；本发明环形电路板1布设在线圈骨架3的内侧、和线圈骨架3共用一个高度空间。本发明环形电路板1和传统电路板区别之二、传统电路板所有元器件布设在电路板的上表面，反面全部用于接地（电路板的反面全部用于接地是作为电路板的一个保护壳，保护壳的面积越大保护的效果越好，但该保护壳仅仅限于保护电路板）；本发明环形电路板1将一部分元器件布设在电路板的正面，另一部分元器件布设在电路板的反面，而电路板的接地另辟蹊径：通过电路板内环上开设的三个凸齿1-2连接到电机定子的轴承1-3、再通过轴承1-3连接电机转子轴，再通过电机转子轴连接转子外壳5，最终将三者共同连接到环形线路板的地上（电路板的负极一端）。由于采用转子外壳5接地，就节省了环形电路板1的反面空间，使得环形电路板1反面也用于布设元器件，使得环形电路板1的面积为传统电路板面积的四分之一到五分之一。

2、电机磁钢4功能一分为二的设计原理：所述电机磁钢4，如图1的本发明超薄电机位置传感装置空间布局立体图、图2的位置传感装置局部放大图、图5的本发明超薄电机位置传感装置原理图之二所示，是环形布设在电机外壳上、且面向电机中心分别为N极或S极的一个一个均匀间隔布设的小磁块，传统的电机磁钢4有两个作用，第一、通过磁钢4的磁场控制电机的扭矩；第二、通过电路板上的霍尔传感器读取磁钢4的位置，进而控制电机的旋转。由于电路板改为环形电路板1以后，环形电路板1上的霍尔传感器从磁钢4的正下方移动到磁钢4上方的中心区、霍尔传感器读取不到原有磁钢4的位置信息，因此，本发明将磁钢4的位置传感功能独立出来，在电机转子的中心区专门增加了一个多对极小磁环作为位置传感，一个多对极小磁环的尺寸和环形电路板1上霍尔传感器的位置相匹配。这样就解决了电路板改变为环形电路板1以后，环形电路板1上的霍尔传感器读取不到原有磁钢4位置信息的问题。

3、静电抗干扰设计原理。本发明为了节省电机的高度空间，将电路板改造为环形电路板1，虽然节省了高度上的空间，但是也带来新的问题，电路板的反面不再作为保护壳的功能，必须另辟蹊径解决保护壳的问题。本发明采取的方法是让电机的转子外壳5接地（传统的方法是电路板的一个面接地，而电机的外壳是悬空的）。所述电机的转子外壳5接地是指转子外壳5接到电路板的负极一端。所述转子外壳5接地是一种间接接地的方法。所述间接接地就是转子外壳5连接转子轴、转子轴连接轴承外圈1-3-1、轴承外圈1-3-1连接到环形电路板1的负极一端，由此实现电机的转子外壳5接地。由于电机的转子外壳5相比传统方法的线路板的一个面接地，面积要大很多，电机的转子外壳5将电机全部零部件包括在内，因此屏蔽效果要明显好于电路板的一个面接地。经过测算，电路板的一个面接地，静电抗干扰指标达到18千伏A极，而本发明的外壳接地，静电抗干扰指标达到24千伏A极。

基于以上原理，本发明设计了一种超薄型电机的电路结构，该超薄型电机的电路结构包括：布设在电机定子线圈骨架3内侧并与电机定子线圈骨架3位于同一个平面的环形电路板1，该环形电路板1的正面和反面均设有元器件；分别布设在电机转子和电机定子上的位置传感装置；分别布设在电机转子和电机定子上的静电抗干扰装置；

其特点是：

所述位置传感装置，如图1的本发明超薄电机位置传感装置空间布局立体图、图2的位置传感装置局部放大图、图3的本发明超薄电机位置传感装置空间布局俯视图、图4的本发明超薄电机位置传感装置原理图之一、图5的本发明超薄电机位置传感装置原理图之二所示，包括布设在电机转子中心区的一个多对极小磁环2和布设在电机定子的环形电路板1内环上表面紧贴该一个多对极小磁环2的二个线性霍尔传感器1-1；该二个线性霍尔传感器1-1用于感应该一个多对极小磁环2的位置，从而控制电机的旋转；该二个线性霍尔传感器1-1之间的电角度为90度；该二个线性霍尔传感器1-1各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度；

所述静电抗干扰装置，如图6的本发明超薄电机静电抗干扰装置空间布局立体图、图7的本发明改进前电机转子外壳5为悬空状态示意图、图8的本发明改进后电机转子外壳5为接地状态示意图所示，包括开槽在电机定子的环形电路板1内环上的多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿1-2、电机转子上的转子轴、以及电机转子上的轴承1-3；该多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿1-2与电机转子上的轴承外圈1-3-1紧配合，通过电机定子上的轴承内圈1-3-2连接电机转子轴、再通过电机转子轴连接到转子外壳5，最终将轴承1-3、转子轴、转子外壳5一起连接到环形电路板1的地端，从而使得抗静电指标从4千伏A级提高到24千伏A级和30千伏B级。

补充说明1

上述将轴承1-3、转子轴、转子外壳5一起连接到环形电路板的地端，是指接到环形电路板的负极，和传统方法的区别在于，本发明是将转子外壳5接到环形电路板的负极，而传统方案是将环形电路板的一个面（反面）接到环形电路板的负极，转子的外壳是将全部零件都包括在内，是三维立体空间的保护，因此屏蔽效果好，而环形电路板的一个面（反面）仅仅限于面的范围，是二维平面的保护。

进一步地，所述该二个线性霍尔传感器1-1各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度，具体为：假设一个多对极小磁环2上设有N对磁极，则二个线性霍尔传感器1-1之间的摆放角度=[(360°+90°)÷N] ±（360°÷ N）。

进一步地，所述位置传感装置的二个线性霍尔传感器1-1在环形电路板1上的摆放角度为一个设定的角度。

补充说明2

1）以上所述摆放角度为一个设定的角度，如图4的本发明超薄电机位置传感装置原理图之一、如图5的本发明超薄电机位置传感装置原理图之二所示，这个角度包括45°。本实施例为10对极小磁环，也就是10个N极10个S极，代入上述公式摆放角度=[(360°+90°)÷10]=45°；

2） 公式等号右边的第2项是可选项，第1项是必选项，当N=10时，

360°÷ N=36°。

3）当摆放角度等于公式等号右边的第1项+第2项时，摆放角度=45°±36°，例如摆放角度=45°+36°=81°，虽然81°是可行的，但是工程上不容易实现，因此，本发明认为：该设定的角度为工程上最容易实现的角度为优选。

进一步地，该设定的角度包括但不限于二个线性霍尔传感器1-1之间的机械角度为（360°+90°）÷10=45°。

进一步地，所述二个线性霍尔传感器1-1对于磁环的分辨率小于0.01度，一圈360°能够分辨出至少4万个位置。

进一步地，所述静电抗干扰装置的多个均匀间隔的凸齿1-2的数量，以能够形成作用点平面为基准。

进一步地，该凸齿的数量至少为3个，也即环形电路板1内环上的3个凸齿1-2形成一个相对于轴承外圈1-3-1的作用点平面，该3个凸齿1-2为120度间隔。

进一步地，所述多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿1-2与电机转子上的轴承外圈1-3-1紧配合；

补充说明3

上述该凸齿的数量至少为3个是指：如果小于3个凸齿1-2，比如2个，则有可能2个凸齿1-2会发生相对于中心点的偏离，这样凸齿1-2就不能均匀和将轴承外圈1-3-1抱住；如果凸齿1-2超过3个比如6个，则安装的时候，摩擦力太大。所述摩擦力大大是因为轴承外圈1-3-1的直径要大于线路板3个凸齿1-2的直径，是紧配合的关系，所以安装的时候既要满足3个凸齿1-2和轴承外圈1-3-1充分接触的需求又要兼顾安装的方便。

进一步地，轴承相对于凸齿1-2的过盈量为0.075㎜。

进一步地，所述线性霍尔传感器1-1到电机中心点的径向距离大于环形电路板1内环上的凸齿1-2到电机中心点的径向距离；该一个多对极小磁环2的中心点和电机转子轴的中心点重合；该一个多对极小磁环2的内圆和外圆之间的中心点与霍尔传感器1-1的中心点重合。

补充说明4

1）上述的该一个多对极小磁环2的中心点和电机转子轴的中心点重合，是指同心度，为了保持同心度，安装一个多对极小磁环2时，先安装一个圆筒状的夹具，夹具套在轴承外面，并和轴承卡接，一个多对极小磁环2再套装在夹具的外表面，然后再拔出圆筒状的夹具。

2）如图3的本发明超薄电机位置传感装置空间布局俯视图所示，由于一个多对极小磁环2的位置要能够让线性霍尔传感器1-1读取到，所以其尺寸既不能太小也不能太大，一个多对极小磁环2的内环和外环的中心点和霍尔传感器的中心点重合时为一个多对极小磁环的最佳尺寸和最佳位置。

需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种超薄型电机的电路结构，该超薄型电机的电路结构包括：布设在电机定子线圈骨架内侧并与电机定子线圈骨架位于同一个平面的环形电路板，该环形电路板的正面和反面均设有元器件；分别布设在电机转子和电机定子上的位置传感装置；分别布设在电机转子和电机定子上的静电抗干扰装置；

其特征在于：所述位置传感装置包括：布设在电机转子中心区的一个多对极小磁环和布设在电机定子的环形电路板内环上表面紧贴该一个多对极小磁环的二个线性霍尔传感器；该二个线性霍尔传感器用于感应该一个多对极小磁环的位置，从而控制电机的旋转；该二个线性霍尔传感器之间的电角度为90度，该二个线性霍尔传感器各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度；

所述静电抗干扰装置包括：开槽在电机定子的环形电路板内环上的多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿、电机转子上的转子轴、以及电机转子上的轴承；该多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿与电机转子上的轴承外圈紧配合，通过电机定子上的轴承内圈连接电机转子轴、再通过电机转子轴连接到转子外壳，最终将轴承、转子轴、转子外壳一起连接到环形电路板的地端，从而使得抗静电指标从4千伏A级提高到24千伏A级和30千伏B级。

2.根据权利要求1所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：所述二个线性霍尔传感器各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度，具体为：假设一个多对极小磁环上设有N对磁极，则二个线性霍尔传感器之间的摆放角度=[(360°+90°)÷N] ±（360°÷ N）。

3.根据权利要求1所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：所述二个线性霍尔传感器各自中心点到电机中心点连线形成的夹角为一个设定的角度。

4.根据权利要求3所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：该设定的角度包括但不限于二个线性霍尔传感器之间的机械角度为（360°+90°）÷10=45°。

5.根据权利要求1所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：所述二个线性霍尔传感器对于磁环的分辨率小于0.01度，一圈360°能够分辨出至少4万个位置。

6.根据权利要求1所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：所述多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿的数量，以能够形成作用点平面为基准。

7.根据权利要求6所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：该凸齿的数量至少为3个，也即环形电路板内环上的3个凸齿形成一个相对于轴承外圈的作用点平面，该3个凸齿之间120度间隔。

8.根据权利要求1所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：所述多个外表面涂有金属层的均匀间隔的凸齿与电机转子上的轴承外圈紧配合。

9.根据权利要求8所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：轴承相对于凸齿的过盈量为0.075㎜。

10.根据权利要求1所述一种超薄型电机的电路结构，其特征在于：所述二个线性霍尔传感器到电机中心点的径向距离大于环形电路板内环上的凸齿到电机中心点的径向距离；该一个多对极小磁环的中心点和电机转子轴的中心点重合；该一个多对极小磁环的内圆和外圆之间的中心点与霍尔传感器的中心点重合。