CN209948806U - 一种关节直驱电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种关节直驱电机，包括定子和转子，的定子包括定子铁芯和定子绕组，定子铁芯连接定子绕组；的转子包括转子铁芯和磁钢，转子铁芯连接磁钢；转子置于定子内侧，转子相对定子内侧做周向旋转运动；定子内径Di与转子外径do绝对差的1/2为电机的旋转气隙为g，即g＝∣Di‑do∣/2，气隙g为0.3‑1.5mm之间；定子铁芯设置M个嵌线槽，转子铁芯设置N个磁钢槽，转子磁钢片数为p，其中p＝N,通过磁钢磁极沿圆周相间排列形成对应的极数p。通过优化齿槽配合和定转子磁路波形，以克服现有直驱电机技术中反电势畸变严重、谐波含量大、转矩脉动大、电机控制精度和运行不平稳等问题，并通过合理的结构设计提高转速的范围，提高直驱电机额定功率的输出。

Description

一种关节直驱电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，具体涉及一种关节直驱电机。

背景技术

目前机器人动力提供主要为通用伺服电机，随着机器人应用逐渐扩大，在小型化、轻型化、柔性化及智能化机器人的场合，如协作机器人、医疗器械类机器人等。协作及小型化机器人对驱动电机主要要求小型化、高功率密度、高效率、定位精度高，转矩波动小，运行平稳，响应速度快、振动低、噪音少、寿命长、维修方便等优良的电机特性，通用伺服电机已无法满足现有机器人关节的动力需求。机器人目前动力驱动及运动控制主要采用的方式为一体化关节模组(RGM),机器人关节模组对电机要求主要为直驱、小型化及运动及控制平稳。

机器人关节直驱电机DDR是一种在驱动系统控制下将电机直接连接到负载上，实现对负载的直接驱动的电机。其特点为扭矩大、定位精度高、运动平稳、响应速度快、振动低、噪音少、节能、寿命长、维修方便等优良的电机特性。目前关节直驱电机多采用传统电机技术方案设计特点如下分布式绕组、定子槽数远大于磁极数，磁极弧角度，气隙磁场谐波含量大。空间气隙谐波磁场会引起反电势谐波和转矩脉动，极大地影响了关节直驱电机平稳控制和运行，尤其体现在关节直驱电机的低速段的控制性能。另外因为电机气隙磁场谐波会产生谐波激振力，从而引起电机效率偏低、振动大、电磁噪音大。

另外的传统大惯量高速关节直驱电机转子一般采用无磁钢套或高强度纤维线，将表贴磁钢固定防止其高速受离心脱落，此种结构要么制造工艺复杂要么因为无磁钢套强度限制，钢套厚一般在0.5mm以上，从而导致永磁电机的气隙达到1.5mm以上，在保持电机退磁能力及气隙磁场密度，必须加厚永磁体厚度，从而带来永磁体的利用率较低及气隙磁场畸变难以达到有效的正弦形磁场，气隙磁场谐波含量大。

而目前改善气隙磁场谐波通常采用转子磁极削弧、转子斜极、改善绕组布局等技术方案，虽然能在一定程度上得到较好的气隙磁场波形和电机反电势波形，但对于高精度、高效率、高转矩密度的关节直驱电机使用上述技术改进方案难以达到。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种关节直驱电机，通过优化齿槽配合和定转子磁路波形，以克服现有直驱电机技术中反电势畸变严重、谐波含量大、转矩脉动大、电机控制精度和运行不平稳等问题，并通过合理的结构设计提高转速的范围，提高直驱电机额定功率的输出。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种关节直驱电机，包括定子和转子，所述的定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯连接所述定子绕组；所述的转子包括转子铁芯和磁钢，所述转子铁芯连接所述磁钢；所述转子置于定子内侧，转子相对定子内侧做周向旋转运动；所述定子内径Di与转子外径do绝对差的1/2为电机的旋转气隙为g，即g＝∣Di-do∣/2，所述气隙g为0.3-1.5mm之间；所述定子铁芯设置M个嵌线槽，M为16-20个，转子铁芯设置N个磁钢槽，N为16-20个，转子磁钢片数为p，其中p＝N,通过磁钢磁极沿圆周相间排列形成对应的极数p。

进一步，所述定子铁芯由A型冲片构成，所述A型冲片的定子铁芯的外径 Do为55-65mm，内径Di为35-45mm，齿宽bt为2.8-3.6mm；槽口宽bs0为0.5-3mm，槽肩宽bs1为3-6mm，槽底宽bs2为5-8mm，槽口高hs0为0.5-1.2mm，槽肩高 hs1为0.5-1.5mm，槽底高hs2为4-7mm。

进一步，所述槽底部分由两段直线形成夹角α的直线段构成，α为120° -180°，线段连接处设有圆角r0，r0为2-15mm。

进一步，所述槽底由一段圆弧线构成，圆弧线与定子的内外圆同心。

进一步，所述定子铁芯由多个叠放的A型冲片构成。

进一步，所述的定子组装完成后采用环氧树脂或塑料灌封强化处理。

进一步，所述定子绕组的绕组方式为集中式或者分布式。

进一步，所述转子外径do为34-43mm，转子内径di为10-35mm,转子铁芯相邻转子齿之间形成有燕尾槽，其中燕尾槽之间夹角β为5°-25°，槽底宽br0 为3.5-8mm，槽顶高br1为3.2-7.5mm，磁钢宽度为B为3-7mm，削弧R为3-15mm，磁钢厚t为2-4mm，薄边后t1为0.8-3mm。

进一步，所述磁钢均匀相间插入转子铁芯的燕尾槽中。

进一步，所述定子铁芯或转子铁芯(的厚度L为5-50mm。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本实用新型为一种关节直驱电机，通过合理的定子齿(槽)M和转子磁钢槽 N的配合、转子磁极的削弧优化、定转子的磁路结构优化组合设计，得到良好的磁场通路，进而得到较为理想气隙磁场波形和反电势正弦波形。从而降低了电机谐波激振力减少了电机振动噪音，降低了转矩脉动得到良好的控制和运动平稳性能。另外通过优化定转子的磁路，在合理磁路结构和气隙磁场情况下得到尽量大的槽面积，在相同槽利用率St的情况下，可采用大规格的铜线进行绕线，从而降低电机的电阻，降低电机铜耗和铁耗，提高电机效率和单位体积功率密度和转矩密度输出，提高关节直驱电机(DDR)的性能。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型中一种关节直驱电机的立体结构示意图；

图2为本实用新型中一种关节直驱电机的主视结构示意图；

图3为本实用新型中一种关节直驱电机的侧视结构示意图；

图4为本实用新型中A型冲片的结构示意图；

图5为本实用新型中图4中A处的结构示意图；

图6为本实用新型中定子铁芯的正面结构示意图；

图7为本实用新型中定子铁芯的侧面结构示意图；

图8为本实用新型中转子铁芯的结构示意图；

图9为本实用新型中图8中B处的结构示意图；

图10为本实用新型中B型冲片的结构示意图。

图中：01-定子；02-转子；03-霍尔板组件；101定子铁芯；102定子绕组；

201-转子铁芯；202-磁钢；211-转子铁芯燕尾槽；212-转子铁芯齿；

M-定子齿槽数；N-转子齿槽数；g-电机定转子气隙；θ-霍尔机械夹角；Do- 定子外径；Di-定子内径；d0-转子外径；di-转子内径；L-电机铁芯厚度；p-磁极数；bs0-槽口宽；bs1-槽肩宽；bs2-槽底宽；hs0-槽口高；hs1-槽肩高；hs2- 槽底高；α-槽底夹角、r0-槽底倒圆角；B-磁钢宽度；t-磁钢厚度；t1-磁钢薄边厚度；br0-转子槽底宽；br1-转子槽顶宽；β-转子齿夹角。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

实施例1

如图1-9所示，所述的关节直驱电机，包括定子(01)和转子(02)，其特征在于：所述的定子(01)包括定子铁芯(101)和定子绕组(102)，所述定子铁芯(101)连接所述定子绕组(102)；所述的转子(02)包括转子铁芯 (201)和磁钢(202)，所述转子铁芯(201)连接所述磁钢(202)；所述转子置于定子内侧，转子相对定子内侧做周向旋转运动；

如图2和图3所示，定子(02)内径Di与转子(02)外径do绝对差的1/2 为电机的旋转气隙为g，即g＝∣Di-do∣/2，之间，电机气隙g为0.3-1.5mm。

所述定子铁芯设置M个嵌线槽，M为16-20个，转子铁芯设置N个磁钢槽， N为16-20个，转子磁钢片数为p，其中p＝N,通过磁钢磁极沿圆周相间排列形成对应的极数p。

优选地，定子铁芯(101)设置18个嵌线槽，转子铁芯(201)设置16或 20个磁钢槽，转子磁钢(202)片数为16或20，其中通过磁钢磁极沿圆周相间排列形成对应的极数16或20。

如图4和图5所示，在定子铁芯(101)圆周内壁设置18个均布的齿槽。

优选地，参看图4、图5，定子铁芯(201)由A型冲片或者B型冲片构成。B 型冲片齿部按霍尔机械夹角θ开设3个霍尔安装槽，槽深m0为1.2-2mm，其余部分与A型冲片完全相同。

优选地，定子(01)外径Do为55-65mm，内径Di为35-45mm。

优选地，转子(02)外径do为34-43mm，转子内径di为10-35mm。

优选地，电机铁芯厚L为5-50mm。

优选地本实施的冲片齿宽bt为2.8-3.6mm。

优选地定子冲片槽口宽bs0为0.5-3mm，槽肩宽bs1为3-6mm，槽底宽bs2 为5-8mm，槽口高hs0为0.5-1.2mm，槽肩高hs1为0.5-1.5mm，槽底高hs2为 4-7mm。

本实施方式中，优选地，定子冲片槽底部分由两段直线形成夹角α的直线段构成，α为120°-180°，线段连接处倒r0的圆角，r0为2-15mm；

本实施方式中，进一步的，定子冲片槽底槽底由一段圆弧线构成，圆弧线与定子内外圆同心，定子轭部由一段等壁厚的圆环段构成，另一种由整段曲线或直线构成的槽底，属于本实用新型一种变种形式，效果与以上相当，在此不再一一赘述

通过上述设置，如图6和图7所示，定子铁芯有多个叠放的由A型冲片或者B型冲片构成需要叠厚为L的定子铁芯。

优选地，由A型冲片或者B型冲片组合成的定子铁芯霍尔槽高K为 3.0-5.5mm。

进一步地仅由A型冲片构成L高度定子铁芯为本发明另一种形式铁芯，叠压组合方式同上，在此不再一一赘述。

优选地，定子绕组，预设绕组方式包括集中式绕组或者分布式绕组。

通过上述设置，制作出本实用新型需要的铁芯，然后按照特定的绝缘、绕线和落线，接线整形并浸漆形成，完成电机的定子(01)制作。

优选地定子，组装整形完成后采用环氧树脂整体固化

优选地关节直驱电机，铁芯厚度L为5-50mm；

如图8和图9所示，优选地，转子铁芯相邻转子齿(212)之间形成有燕尾槽(211)，其中燕尾槽(211)之间夹角β为5°-25°，槽底宽br0为3.5-8mm，槽顶高br1为3.2-7.5mm。

优选地磁钢宽度为B为3-7mm，削弧R为3-15mm，磁钢厚t为2-4mm，薄边后t1为0.8-3mm。

优选地将定型好的磁钢极性相间插入到转子铁芯中，转子铁芯(201)与磁钢(202)采用胶水或等效粘接剂进行粘接，磁钢通过转子预设的燕尾槽和胶水可初步满足中高转速电机应用。

更进一步，将通过上述成型好转子外围用碳纤维或钢铝防护套方式及转子整体塑料固化，效果等同于本实用新型的燕尾槽形式，也属于本实用新型的保护范畴，制作和实现方式在此不再一一赘述。

通过上述设置，将转子铁芯(201)、磁钢(202)组装完成电机的转子(01) 制作。

按本实用新型实施例结构关节直驱电机，采用合理的定子齿槽18和转子极数16或20配合，可以实现定子绕组方式由集中绕组方式代替了传统分式绕组方式，极大地降低了生产过程中匝间、耐压不良等质量问题。并在电机气隙能得到较好的气隙磁场波形，谐波含量较低，绕组反电势呈现正弦形。可以有效的提高电机效率，提高了电机控制和运行的平稳性，减少了转矩脉动、减少了电机振动和噪音。在合理磁路结构和气隙磁场情况下得到尽量大的槽面积，在相同槽利用率St的情况下，可采用大规格的铜线进行绕线，从而降低电机的电阻，降低电机铜耗和铁耗，提高电机效率和单位体积功率密度和转矩密度输出，另外转子部分转子槽采用防脱落的燕尾槽结构设计，可以有效的提高电机的转速限制，进而在特定扭矩不变的情况下提高电机的功率输出能力提高关节直驱电机(DDR)的性能。

作为本实用新型的另一实施例2

如图2所示，在实施例1所有的基础上，增加尔板组件(03)，所述的霍尔板组件(03)包括霍尔PCB板(301)、霍尔(302)、霍尔定位环(303)。

优选地，霍尔板组件(03)设置3个霍尔(302)，霍尔(302)间机械夹角为θ，应满足θ＝120°Q/P，其中Q为正整数，P为极对数，P＝2p，机械夹角θ为15°、30°、60°或120°霍尔初始定位位置应在齿或槽中心。

优选地，霍尔(302)为3个，根据槽极配合计算确定霍尔机械夹角θ，机械夹角θ为15°、30°、60°或120°。

优选地，霍尔初始定位位置在齿或槽中心，霍尔感应面径向定位位置在定子内圆Di～Di+1的范围内。

优选地，霍尔PCB板(301)和霍尔定位环(303)，先通过确定的霍尔定位夹角设置霍尔安装位置，然后霍尔PCB板(301)和霍尔定位环(303)，进行线路和安装定位位置的设置和布局。

通过以上设置，将霍尔板PCB(301)、霍尔(302)、霍尔定位环及其他附件组装成电机所需的霍尔板组件(03)

通过上述设置，将成型好定子(01)、转子(02)、霍尔板组件(03)按一定顺序安装定位，制作的本实用新型的关节直驱电机。

以上仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此。任何以本实用新型为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种关节直驱电机，包括定子(01)和转子(02)，其特征在于：所述的定子(01)包括定子铁芯(101)和定子绕组(102)，所述定子铁芯(101)连接所述定子绕组(102)；所述的转子(02)包括转子铁芯(201)和磁钢(202)，所述转子铁芯(201)连接所述磁钢(202)；所述转子置于定子内侧，转子相对定子内侧做周向旋转运动；所述定子内径Di与转子外径do绝对差的1/2为电机的旋转气隙为g，即g＝∣Di-do∣/2，所述气隙g为0.3-1.5mm之间；所述定子铁芯设置M个嵌线槽，M为16-20个，转子铁芯设置N个磁钢槽，N为16-20个，转子磁钢片数为p，其中p＝N,通过磁钢磁极沿圆周相间排列形成对应的极数p。

2.根据权利要求1所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述定子铁芯由A型冲片构成，所述A型冲片的定子铁芯的外径Do为55-65mm，内径Di为35-45mm，齿宽bt为2.8-3.6mm；槽口宽bs0为0.5-3mm，槽肩宽bs1为3-6mm，槽底宽bs2为5-8mm，槽口高hs0为0.5-1.2mm，槽肩高hs1为0.5-1.5mm，槽底高hs2为4-7mm。

3.根据权利要求2所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述槽底部分由两段直线形成夹角α的直线段构成，α为120°-180°，线段连接处设有圆角r0，r0为2-15mm。

4.根据权利要求2所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述槽底由一段圆弧线构成，圆弧线与定子的内外圆同心。

5.根据权利要求2所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述定子铁芯由多个叠放的A型冲片或者B型冲片构成。

6.根据权利要求1或2所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述的定子组装完成后采用环氧树脂或塑料灌封强化处理。

7.根据权利要求1所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述定子绕组的绕组方式为集中式或者分布式。

8.根据权利要求1所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述转子外径do为34-43mm，转子内径di为10-35mm,转子铁芯相邻转子齿(212)之间形成有燕尾槽(211)，其中燕尾槽(211)之间夹角β为5°-25°，槽底宽br0为3.5-8mm，槽顶高br1为3.2-7.5mm，磁钢宽度为B为3-7mm，削弧R为3-15mm，磁钢厚t为2-4mm，薄边后t1为0.8-3mm。

9.根据权利要求8所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述磁钢(202)均匀相间插入转子铁芯(201)的燕尾槽(211)中。

10.根据权利要求1所述的一种关节直驱电机，其特征在于：所述定子铁芯(101)或转子铁芯(201)的厚度L为5-50mm。

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