一種永磁無刷大力矩電的製造方法
2023-12-02 05:44:21
一種永磁無刷大力矩電的製造方法
【專利摘要】一種永磁無刷大力矩電機，涉及電機領域。它包括定子組件和轉子組件；定子組件與轉子組件通過固定在外部機座上的轉動軸同軸安裝在一起；定子組件包括定子外殼、定子本體組件和換相器組件；轉子組件包括轉子導磁環和若干個永磁體，轉子導磁環為圓形並帶動轉動軸一起旋轉；定子繞組線圈通過外部的驅動電路輸入電流，為轉子組件提供旋轉的磁場；換相器組件與定子繞組線圈同軸安裝，並靠近定子繞組線圈的端部，換相器組件在轉子組件旋轉過程中敏感轉子組件的位置，並反饋方波信號至外部的控制電路，用於控制定子繞組線圈中電流的通斷。本發明在較小體積下有較大的輸出力矩和較小的熱負荷值，尤其適合於在空間環境中應用。
【專利說明】一種永磁無刷大力矩電機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電機，特別是涉及用於圓錐掃描紅外地球敏感器的永磁無刷大力矩電機。
【背景技術】
[0002]在各類飛行器的裝備中，常需要一些執行部件進行旋轉運動，以產生一定的旋轉角度視場，滿足飛行器各種功能性的需要。要求驅動這些旋轉機構的執行部件不僅要達到一定的驅動能力要求，還要滿足一定的旋轉精度，以滿足整個機構的動態控制性能。尤其是在長壽命的機構中，為克服隨著產品環境條件的惡劣、產品壽命的加大，其組件的摩擦情況也會越加惡劣，要求其驅動部件的輸出力矩越大越好，並在旋轉組件出現異常堵轉情況下，依然能夠長期保證其輸出能力，以便空間環境或組件情況有所改變時，可隨時使部件恢復其功能。
[0003]根據目前國內外的研究及應用情況，需要一種低功耗、高可靠的大力矩控制電機產品應用於空間環境，但沒有具體的方案設計。電負荷和熱負荷是電機可靠性設計中需重點考慮項目，尤其是在空間環境中，熱負荷的降額設計更為突出。電機力矩的提高主要靠提高電流和工作磁場，過大電流的選用不僅會使電機在堵轉時的溫升過高，同時也會使電機驅動部分的熱降額設計帶來困難。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種永磁無刷大力矩電機，不僅結構緊湊、體積小、重量輕，而且在較小體積下有較大的輸出力矩和較小的熱負荷值，實現電機良好的工作性能，同時保障電機工作的安全性，尤其適合於在空間環境中應用。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種永磁無刷大力矩電機，包括定子組件和轉子組件；定子組件與轉子組件通過固定在外部機座上的轉動軸同軸安裝在一起。
[0006]所述定子組件包括定子外殼、定子本體組件和換相器組件；定子外殼分別連接外部機座、換相器組件和定子本體組件；所述定子本體組件包括定子繞組線圈、定子鐵芯、定子繞組骨架和定子引出線，定子繞組線圈嵌入定子繞組骨架內，與定子鐵芯粘接後灌封；定子引出線從定子繞組線圈中引出，並分別與外部的電源和外部的驅動電路連接。
[0007]所述轉子組件包括轉子導磁環和若干個永磁體，轉子導磁環為圓形且緊貼機座上的轉動軸，並帶動轉動軸一起旋轉；永磁體的數量為偶數且依次粘結在轉子導磁環的外圓，永磁體的磁場方向位於轉子導磁環的徑向且相鄰兩個永磁體的磁場方向相反；定子繞組線圈通過外部的驅動電路輸入電流，為轉子組件提供旋轉的磁場；
[0008]所述換相器組件與定子繞組線圈同軸安裝，並靠近定子繞組線圈的端部，換相器組件在轉子組件旋轉過程中敏感轉子組件的位置，並反饋方波信號至外部的控制電路，用於控制定子繞組線圈中電流的通斷。
[0009]所述定子繞組線圈採用三相星型連接，三相星型連接中的每一相線圈由匝線徑為0.18.mm的漆包線組成。
[0010]所述換相器組件與其靠近的定子繞組線圈的端部的距離為0.18mm。
[0011 ] 所述永磁體為釤鈷稀土永磁體。
[0012]所述換相器組件採用磁敏式換相器。
[0013]所述換相器組件採用霍爾換相器。
[0014]本發明與現有技術相比有益效果為:
[0015](I)本發明採用磁敏式換相產生的電子方波取代了直流電動機的機械換向，由永磁材料做轉子，省去了電刷，在相同的條件下，驅動電路要獲得方波比較容易，且控制簡單；採用高性能的稀土永磁體作為電機的工作磁場，使其磁場受外界去磁的影響小，並在高、低溫情況下磁場的變化也比傳統的永磁體變化小，從而保證了電機在星上全溫度範圍內的工作穩定性；
[0016](2)本發明通過設計繞組線圈的連接方式、線圈的匝數、線徑和阻值，確保了電機在具有較大堵轉情況下仍具有較小的熱負荷值，提升電機工作的安全性；
[0017](3)本發明通過設計換相器裝置，與定子繞組線圈的近距離使換相器內的霍爾器件可敏感電機主磁場，故在結構上可省去換相器轉子部分，使電機的結構更為緊湊，減輕了電機重量，減小了組件體積；磁敏式換相器所敏感的旋轉磁場與工作主磁場為同一磁場，簡化了產品加工過程，提高了換相敏感的精度。
[0018](4)本發明通過在電機內設計磁敏式的霍爾換相器，該結構易於換相器的替換和維修。該換相器與旋轉變壓器和光電碼盤相比，具有性能穩定、工作可靠、頻率響應寬、反應速度快、體積小、結構牢固、易於安裝等諸多優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1外部機座示意圖；
[0020]圖2為本發明裝配示意圖；
[0021]圖3為本發明定子本體組件剖視圖；
[0022]圖4為本發明定子繞組骨架形狀示意圖；
[0023]圖5為本發明定子繞組單線圈示意圖；
[0024]圖6為本發明轉子組件主視圖；
[0025]圖7為本發明換相器定子組件剖視圖。
【具體實施方式】
[0026]電機力矩的提高主要靠提高電流和工作磁場，電流與繞組線圈的匝數成反比。現有技術中為了使電機具有較大的力矩，一般會通過增加工作磁場和線圈的匝數實現。但是這樣一方面造成電機的體積過大，另一方面也會導致線圈電阻較大，電流損耗大，也會使輸出力矩降低；而過大電流的選用不僅會使電機在堵轉時的溫升過高，同時也會使電機驅動部分的熱降額設計帶來困難。本發明通過設計同軸緊湊安裝的無槽無刷式電機結構，設計定子繞組線圈和定子繞組骨架，選擇轉子永磁體和磁敏式換相器，實現了在小體積下輸出較大力矩，同時使電機在具有較大堵轉情況下仍具有較小的熱負荷值，提升電機工作的安全性。同時，針對空間站的應用進行了適應性設計，使本發明尤其適合空間飛行器對電機大力矩、小體積和良好安全性能的需求。
[0027]本發明包括定子組件和轉子組件。定子組件與轉子組件通過固定在外部機座上的轉動軸同軸安裝在一起。如圖1所示，外部的機座用於承載電機。機座包括底座12和轉動軸，轉動軸由軸承組件13和轉軸套14組成。定子組件裝在底座12上，轉子組件的內表面與機座上的轉動軸配合，機座上的轉動軸在轉子組件的帶動下旋轉，用於輸出電機的力矩。
[0028]如圖2所示，定子組件包括定子外殼1、定子本體組件和換相器組件；定子外殼I分別連接機座、換相器組件和定子本體組件。如圖3所示，本發明的定子本體組件採用無刷無槽的結構，定子本體組件包括定子繞組線圈4、定子鐵芯2、定子繞組骨架3和定子引出線5，定子繞組線圈4嵌入由聚碸材料形成的定子繞組骨架3內，與定子鐵芯2粘接後灌封；定子引出線5從定子繞組線圈4中引出，並分別與電源和外部的驅動電路連接。
[0029]如圖4所示，定子繞組骨架3的形狀為帶齒槽的圓環，材料為聚碸材料，替代了常用的齒槽鐵芯做線圈繞組的支撐體，消除了電機的齒咬力矩。組裝時先將聚碸棒加工成圖4所示的形狀，將已成型的如圖5所示的定子繞組線圈4嵌入定子繞組骨架3內。定子繞組線圈4採用三相星型連接，定子繞組的三相線圈採用每組線圈整節距連繞的星型連接方式，工藝簡單、製造方便。本發明中每相線圈優選175匝線徑為0.18mm的漆包線，漆包線的型號優選Qy-1，即溫度指數220° C的聚醯亞胺漆包圓銅線，使得每相繞組阻值保證為65 Ω左右，從而確保了電機在堵轉情況下，最大輸出電流在0.43A左右，其電機的最大熱負荷值為18.24(A/mm2XSA/cm)，此外形尺寸大小的相同電機所允許的熱負荷最小值為200 (A/mm2XA/cm),所以本發明的電機的熱降額係數達到0.09，確保了電機在堵轉情況下，電機工作的安全性。定子繞組線圈4嵌入到定子繞組骨架3後與定子鐵芯2粘接，然後灌封，最後壓入定子外殼I內。定子繞組線圈4中引出四根引出線分別與外部的電源和驅動電路的三相驅動管集電極相連接，通過驅動電路輸入三相銜接的驅動電流，為定子組件提供旋轉的磁場。
[0030]如圖6所示，轉子組件包括轉子導磁環11和若干個永磁體10，轉子導磁環11為圓形且緊貼外部機座上的轉動軸，並帶動轉動軸一起旋轉；永磁體10的數量為偶數且依次粘結在轉子導磁環11的外圓，永磁體10的磁場方向位於轉子導磁環11的徑向且相鄰兩個永磁體10的磁場方向相反；定子繞組線圈4通過外部的驅動電路輸入電流，為轉子組件提供旋轉的磁場。
[0031]為了得到更強更穩定的磁場，本發明的永磁體10採用高性能的釤鈷稀土永磁體10，不僅磁場較強，而且磁場受外界去磁的影響小，並在高、低溫情況下磁場的變化也比其他材料的永磁體10變化小，更適用於空間飛行器中全溫度範圍內的工作穩定性。圖6中所示，將八對稀土永磁體10對稱粘接在磁穩定性處理後的轉子導磁軛上整體灌封環氧膠。
[0032]如圖7所示，換相器組件由換相器座6、霍爾換相器7、引線板8、換相信號引線9組成，霍爾器件電裝在引線板8上，再裝入換相器座6內。換相信號引線9通過引線板8上的PCB覆銅引線給霍爾器件7加電，並將換相信號引出至外部控制電路的邏輯處理部分。
[0033]如圖2所示，換相器組件與定子繞組線圈4同軸安裝，並靠近定子繞組線圈4的端部，換相器組件與其靠近的定子繞組線圈4的端部的距離L為3_，換相器組件與定子繞組線圈4的近距離使換相器內的霍爾器件可敏感電機主磁場，故在結構上可省去換相器轉子部分，使電機的結構更為緊湊，減輕了電機重量，減小了組件體積。換相器組件在轉子組件旋轉過程中敏感轉子組件的位置，並反饋方波信號至控制電路，用於控制定子繞組線圈4中電流的通斷。本發明中的換相器優選磁敏式換相器，替代了直流電動機的機械式換相，在相同的條件下，驅動電路要獲得方波比較容易，且控制簡單。磁敏式換相器優選霍爾換相器7，該結構易於換相器的替換和維修。該換相器與旋轉變壓器和光電碼盤相比，具有性能穩定、工作可靠、頻率響應寬、反應速度快、體積小、結構牢固、易於安裝等諸多優點。
[0034]本發明設計的電機的峰值堵轉力矩最大可達到0.185匪；電機最大尺寸外徑為Φ 104X31.5mm。電機組件總重量不大於625g。在允許的最大工作電流為0.43A時，電機和驅動電路部分在不需要任何散熱措施的情況下能長期可靠地工作，特別適用於空間環境產品O
[0035]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種永磁無刷大力矩電機，其特徵在於:包括定子組件和轉子組件；定子組件與轉子組件通過固定在外部機座上的轉動軸同軸安裝在一起； 所述定子組件包括定子外殼(I)、定子本體組件和換相器組件；定子外殼(I)分別連接外部機座、換相器組件和定子本體組件；所述定子本體組件包括定子繞組線圈(4)、定子鐵芯(2)、定子繞組骨架(3)和定子引出線(5)，定子繞組線圈(4)嵌入定子繞組骨架(3)內，與定子鐵芯(2)粘接後灌封；定子引出線(5)從定子繞組線圈(4)中引出，並分別與外部的電源和外部的驅動電路連接； 所述轉子組件包括轉子導磁環(11)和若干個永磁體(10 )，轉子導磁環(11)為圓形且緊貼機座上的轉動軸，並帶動轉動軸一起旋轉；永磁體(10)的數量為偶數且依次粘結在轉子導磁環(11)的外圓，永磁體(10)的磁場方向位於轉子導磁環(11)的徑向且相鄰兩個永磁體(10)的磁場方向相反；定子繞組線圈(4)通過外部的驅動電路輸入電流，為轉子組件提供旋轉的磁場； 所述換相器組件與定子繞組線圈(4)同軸安裝，並靠近定子繞組線圈(4)的端部，換相器組件在轉子組件旋轉過程中敏感轉子組件的位置，並反饋方波信號至外部的控制電路，用於控制定子繞組線圈(4)中電流的通斷。
2.根據權利要求1所述的一種永磁無刷大力矩電機，其特徵在於:所述定子繞組線圈(4)採用三相星型連接，三相星型連接中的每一相線圈由175匝線徑為0.18mm的漆包線組成。
3.根據權利要求1所述的永磁無刷大力矩電機，其特徵在於:所述換相器組件與其靠近的定子繞組線圈(4)的端部的距離為3mm。
4.根據權利要求1所述的永磁無刷大力矩電機，其特徵在於:所述永磁體(10)為釤鈷稀土永磁體(10)。
5.根據權利要求1所述的永磁無刷大力矩電機，其特徵在於:所述換相器組件採用磁敏式換相器。
6.根據權利要求1所述的永磁無刷大力矩電機，其特徵在於:所述換相器組件採用霍爾換相器(7)。
【文檔編號】H02K1/27GK103997179SQ201410131526
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】王舒雁, 董超, 劉科, 楊穎 , 鄧樓樓, 孫建波 申請人:北京控制工程研究所