CN212323827U - 永磁无刷电机及包含其的执行器、机器人 - Google Patents

永磁无刷电机及包含其的执行器、机器人 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及电机技术领域，公开了一种永磁无刷电机及包含其的执行器、机器人。该电机为分数槽集中式绕组电机，包括定子以及转子；定子包括定子铁芯以及定子绕组；定子铁芯包括定子轭部以及若干个定子齿；定子轭部设有拼接凹腔，定子齿设有与拼接凹腔匹配的拼接头部，定子齿以及定子轭部通过拼接头部与拼接凹腔拼接并固定在一起；定子绕组包括：由机器绕线成型并套设于各定子齿的绕组线圈或直接绕设于各定子齿上的绕组线圈；转子包括：永磁体和永磁体载体。本实用新型实施例可在保证电机运行平稳性、齿槽转矩低的情况下提高槽满率，改善电磁性能，从而提高电机常数和输出功率密度；同时还可大幅提高材料利用率，从而降低成本。

Description

永磁无刷电机及包含其的执行器、机器人
技术领域
本实用新型涉及电机技术领域，特别涉及一种永磁无刷电机及包含其的执行器、机器人。
背景技术
近年来机器人领域发展迅速，尤其是特种机器人，比如足式机器人。这类机器人对执行器提出了很高的要求：转速低(500rpm以下)、力矩大、重量轻、输出功率大、体积小、响应速度快。执行器的性能直接决定机器人性能，而执行器的性能直接由电机决定。机器人用电机的性能可以用电机常数密度衡量，即：单位质量的电机常数，其中，电机常数的定义为：
Figure BDA0002567785870000011
然而，现有机器人用电机或尺寸相接近的电机，其电机常数密度一般小于
Figure BDA0002567785870000012
发明人发现相关技术至少存在如下问题：
1.现有机器人用电机一般采用带有靴部的定子齿以保证齿槽转矩较低和电机运行的平稳性。而带有靴部的定子齿又限制了绕线工艺的选择，使得绕组线圈一般通过专用的绕线机直接绕设于定子齿。该种加工方式严重限制了电机定子槽满率，从而影响电机的性能。
2.现有机器人执行器中电机普遍采用高转速低扭矩的电磁设计配合高减速比减速器来达到高扭矩输出，在通过提高电机转矩性能来提升执行器性能方面仍有较大欠缺。
3.现有机器人电机工艺在铁芯制造过程当中材料利用率低，材料浪费情况严重，影响电机成本。
4.现有机器人电机的定子铁芯普遍采用无取向硅钢片一体冲片制成，并且定子齿的磁通接近或达到饱和，铁损较高，影响电机的运行效率。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种永磁无刷电机及包含其的执行器、机器人，可在保证电机运行平稳性、齿槽转矩低的情况下提高槽满率，改善电磁性能，从而提高电机常数和输出功率密度；同时还可大幅提高材料利用率，从而降低成本。
为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种永磁无刷电机，所述电机为分数槽电机，包括：定子以及转子；
所述定子包括：定子铁芯以及定子绕组；所述定子绕组为集中式绕组；
所述定子铁芯包括：定子轭部以及若干个定子齿；所述定子轭部设有拼接凹腔，所述定子齿设有与所述拼接凹腔匹配的拼接头部，所述定子齿以及所述定子轭部通过所述拼接头部与所述拼接凹腔拼接并固定在一起；所述定子齿表面设有绝缘层；所述定子绕组包括：由机器绕线成型并套设于各所述定子齿的绕组线圈或直接绕设于各所述定子齿上的绕组线圈；
所述转子包括：永磁体和永磁体载体；其中，所述永磁体用于励磁产生旋转磁场。
本实用新型的实施方式还提供了一种执行器，包括：如前所述的永磁无刷电机。
本实用新型的实施方式还提供了一种机器人，包括：如前所述的执行器。
作为一种实施例，所述定子齿由有取向硅钢片或者矽钢片冲压叠片而成，且所述定子齿的磁通方向与所述有取向硅钢片或者矽钢片的碾压方向同向；
或者，所述定子齿由高饱和磁感应软磁材料片冲压叠片而成；
可选地，所述软磁材料片的磁饱和强度大于或者等于2.0特斯拉；
可选地，所述定子齿周向突出部分形成倒角。
作为一种实施例，所述定子轭部由软磁材料一体成型。
作为一种实施例，所述定子齿最窄处宽度大于或者等于所述定子内圆周长的N分之一的25％，且小于或者等于所述定子内圆周长的N分之一的70％，其中，N为定子齿的齿数；
所述定子轭部厚度大于或者等于所述定子齿最窄处宽度的40％，且小于或者等于所述定子齿最窄处宽度的250％；
可选地，所述永磁体的平均径向厚度小于或者等于所述定子和所述转子之间的平均气隙距离的25倍，且大于或者等于所述平均气隙距离的3倍；
可选地，所述定子铁芯轴向高度小于或者等于定子外径的20％；
可选地，所述平均气隙距离小于或者等于所述定子外径的0.65％；
可选地，所述定子铁芯内径大于或者等于定子铁芯外径的75％，且小于或者等于所述定子铁芯外径的90％；
可选地，所述定子齿宽度小于或者等于4.0mm。
作为一种实施例，从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度均相同；或者
从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度逐渐增大。
作为一种实施例，所述永磁体设置于所述永磁体载体相对所述定子的一侧表面。
作为一种实施例，所述永磁体包括若干个永磁块，各所述永磁块均贴附于所述永磁体载体表面；或者，所述永磁体为一体式环状结构，且套设并固定于所述永磁体载体表面；
可选地，所述若干个永磁块形成海尔贝克阵列。
作为一种实施例，所述永磁体的极数与所述定子齿的齿数的比值大于或者等于0.7且小于或者等于1.4；
可选地，所述电机为三相电机，所述电机的齿极数为以下任意一组：
6mk-3m齿与6mk-2m极、6mk-3m齿与6mk-4m极、6mk齿与6mk+2m极、6mk齿与6mk-2m极；其中，k和m为大于0的整数。
从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：
本实用新型实施例中，先单独制作定子齿，再将定子齿拼接固定于定子轭部，从而可以提高材料利用率，从而有利于降低电机成本；并且，在将定子齿拼接固定于定子轭部之前，可以通过机器绕线工艺直接在定子齿上绕制出绕组线圈，或者在定子齿拼接固定于定子轭部后，再将机器绕线成型的绕组线圈套设于定子齿上，相较于现有技术中的绕组线圈直接绕设于固定在定子轭部上的定子齿上而言，可以显著提高槽满率。进一步地，还可以优化电磁设计，从而提高电机的电机常数和输出功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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，可以理解地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一实施例提供的永磁无刷电机的结构示意图；
图2为本实用新型一实施例提供的永磁无刷电机绕组线圈的安装结构示意图；
图3为本实用新型一实施例提供的永磁无刷电机定子轭部的局部放大结构示意图；
图4为本实用新型一实施例提供的永磁无刷电机定子齿的结构示意图；
图5为本实用新型一实施例提供的永磁无刷电机转子的结构示意图；
图6至图12为本实用新型实施例提供的永磁无刷电机的力矩性能仿真效果示意图。
其中：1-定子，2-转子，10-定子铁芯，101-定子轭部，1011-定子轭部本体，1012-拼接凹腔，102-定子齿，1021-定子齿本体，1022-拼接头部，11-绕组线圈，20-永磁体，21-永磁体载体。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
如图1至图5所示，本实用新型实施例提供了一种永磁无刷电机，该电机为分数槽电机。该电机包括：定子1以及转子2。其中，定子1包括定子铁芯10以及定子绕组。本实施例中，定子铁芯10包括：定子轭部101以及若干个定子齿102。定子轭部101包括定子轭部本体1011，定子轭部本体1011上设有拼接凹腔1012。定子齿102包括：定子齿本体1021，定子齿本体1021一端设有与定子轭部101上的拼接凹腔1012匹配的拼接头部1022。定子齿102表面设有绝缘层，其中，定子齿本体1021表面可以全部设置绝缘层，以防止绕组线圈与定子铁芯10之间发生漏电和定子铁芯生锈。定子齿102以及定子轭部101通过拼接头部1022与拼接凹腔1012拼接并固定在一起。其中，在定子铁芯10制作过程中将定子齿10的拼接头部1022嵌入定子轭部101的拼接凹腔1012内即可将两者拼接在一起，同时还可以通过胶水将两者固定在一起，或者通过紧配合方式将两者安装固定在一起，从而将各定子齿102拼接并固定于定子轭部101。本实施例中，定子绕组为集中式绕组，即绕组线圈的节距为1，每个绕组线圈11对应设置于一个而非多个定子齿102上。本实施例中，定子绕组包括：由机器绕线成型并套设于各定子齿102的绕组线圈,可先将各定子齿102安装在定子轭部101，然后再在各定子齿102上套设绕组线圈，各绕组线圈可通过焊接相连形成定子绕组，或者，也可直接通过机器绕出相连的多个绕组线圈。本实施例对于各绕组线圈之间的连接方式不做具体限制。作为一种替换方式，定子绕组的各绕组线圈也可以直接绕设于各定子齿102上。在此，可以将各定子齿安装于绕线机上，直接在定子齿上绕制出绕组线圈，然后再将定子齿102安装于定子轭部101。采用本实施例的绕组线圈设置方式，可使电机的槽满率达到60％，接近圆形导体所能达到的理论槽满率极限值。
现有技术中，定子轭部与定子齿为一体机构，且绕组线圈通过专用定子绕线机直接绕设于定子齿上，因此定子齿及其上的绕组线圈对相邻绕组线圈的绕设过程会造成一定的干涉，使得相邻绕组线圈之间的间隙常常大于2～3mm；此外，现有技术中机器人用电机绕线排布不规则，这些因素严重影响电机的槽满率，而本实用新型实施例无论是先由机器绕制出绕组线圈，再套设于定子齿上，还是先直接在定子齿上绕制出绕组线圈，再将定子齿安装在定子轭部，在绕组线圈加工过程中均不存在任何干涉，因此绕制得到的绕组线圈更易达到设计要求，使得相邻绕组线圈之间的间隙大大减小，从而可大幅提高电机槽满率。本实施例中，通过机器绕制的线圈排布整齐，填充率高，可进一步提高电机力矩密度。此外，本实施例中定子轭部和定子齿为分体结构，因此在加工过程中可大幅提高铁芯材料的利用率，降低制造成本。
可选地，本实施例中，定子齿102由有取向硅钢片或者矽钢片冲压叠片而成，且定子齿102的磁通方向与有取向硅钢片或者矽钢片的碾压方向同向。作为一种替换方式，定子齿102由高饱和磁感应软磁材料片冲压叠片而成。可选地，软磁材料片的磁饱和强度大于或者等于2.0特斯拉。采用有取向硅钢片、矽钢片或高饱和磁感应软磁材料可以增加定子齿的饱和磁通密度，从而增加气隙磁通密度和电机力矩性能，同时降低铁损，提升电机中高速运行时的效率。
可选地，如图3、图4所示，本实施例中，定子齿102的拼接头部1022的外端部分为矩形，内端部分为梯形，定子轭部101上的拼接凹腔的形状与拼接头部的形状相同。可以理解的是，定子齿102的拼接头部1022的形状也可以为弧形或者其他适于将定子齿拼接在定子轭部的形状，本实施例对此不做具体限制，只要便于加工且能将定子齿方便地拼接固定在定子轭部上即可。
可选地，在本实施例中，定子齿102周向突出部分形成倒角，比如定子齿本体1021的四个棱角位置均形成倒角，从而可防止安装绕组线圈时定子齿本体1021的尖锐边缘损伤绕组线圈表面的绝缘漆层。
可选地，在本实施例中，定子轭部101由软磁材料一体成型，从而可保证定子轭部加工精度，进而确保定子轭部101和定子齿102的装配稳定度。
在本实施例中，为了进一步提高绕组线圈11与定子齿102结合的牢固程度，定子1还可以包括粘合层；绕组线圈11通过粘合层固定于定子齿102。其中，粘合层可以由均匀涂布于定子齿102表面或者绕组线圈11内表面的胶水固化后形成。具体地，可在定子齿102表面部分或者全部均匀涂布胶水，然后将绕组线圈11套装于定子齿102上，胶水固化后形成粘合层，使得绕组线圈11与定子齿102固定在一起，不易松脱。
可选地，如图2所示，本实施例中，从远离定子轭部101的齿端部到靠近定子轭部101的齿根部，定子齿102的宽度处处相同，便于对应绕组线圈11的制造，且能提高空间利用率，从而提升电机常数密度。可以理解的是，在一些例子中，从远离定子轭部101的齿端部到靠近定子轭部101的齿根部，各定子齿宽度也可以逐渐增大，从而可简化绕组线圈安装工艺，并提高绕组线圈的安装空间，从而提高槽满率。
如图1和图5所示，本实施例中，转子2包括：永磁体20和永磁体载体21，其中，永磁体20用于励磁产生旋转磁场。如图5所示，本实施例中，永磁体20设置于永磁体载体21相对定子1的一侧表面。该永磁体20可由钕铁硼磁铁制成。
可选地，本实施例中永磁体20包括若干个永磁块，各永磁块均贴附于永磁体载体21表面，即永磁块为表贴式永磁块。
作为一种替换方式，永磁体20还可以为一体式环状结构，且套设并固定于永磁体载体21表面。永磁体20可以通过胶水固定于永磁体载体21。
可选地，本实施例中，永磁体载体21可以为软磁材料制成的转子铁芯。作为另一种实现方式，永磁体载体21还可以由非软磁材料制成。作为示例而非限制，本实施例中，永磁体载体21的材料可以为铝合金。铝合金制成的永磁体载体21相较于软磁材料制成的转子铁芯而言重量大幅降低，从而可以增大电机常数密度。
可选地，本实施例中，若干个永磁块可以形成海尔贝克阵列。
本实施例永磁体20安装于永磁体载体21表面相较于采用嵌设于永磁体载体21的永磁体而言，不仅使得制造工艺更简单、电机重量更小，而且可减轻线圈电流对旋转磁场的影响，使得电机的感应线性更佳，从而使得电机更易于控制且运行更平稳。本实施例的永磁无刷电机的磁阻转矩小于或者等于额定转矩的10％和峰值转矩的5％两者中的较大值，从而保证电机运行的稳定性。
在上述实施例的基础上，本实施例对电机的尺寸结构做出进一步改进，具体如下：
本实施例中，定子齿最窄处宽度大于或者等于定子内圆周长的N分之一的25％，且小于或者等于定子内圆周长的N分之一的70％，其中，N为定子齿102的齿数。举例而言，在本实施例中，N＝48。如图6所示，为定子齿宽度/(定子内圆周长/齿数)与单位重量的电机常数(即电机常数每千克)的仿真效果示意图。
定子轭部101厚度L大于或者等于定子齿最窄处宽度w的40％，且小于或者等于定子齿最窄处宽度w的250％。如图7所示，为定子轭部厚度/定子齿宽度与单位重量的电机常数(即电机常数每千克)的仿真效果示意图。
可选地，永磁体的平均径向厚度t小于或者等于定子和转子之间的平均气隙距离g的25倍，且大于或者等于平均气隙距离g的3倍。如图8所示，为永磁体的平均径向厚度与平均气隙距离之比与单位重量的电机常数(即电机常数每千克)的仿真效果示意图。
可选地，定子铁芯轴向高度小于或者等于定子外径d2的20％。如图9所示，为定子铁芯轴向高度/定子外径与电机常数密度(即电机常数每千克)的仿真效果示意图。
可选地，平均气隙距离g小于或者等于定子外径d2的0.65％。如图10所示，为平均气隙距离与定子外径之比与电机常数密度(即电机常数每千克)的仿真效果示意图。
可选地，定子铁芯内径d1大于或者等于定子铁芯外径d2的75％，且小于或者等于定子铁芯外径d2的90％。如图11所示，为定子铁芯内径与定子铁芯外径之比与电机常数密度(即电机常数每千克)的仿真效果示意图。
可选地，如图4所示，定子齿宽度w小于等于4.0mm。较小的定子齿宽度可减小电机不作有用功的端部绕组长度，从而提升永磁无刷电机的力矩密度。
需要说明的是，本实施例中对于上述结构尺寸等的进一步优化是发明人基于工艺实现难易以及电机电磁性能等因素综合考虑之后提出的。本实施例通过对电机的相关尺寸做出上述优化，使得电机生产制造加工以及组装难度低，且有利于提高槽满率、增大气隙面积，从而提高永磁无刷电机的力矩密度。
可选地，本实施例中，永磁体的极数与定子齿的齿数的比值可以大于或者等于0.7且小于或者等于1.4。如图12所示，为永磁体的极数/定子齿的齿数与单位重量的电机常数的仿真效果示意图。本实施例中，该永磁无刷电机可以为三相电机，电机的齿极数可以为以下任意一组：6mk-3m齿与6mk-2m极、6mk-3m齿与6mk-4m极、6mk齿与6mk+2m极、6mk齿与6mk-2m极；其中，k和m为大于0的整数。作为优选，本实施例中，电机的齿极数分别为6km齿6km+2m极，其中m＝2，k＝4，此时电机齿槽转矩小、力矩性能好。
本实用新型实施例单位质量的电机常数可达到
Figure BDA0002567785870000071
相比现有技术有显著提高。在电机重量相等或相近，相同工作电压、散热良好的情况下，本实施方式永磁无刷电机的功率输出密度可达到14.4kw/kg。
本实用新型实施例还提供了一种执行器，包括如前所述的永磁无刷电机。作为举例而非限制，该执行器可以为机器人关节执行器或者伺服舵机执行器。
本实用新型实施例还提供了一种机器人，包括如前所述的执行器。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (22)

1.一种永磁无刷电机，所述电机为分数槽电机，其特征在于，包括：定子以及转子；
所述定子包括：定子铁芯以及定子绕组；所述定子绕组为集中式绕组；
所述定子铁芯包括：定子轭部以及若干个定子齿；所述定子轭部设有拼接凹腔，所述定子齿设有与所述拼接凹腔匹配的拼接头部，所述定子齿以及所述定子轭部通过所述拼接头部与所述拼接凹腔拼接并固定在一起；所述定子齿表面设有绝缘层；
所述定子绕组包括：由机器绕线成型并套设于各所述定子齿的绕组线圈或直接绕设于各所述定子齿上的绕组线圈；
所述转子包括：永磁体和永磁体载体；其中，所述永磁体用于励磁产生旋转磁场。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子齿由有取向硅钢片或者矽钢片冲压叠片而成，且所述定子齿的磁通方向与所述有取向硅钢片或者矽钢片的碾压方向同向。
3.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子齿由高饱和磁感应软磁材料片冲压叠片而成。
4.根据权利要求3所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述软磁材料片的磁饱和强度大于或者等于2.0特斯拉。
5.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子齿周向突出部分形成倒角。
6.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子轭部由软磁材料一体成型。
7.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子齿最窄处宽度大于或者等于所述定子内圆周长的N分之一的25％，且小于或者等于所述定子内圆周长的N分之一的70％，其中，N为定子齿的齿数。
8.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子轭部厚度大于或者等于所述定子齿最窄处宽度的40％，且小于或者等于所述定子齿最窄处宽度的250％。
9.根据权利要求7或8所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述永磁体的平均径向厚度小于或者等于所述定子和所述转子之间的平均气隙距离的25倍，且大于或者等于所述平均气隙距离的3倍。
10.根据权利要求7或8所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子铁芯轴向高度小于或者等于定子外径的20％。
11.根据权利要求7或8所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子和所述转子之间的平均气隙距离小于或者等于所述定子外径的0.65％。
12.根据权利要求7或8所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子铁芯内径大于或者等于定子铁芯外径的75％，且小于或者等于所述定子铁芯外径的90％。
13.根据权利要求7或8所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子齿宽度小于或者等于4.0mm。
14.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度均相同；或者
从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度逐渐增大。
15.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述永磁体设置于所述永磁体载体相对所述定子的一侧表面。
16.根据权利要求15所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述永磁体包括若干个永磁块，各所述永磁块均贴附于所述永磁体载体表面。
17.根据权利要求15所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述永磁体为一体式环状结构，且套设并固定于所述永磁体载体表面。
18.根据权利要求16所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述若干个永磁块形成海尔贝克阵列。
19.根据权利要求15所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述永磁体的极数与所述定子齿的齿数的比值大于或者等于0.7且小于或者等于1.4。
20.根据权利要求19所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述电机为三相电机，所述电机的齿极数为以下任意一组：
6mk-3m齿与6mk-2m极、6mk-3m齿与6mk-4m极、6mk齿与6mk+2m极、6mk齿与6mk-2m极；其中，k和m为大于0的整数。
21.一种执行器，其特征在于，包括如权利要求1至20中任一项所述的永磁无刷电机。
22.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求21所述的执行器。
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