CN209963860U - 一种空心杯有刷直流电机及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电机技术领域，旨在提供一种空心杯有刷直流电机及机器人，包括套接于电机转轴的拉管、套设于拉管上的辐射环结构以及活动套设于辐射环结构的空心杯绕组组件，其中，辐射环结构包括至少一个由2P个磁极形成的环形结构，P为大于1的正整数。本实用新型，通过改变磁环的具体结构，如增加磁极极数和/或磁环的个数，并确保各环形结构中的N极和S极相对应，以此可以有效地减少电机的漏磁，改善电机内部气隙的磁密波形，使得辐射环结构中的各环形结构能将单位体积内的最大磁性能发挥出来，进而增大电机的输出转矩和输出效率，降低电机的转矩波动，降低电机的成本。

Description

一种空心杯有刷直流电机及机器人

技术领域

本实用新型属于电机技术领域，更具体地说，是涉及一种空心杯有刷直流电机及机器人。

背景技术

空心杯电机属于直流永磁的伺服、控制电动机，因其采用无铁芯转子，而彻底地消除了传统电机中由于铁芯形成涡流造成电能损耗，故，其具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性。通常，空心杯电机分为有刷和无刷两种类型。以有刷这一类型为例，现有的空心杯有刷直流电机因永磁体内部装有导磁的薄的不锈钢拉管，拉管内装有轴承，轴承中通过可旋转的电机转轴，拉管与电机转轴之间留有气隙。

其中，永磁体形成的磁场回路在经过拉管和电机转轴时，容易存在电机整体漏磁场大，气隙的磁密分布不均匀，难以实现正弦充磁等问题；同时，由于拉管与电机轴的气隙过大，造成磁路饱和，容易使得局部的永磁体磁路存在一定的漏磁，致使电机气隙的磁通密度难以达到最佳状态，也即，气隙的磁密降低。另外，还存在电机成本大幅增加，电机转矩波动大等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种空心杯有刷直流电机，用以解决现有的空心杯有刷直流电机存在的漏磁大、气隙的磁密分布不均且降低、电机成本高以及转矩波动大的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：提供一种空心杯有刷直流电机，该空心杯有刷直流电机包括：

机壳，为开设有开口的中空结构；

后盖组件，盖设于所述机壳的所述开口；以及，

电机转轴，一端连接于所述后盖组件的内侧壁上，另一端延伸至所述机壳外；

于所述机壳内，所述空心杯有刷直流电机还包括：

第一轴承，于远离所述后盖组件的一侧套设于所述电机转轴上；

第二轴承，套设于所述电机转轴，且连接于所述后盖组件上；

拉管，套接于所述电机转轴，一端连接所述第一轴承，另一端连接所述第二轴承；

辐射环结构，套设于所述拉管上；以及，

空心杯绕组组件，活动套设于所述辐射环结构；

其中，所述辐射环结构包括至少一个由2P个磁极形成的环形结构，P为大于1的正整数。

在一个实施例中，所述辐射环结构包括：

第一磁环，套设于所述拉管上；和

第二磁环，套设于所述第一磁环，并固定连接于所述机壳上；

于所述第一磁环和所述第二磁环之间，空心杯绕组组件活动套设于所述第一磁环；

其中，所述第一磁环和所述第二磁环为2P个磁极形成的环形结构，P为大于1的正整数，各所述磁极采用正弦充磁方式，且所述第一磁环和所述第二磁环的N极和S极相对应。

在一个实施例中，所述第一磁环中的N极和S极相邻设置，并围绕所述第一磁环的中心均匀分布；所述第二磁环中的N极和S极相邻设置，并围绕所述第二磁环的中心均匀分布。

在一个实施例中，所述拉管的一端连接所述第一轴承的外圈，另一端连接所述第二轴承的外圈。

在一个实施例中，所述拉管、所述第一磁环、所述空心杯绕组组件和所述第二磁环的中心线与所述电机转轴的中心轴线位于同一直线上。

在一个实施例中，所述拉管、所述第一磁环和所述第二磁环的两端对应相对齐。

在一个实施例中，所述第一磁环的内表面与所述拉管的外表面适配。

在一个实施例中，所述第一磁环和所述第二磁环的外周壁上设置有便于充磁的标记。

在一个实施例中，所述后盖组件包括盖设于所述开口上的盖体、设置于所述盖体内侧壁上的电刷以及延伸至所述盖体外侧的引脚。

本实用新型的目的还在于提供一种机器人，该机器人包括上述的空心杯有刷直流电机。

本实用新型提供的空心杯有刷直流电机及机器人，采用辐射环结构，将该辐射环结构设计成包括至少一个由2P个磁极形成的环形结构，其中，P为大于1的正整数，各磁极采用正弦充磁方式，且各环形结构中的N极和S极相对应，这样，在无需对现有的空心杯有刷直流电机有大变动的基础上，通过改变磁环的具体结构，如增加磁极极数等，以此即可有效地减少电机的磁路，改善电机内部气隙的磁密波形，增加电机气隙磁密，使得各磁环结构能将单位体积内的最大磁性能发挥出来，进而增大电机的输出转矩和输出效率，降低电机的转矩波动，提高电机的整体性能，进而降低电机体积，减小永磁材料的用量，降低电机的成本。

附图说明

为更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型实施例中空心杯有刷直流电机的外观结构示意图；

图2是图1中空心杯有刷直流电机的立体爆炸示意图，其中，辐射环结构包括第一磁环和第二磁环；

图3是图1中空心杯有刷直流电机的侧视图；

图4是图3中空心杯有刷直流电机A-A剖面的剖视图；

图5是图1中空心杯有刷直流电机去掉壳体、后盖组件和各轴承后的立体结构示意图；

图6是图4中空心杯有刷直流电机的第一磁环和第二磁环之间的立体装配结构示意图；

图7是图6的侧视图；

图8是示范例中2极空心杯电机的磁力线分布图；

图9是图4中4极空心杯有刷直流电机的磁力线分布图；

图10是示范例中2极空心杯电机空载时的气隙磁密波形图；

图11是图4中4极空心杯有刷直流电机空载时的气隙磁密波形图；

图12是示范例中2极空心杯电机空载时的气隙磁密FFT波形图；

图13是图4中4极空心杯有刷直流电机空载时的气隙磁密FFT波形图；

图14是示范例中2极空心杯电机空载时的反电动势波形图；

图15是图4中4极空心杯有刷直流电机空载时的反电动势波形图。

其中，附图中的标号如下：

100-机壳、110-容腔、120-开口、130-壳底；

200-后盖组件、210-盖体、220-引脚；

300-电机转轴、400-第一轴承、500-第二轴承；

600-拉管、610-凹槽、620-通孔；

700-第一磁环、710-第一N极、720-第一S极、800-第二磁环、810-第二N极、820-第二S极、900-空心杯绕组组件。

具体实施方式

为使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体附图及具体实施例，进一步对本实用新型作详细说明。其中，本实用新型具体实施例的附图中相同或相似的标号表示相同或相似的元件，或者具有相同或类似功能的元件。应当理解地，下面所描述的具体实施例旨在用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅为便于描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。总之，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以下结合附图1至图15对本实用新型提供的一种空心杯有刷直流电机的实现进行详细地描述。

需说明的是，该空心杯有刷直流电机，可以用到机器人中，还可用到其它合适的产品中，在此不做限制。

如图1至图4所示，该空心杯有刷直流电机，包括机壳100、后盖组件200以及电机转轴300。其中，如图2和图4所示，机壳100通常为开设有开口120的中空结构。具体地，机壳100可以由多块壳体组合而成，也可一体成型而成。如图4所示，机壳100开设有容腔110和与容腔110相通的开口120，后盖组件200盖设于机壳100的开口120，这样，机壳100和后盖组件200之间即可形成密闭的容纳空间，以利于减少磁漏及保护该空心杯有刷直流电机。

在本实用新型中，于机壳100的开口120相对的一侧，机壳100的壳底130开设连接孔(图未示)。如图4所示，电机转轴300的一端连接于后盖组件200的内侧壁上，电机转轴300的另一端延伸至机壳100外，具体地，电机转轴300的另一端(也即负载端)穿过连接孔并从连接孔处伸出机壳100。

在本实用新型中，如图4所示，于机壳100内，该空心杯有刷直流电机还包括第一轴承400、第二轴承500、拉管600、辐射环结构以及空心杯绕组组件900。其中，第一轴承400于远离后盖组件200的一侧套设于电机转轴300上，第二轴承500套设于电机转轴300且连接于后盖组件200上。拉管600套接于电机转轴300，且拉管600的一端连接第一轴承400，另一端连接第二轴承500。可以理解地，电机转轴300和拉管600之间在径向方向上存在间隙(也即下述的气隙)，第一轴承400和第二轴承500分别位于拉管600的两端，主要用以确保拉管600向电机转轴300传递转矩，并带动电机转轴300转动，从而带动电机转轴300的负载端连接的负载转动。

在本实用新型中，辐射环结构套设于拉管600上，空心杯绕组组件900活动套设于辐射环结构。其中，辐射环结构包括至少一个由2P个磁极形成的环形结构，P为大于1的正整数。也即是说，辐射环结构可以为一个由2P个磁极形成的环形结构，也可以为两个由2P个磁极形成的环形结构组成的磁体结构，当然，还可以由更多个环形结构形成。为方便介绍，本实用新型主要以4极双磁环的空心杯有刷直流电机结构为例进行说明。

具体在本实用新型中，上述环形结构中的各所述磁极采用正弦充磁方式，且各环形结构中的N极和S极相对应。可以理解地，通过将示范例(2极单永磁体空心杯有刷直流电机的常见结构)中的永磁体更改为多级的环形结构，这样，该电机更易通过正弦充磁来对各环形结构中的各磁极进行充磁，同时，可以改善电机气隙磁通波形，减少电机的力矩波动，提高电机的转矩能力，具体地，电机的力矩系数、反电动势的系数可以得到提升，故此，电机的运行效果提升，温升降低。在保证电机性能的情况下，可以减小永磁体的用量，从而降低电机的成本。

在一个实施例中，如图4所示，为确保电机气隙磁通波形更加均匀，电机的性能更佳，辐射环结构包括第一磁环700和第二磁环800。其中，第一磁环700套设于拉管600上；对应地，第二磁环800套设于第一磁环700上，并固定连接于机壳100上；于第一磁环700和第二磁环800之间，空心杯绕组组件900活动套设于第一磁环700上；可以理解地，如图5所示，第一磁环700、空心杯绕组组件900和第二磁环800之间依次由内至外套设，第一磁环700和第二磁环800固定不动，空心杯绕组组件900可以围绕电机转轴300的中心轴做圆周运动。

在本实施例中，如图6和图7所示，第一磁环700和第二磁环800为2P个磁极形成的环形结构，P为大于1的正整数。也即是说，第一磁环700可以为4个磁极、6个磁极等偶数个磁极形成的环形结构。同理，第二磁环800也可以为4个磁极、6个磁极等偶数个磁极形成的环形结构。另外，第一磁环700和第二磁环800的N极和S极相对应。这样，即可使第一磁环700和第二磁环800充分地发挥出单位体积内的最大磁性能。可以理解地，第一磁环700包括至少两个N极和至少两个S极，对应地，第二磁环800包括至少两个N极和至少两个S极。

在一个实施例中，为确保磁力线更加分布均匀，第一磁环700中的N极和S极相邻设置，且第一磁环700中N极和S极围绕第一磁环700的中心均匀分布，同理，第二磁环800中的N极和S极相邻设置，且第二磁环800中N极和S极围绕第二磁环800的中心均匀分布。

具体如图7所示，以4个磁极为例，第一磁环700包括两个第一N极710和两个第一S极720，其中，第一N极710和第一S极720相邻设置；同理，第二磁环800包括两个第二N极810和两个第二S极820，其中，第二N极810和第二S极820相邻设置，显然，第一磁环700中的第一N极710与第二磁环800中的第二S极820在径向方向上相对应，且第一N极710和第二S极820的起始端和终止端之间的夹角均为90度。同理，第一磁环700中的第一S极720与第二磁环800中的第二N极810在径向方向上相对应，第一S极720和第二N极810的起始端和终止端之间的夹角均为90度。

需说明的是，第一磁环700和第二磁环800均采用钕铁硼磁钢材料制成。可以理解地，该电机通过对辐射环结构采用多极结构，该电机更易通过正弦充磁来对第一磁环700和第二磁环800中的各磁极进行充磁，这样，可以改善电机气隙磁通波形，减少电机的力矩波动，提高电机的转矩能力，具体地，电机的力矩系数、反电动势的系数可以得到提升，故此，电机的运行效果提升，温升降低。在保证电机性能的情况下，可以减小永磁体(如第一磁环700、第二磁环800中的磁性材料)的用量，从而降低电机的成本。

在一个实施例中，如图4所示，为减小电机的总体体积，确保电机的结构更加紧凑，以及保证转矩的顺畅传输，在机壳100的容腔110内，拉管600的一端连接第一轴承400的外圈，拉管600的另一端连接第二轴承500的外圈。具体地，如图4和图5所示，在拉管600的轴向方向上，拉管600的两端分别开设有凹槽610，拉管600开设有与两凹槽610相通的通孔620。其中，电机转轴300贯穿通孔620。第一轴承400穿过电机转轴300，一端(如右端)的外圈与拉管600对应端(如左端)的凹槽610的槽底相抵接，另一端(即远离后盖组件200的一侧端，如右端)间隙于机壳100的内侧壁(具体为壳底130)。对应地，第二轴承500穿过电机转轴300，一端(如左端)的外圈与拉管600的对应端(如右端)的凹槽610的槽底相抵接，另一端(如右端)固定连接于后盖组件200的内侧壁上。

在一个实施例中，如图4所示，为确保产生的转矩能顺畅地传输到电机转轴300上，提高电机的转矩性能，降低电机生产成本，拉管600、第一磁环700、空心杯绕组组件900和第二磁环800的中心线与电机转轴300的中心轴线位于同一直线上。也即，拉管600、第一磁环700、空心杯绕组组件900、第二磁环800以及电机转轴300为同轴设置。可以理解地，空心杯绕组组件900与电机转轴300同轴转动。

在一个实施例中，如图4所示，为减小电机的体积，确保电机的结构更加紧凑，从而减少生产成本，拉管600、第一磁环700和第二磁环800的两端对应相对齐。具体地，拉管600的左端、第一磁环700的左端和第二磁环800的左端相对齐，拉管600的右端、第一磁环700的右端和第二磁环800的右端相对齐。可以理解地，拉管600的轴向长度、第一磁环700的轴向长度和第二磁环800的轴向长度相同。当然，实际上，这三者的轴向长度可以稍微有所不同。譬如，拉管600的轴向长度可以略大于或略小于第一磁环700的轴向长度。

在一个实施例中，如图4所示，同理，为进一步减少电机的体积，减少电机的生产成本，空心杯绕组组件900的两端与第一磁环700的两端分别相对齐。譬如，空心杯绕组组件900的左端与第一磁环700的左端相对齐。可以理解地，空心杯绕组组件900的轴向长度也等于第一磁环700的轴向长度。

在一个实施例中，如图4所示，为确保电机的磁密分布均匀，增加电机气隙磁密，提高电机的转矩性能，第一磁环700的内表面与拉管600的外表面紧密适配。可以理解地，第一磁环700的内表面形状和大小分别适配于拉管600的外表面的形状和大小。故此，第一磁环700和拉管600之间为无间隙的紧配合。

在一个实施例中，如图4所示，为方便对第一磁环700和第二磁环800中的各磁极进行正弦充磁，第一磁环700的外周壁上设置有便于充磁的标记(图未示)，对应地，第二磁环800的外周壁上设置有便于充磁的标记(图未示)。需说明的是，第一磁环700中的标记可以与第二磁环800中的标记相同，也可以不同，两者可以为标记线，也可为其它合适的起标记作用的记号。

在一个实施例中，如图2和图4所示，后盖组件200包括盖体210、电刷(图未示)以及引脚220。其中，盖体210盖设于机壳100的开口120上；电刷设置于盖体210内侧壁上；引脚220延伸至盖体210的外侧。具体在本实施例中，盖体210与机壳100之间为过盈配合，以确保盖体210和机壳100牢固连接，并使机壳100的容腔110成为密闭的空间；后盖组件200包括一对电刷和一对引脚220，其中，电刷与引脚220一一对应并且电性连接。可以理解地，电刷通过对应的引脚220与外部直流电源电性连接。

需说明的是，在一个实施例中，空心杯绕组组件900包括绕组线圈(图未示)、换向器(图未示)和支架(图未示)。其中，绕组线圈与电机转轴300同轴设置，换向器设置在电机转轴300靠近后壳组件的一端上，支架设置在后盖组件200内。另外，绕组线圈与第一磁环700和第二磁环800之间均存在间隙。可以理解地，直流电源的电能通过电刷和换向器进入到绕组线圈，绕组线圈在电流产生的磁场中发生转动，从而运动中的绕组线圈与第一磁环700和第二磁环800形成的主磁场相互作用，进而产生电磁转矩，最终通过电机转轴300的旋转来带动负载运动。

需说明的是，本实用新型的一个实施例中的空心杯有刷直流电机(以4极的双磁环结构为例)与示范例中的空心杯电机(为2极单永磁体结构)相比，从数据上分析，大致具有如下特点：

(1)对比图8和图9所示，本实用新型4极的双磁环直流电机的磁力线分布更加均匀，对应地，漏磁将相对较少；

(2)对比图10和图11所示，本实用新型4极的双磁环直流电机的气隙磁密波形更加趋近正弦曲线，故此，谐波的含量明显减少；

(3)对比图12和图13所示，本实用新型4极的双磁环直流电机在空载时，气隙磁密FFT波形图中的幅值提高。具体地，示范例中的幅值为0.633，本实用新型中的幅值为0.90，故此，可以提高1.43倍。当然，实际上，还可根据其它设置的不同，该幅值比例还会有所不同，但总体趋势是幅值得到提高；

(4)对比图14和图15所示，本实用新型4极的双磁环直流电机在空载时，反电动势波形图中，其反电动势的系数提高。具体地，示范例中的系数为20，本实用新型中的幅值为31.1，故此，可以提高1.55倍。当然，实际上，根据实际需要的不同设置，该反电动势的系数比值可以有所变化，但总体趋势是该系数比值大于1，也即系数得到提高。可以理解地，本实用新型中的反电动势波形的正弦度佳，谐波含量将进一步明显减少。

除此之外，以一款直径为40mm的空心杯直流电机为例，对比示范例中2极单永磁体结构和本实用新型中的4极的单磁环结构，假设两电机具有相同的外径长度，空心杯绕组组件900中的绕组线圈的匝数相同，磁环采用的永磁材料及磁环的外径均相同，此种情况下，本实用新型中4极的单磁环电机中的磁铁厚度明显下降，可以从3.5mm下降到2.5mm。当然，实际上，本实用新型中电机的磁铁厚度下降幅度会根据不同情况而变，但总体上，其磁铁的厚度会减小，故此，所需的永磁材料将减少，从而减少电机的成本。

总体上，相比示范例中采用2极的单个永磁体空心杯有刷直流电机结构而言，本实施例中多极双磁环的空心杯有刷直流电机，无需大的变动，主要是通过变更磁环结构，将第一磁环700设置为更多偶数极的磁环，另外，还增加一个第二磁环800，并将第二磁环800也设置为更多偶数极的磁环，有时还可对应地将充磁方式更改为正弦充磁，由此，即可通过第一磁环700和第二磁环800的多极结构，有效地减少电机的磁路，改善电机内部气隙的磁密波形，增加电机气隙磁密，使得第一磁环700和第二磁环800分别能将单位体积内的最大磁性能发挥出来，进而增大电机的输出转矩和输出效率，降低电机的转矩波动，提高电机的整体性能，进而降低电机体积，降低电机的成本。

本实用新型还提供一种机器人，该机器人包括上述的空心杯有刷直流电机。其中，该机器人通过使用该空心杯有刷直流电机，响应更稳定，转矩性能更佳，成本更低。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种空心杯有刷直流电机，包括：

机壳，为开设有开口的中空结构；

后盖组件，盖设于所述机壳的所述开口；以及，

电机转轴，一端连接于所述后盖组件的内侧壁上，另一端延伸至所述机壳外；

其特征在于，于所述机壳内，所述空心杯有刷直流电机还包括：

第一轴承，于远离所述后盖组件的一侧套设于所述电机转轴上；

第二轴承，套设于所述电机转轴，且连接于所述后盖组件上；

拉管，套接于所述电机转轴，一端连接所述第一轴承，另一端连接所述第二轴承；

辐射环结构，套设于所述拉管上；以及，

空心杯绕组组件，活动套设于所述辐射环结构；

其中，所述辐射环结构包括至少一个由2P个磁极形成的环形结构，P为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述辐射环结构包括：

第一磁环，套设于所述拉管上；和

第二磁环，套设于所述第一磁环，并固定连接于所述机壳上；

于所述第一磁环和所述第二磁环之间，空心杯绕组组件活动套设于所述第一磁环；

其中，所述第一磁环和所述第二磁环为2P个磁极形成的环形结构，P为大于1的正整数，各所述磁极采用正弦充磁方式，且所述第一磁环和所述第二磁环的N极和S极相对应。

3.根据权利要求2所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述第一磁环中的N极和S极相邻设置，并围绕所述第一磁环的中心均匀分布；所述第二磁环中的N极和S极相邻设置，并围绕所述第二磁环的中心均匀分布。

4.根据权利要求1所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述拉管的一端连接所述第一轴承的外圈，另一端连接所述第二轴承的外圈。

5.根据权利要求2所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述拉管、所述第一磁环、所述空心杯绕组组件和所述第二磁环的中心线与所述电机转轴的中心轴线位于同一直线上。

6.根据权利要求2所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述拉管、所述第一磁环和所述第二磁环的两端对应相对齐。

7.根据权利要求2所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述第一磁环的内表面与所述拉管的外表面适配。

8.根据权利要求2所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述第一磁环和所述第二磁环的外周壁上设置有便于充磁的标记。

9.根据权利要求1至8任一项所述的空心杯有刷直流电机，其特征在于，所述后盖组件包括盖设于所述开口上的盖体、设置于所述盖体内侧壁上的电刷以及延伸至所述盖体外侧的引脚。

10.机器人，其特征在于，包括根据权利要求1至9任一项所述的空心杯有刷直流电机。

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