专利名称：新型盘式永磁直流有刷力矩电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电动机中的一种力矩电机，尤其是一种新型盘式永磁直流 有刷力矩电机。
背景技术：
永磁直流力矩电机是一种具有宽调速范围的特种电机，能够长期处于堵 转或低速状态下工作并输出大力矩，由于这种特性，它被广泛地应用于各种 自动控制领域。永磁直流力矩电机在惯性导航系统中是稳定平台的执行元件， 它可以直接驱动负载，这样消除了齿轮或其它传动机构带来的传动误差，随着 新型惯性导航系统的研制，对力矩电机的静摩擦力矩、电气时间常数、可靠性 等技术指标提出了更高的要求，并且峰值堵转力矩、力矩系数等力能指标也不 能下降。力矩电机中静摩擦力矩的存在使得系统存在非线性环节——死区，死 区的存在影响了系统的稳态精度，传统的直流有刷力矩电机中的静摩擦力矩来 源于三个方面磁阻阻尼力矩、磁滞阻尼力矩及电刷与换向器间的机械摩擦力
矩，前两者之和占整个静摩擦力矩的60 70%。磁阻阻尼力矩是由于铁芯开槽、 气隙不匀引起的，磁滞阻尼力矩是由于铁芯材料中的磁密B落后磁场强度H引 起的。总之，由于铁芯软磁材料的存在，传统力矩电机的静摩擦力矩较大，由 于这个问题使得传统的直流有刷力矩电机已不能满足高精度惯性导航系统和其 它精密型控制系统的要求。虽然一些新型的力矩电机釆用定子磁钢斜极或转子 斜槽、闭口或半闭口槽、不等气隙优化磁密波形等技术尽量减小静摩擦力矩， 但效果并不是很明显。 发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积小、 静摩擦力矩和电气时间常数小且能有效地解决定子磁钢防腐镀层因腐蚀导致的 脱落物损害电机的问题、满足高精度惯性导航系统和其它精密型控制系统要求 的新型盘式永磁直流有刷力矩电机。
本实用新型采取的技术方案是-
一种新型盘式永磁直流有刷力矩电机，由壳体、定子和转子组成，定子和
转子同轴安装在壳体上，其特征在于所述的转子为由中心至外侧依次同轴固 装且均为非导磁材料制成的轴套、换向器组件和盘式无铁芯转子电枢组成，所 述的换向器组件由绝缘衬套及其上同轴径向均布固装的换向片组成，所述的盘 式无铁芯转子电枢由同轴径向均布双层叠放的梯形线圈压制成型，每个梯形线 圈下端的两根引线均以相同的换向器节距连接在绝缘衬套上径向均布固装的换
3所述的定子由左定子和右定子相对扣装组成，左定子和右定子相对的内表 面均径向均布安装有磁极相异的永磁体，在右定子外表面的磁轭上同轴安装有 电刷架组件，电刷架组件上设置的电刷的底面与换向片垂直接触。
而且，所述的盘式无铁芯转子电枢中的梯形线圈的数量与换向片的数量相 同且换向器节距按照梯形线圈数量与电机极对数的比值设定。
而且，所述的左定子和右定子还分别安装有一用于支撑加固永磁体的内加 强环。
而且，所述的左、右定子的永磁体外表面都同轴套装有一无磁磁钢罩。 而且，所述的磁钢罩与永磁体之间的接触面涂覆有一层绝缘粘接胶。 本实用新型的优点和积极效果是
1. 本力矩电机中的转子不含铁芯，轴套、绝缘衬套、换向片、梯形线圈以 及各部件连接用的环氧树脂胶均为非导磁材料，使用该转子后从根本上消除了 力矩电机中的磁阻阻尼力矩和磁滞阻尼力矩，力矩电机的静摩擦力矩只剩下电 刷与换向器间的机械摩擦力矩，静摩擦力矩较传统有铁芯力矩电机相比减小了 60%以上，仅为峰值堵转力矩的1.2% (国军标要求小于峰值堵转力矩的6%)，
在使用时减小了力矩电机在控制系统中的死区效应，提高了系统稳态输出精度。
2. 本力矩电机中定子上径向均布安装的永磁体采用由日本三环洛希生产的 致密性好、粉化颗粒小的烧结钕铁硼材料制成，同传统的铝镍钴、钐钴磁钢等 材料相比较，烧结钕铁硼材料的可逆导磁率仅为铝镍钴材料的三分之一，而且 烧结钕铁硼材料的磁能积达到48MGs.0e (384i^/m3)，采用烧结钕铁硼材料制 成的永磁体有利于提高电机的力学性能。
3. 本力矩电机的定子舍弃了传统的单面磁钢和导磁环的结构，采用了双面 定子磁钢结构，这样可保证即使气隙达到5咖，电机的气隙磁密也能达到0. 6T， 从而使电机的技术指标满足要求。同时，由于左、右定子间的磁吸力已达到50kg 以上，所以安装时左、右定子可自动对准最佳位置，不再需要螺钉固定，既减 少了加工程序，也便于力矩电机的整体安装。
4. 本力矩电机中的换向器组件的加工过程是，首先在环形换向器毛坯中的 内缘处径向均布制出换向片，然后通过环氧树脂胶将环形换向器毛坯与绝缘衬 套固装在一起，最后对环形换向器毛坯进行再加工，将环形换向器毛坯外缘处 多余的材料去除，加工成活后，环形换向器毛坯中只有换向片固定在绝缘衬套 上，该换向片与绝缘衬套组成换向器组件。在加工过程中采用线切割工艺，换 向片的片间间隔均匀，尺寸精度可以得到很好的保证。
5. 本力矩电机中左、右定子上均径向均布安装有烧结钕铁硼材料制成的永 磁体，在左、右定子永磁体的外表面都同轴套装有一磁钢罩，该磁钢罩为0.2mm 厚的无磁黄铜带冶炼材料，该磁钢罩很好的将永磁体与环境中的水分等有害物
4质分隔开，有效的解决了烧结钕铁硼材料外表面的防腐镀层因环境因素导致的 腐蚀脱落物损害电机的问题，而且为了进一步提高密封性，在磁钢罩与永磁体 的接触表面还涂覆有一层绝缘粘接胶。
6. 本力矩电机中的定子与转子之间气隙较大，电枢电感仅为传统电机的十 分之一，电气时间常数也减小了一个数量级左右。同时，转子采用无铁芯转子 电枢后，转子质量变小，转动惯量变小，电机的机械时间常数也得到减小。上 述两方面有助于提高该直流力矩电机作为系统执行机构的动作快速性，提高其 响应速度。
7. 本力矩电机采用大气隙，即定子与转子间的机械间隙达到lmm以上，因 而降低了定子与转子的加工精度要求，特别是降低了转子灌环氧树脂胶成形的 尺寸精度要求，解决了现有转子结构中转子灌胶成形后的尺寸精度难以保证的 问题。同时由于定子与转子之间的大气隙，定子上安装的永磁体无需作精密的 磨削就可以直接安装，与传统的铝镍钴材料制成的永磁体定子相比较，定子的 加工量减少了 80%以上，定子和转子加工工序、工时的减少极大地降低了该力 矩电机的生产成本。
8. 本实用新型改善了传统力矩电机中静摩擦力矩较大造成的死区效应，提 高了系统稳态输出精度，而且通过无磁磁钢罩和绝缘粘接胶的结构解决了烧结 钕铁硼材料外表面镀层的腐蚀脱落物损害电机的问题。同时，转子的外径可以 做到几乎与电机最大外径相等，有利于提高电机的出力。另外，该电机虽然按 分装式结构设计，但将转子放置在定子腔中，安装好电刷架组件后，却能象一 体式那样提供系统使用，因而便于安装、运输和储存。
图l是本实用新型的主视图； 图2是图1的A-A向剖视图； 图3是图2的I部放大图4是环形换向器毛坯的结构示意图； 图5是绝缘衬套和换向片组装后的主视图； 图6是图5的B-B向剖视图； 图7是梯形线圈的结构示意图8是永磁体、梯形线圈组、换向片和电刷的安装位置示意图； 图9是右定子中永磁体安装位置的示意图io是右定子的剖视图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本实用新型进一步说明，下述实施例是说明性的，不 是限定性的，不能以下述实施例来限定本实用新型的保护范围。
一种新型盘式永磁直流有刷力矩电机，如图1 10所示，由壳体6、定子和转子组成，定子和转子同轴安装在壳体上，本实用新型的创新在于-
转子为无铁芯转子电枢，其具体结构是轴套4、换向器组件和盘式无铁芯 转子电枢7由中心至外侧依次同轴固装且各部件均为非导磁材料制成。换向器
组件由绝缘衬套3及其上同轴径向均布固装的换向片13组成，盘式无铁芯转子 电枢由同轴径向均布双层叠放的梯形线圈16压制成型，每个梯形线圈下端的两 根引线15均以相同的换向器节距连接在绝缘衬套上径向均布固装的换向片的上 端凹台上。
定子由左定子5和右定子1相对扣装组成，左定子和右定子相对的内表面 均径向均布安装有磁极相异的永磁体8，本实施例中永磁体为八块且按N-S方式 粘贴在左、右定子上，永磁体由烧结钕铁硼材料制成，在右定子的外表面的磁 轭9上同轴安装有电刷架组件2，电刷架组件上设置的电刷12的底部与换向片 垂直相接触。在左定子和右定子安装永磁体的内表面还分别安装有用于支撑加 固永磁体、防止永磁体发生径向位移和脱落的内加强环10。为了解决烧结钕铁 硼材料外表面防腐镀层因腐蚀导致的脱落物损害电机的问题，在左、右定子上 的永磁体的外表面分别同轴套装有磁钢罩17,磁钢罩与永磁体之间的接触面涂 覆有一层绝缘粘接胶。
无铁芯转子电枢的加工过程是.-
先在专用绕线模上绕制好如图7所示的梯形线圈16，然后如图8所示，在 专用模具的一端面同轴均布叠放所需数量的线圈并粘接成型，对线圈整形后将 专用模具抽出，将梯形线圈组通过机床挤压成截面为"工"型，即完成盘式无 铁芯转子电枢的加工。梯形线圈叠放的结构是位于每个梯形线圈的两边所夹 区域内的其它梯形线圈的上层边(以每个梯形线圈叠放时外露的侧边为上层边) 的数量为第一节距(以换向片个数为计量单位)减一，如图8所示，l号梯形 线圈的两个侧边所夹区域内的其它梯形线圈的上层边分别是2号、3号、4号和 5号梯形线圈的上层边。
换向器组件的加工装配过程是
如图4所示，首先制出环形换向器毛坯14，在环形的内缘处径向均布制出 换向片后，将换向器毛坯与绝缘衬套一起灌胶成形，成型后用机床去除环形换 向器毛坯上换向片径向外端的材料并在每个换向片的上端制出凹台，加工好的 换向器组件的结构如图5、图6所示，最后再将换向器组件与轴套粘接成型。
转子的加工过程是
盘式无铁芯转子电枢通过环氧树脂胶12与换向器组件和轴套同轴固装，转 子电枢中的每个梯形线圈的引线焊接在换向片顶端制出的凹台上，并由环氧树 脂胶层密封、绝缘。
盘式无铁芯转子电枢中的梯形线圈引线与换向片的连接关系是
如图8所示，电机极对数p=8，绕组第一节距^ =5个换向片，第二节距h = 5个换向片，梯形线圈数量为5 = 79，换向片数量^ = 79，梯形线圈数量与电机极对 数的比值约等于10，所以换向器节距力-10个换向片，以1号梯形线圈为例， 将1号梯形线圈上层边的引线与70号梯形线圈(相隔l个换向器节距)的下层 边(以每个梯形线圈叠放时被其它梯形线圈压在下面的侧边为下层边)的引线 拧在一起焊接在1号换向片上端的凹台；将1号梯形线圈下层边的引线与11号 梯形线圈上层边的引线拧在一起，焊接在11号换向片上端的凹台，至此，1号 梯形线圈的两根引线焊接完毕，以此类推，将79个线圈的158根引线焊接在79 个换向片上，之后进行换向片片间电阻和线圈电阻检查，保证焊接正确无误。 本实用新型机壳、定子和转子的安装的过程是
先利用专用安装夹具将机壳预固定在左半定子上，将转子套在左半定子永 磁体上，利用专用夹具将右半定子缓缓放下，直至止口配合面完全接触机壳内 圆柱面，此时左、右定子间磁吸力能达到50Kg以上，左、右定子自动对准最佳 位置，左、右定子之间以及每个定子和机壳之间无需螺钉固定，最后将电刷架 组件固定在右半定子磁轭上，即完成了整个力矩电机的装配。
权利要求1、一种新型盘式永磁直流有刷力矩电机，由壳体、定子和转子组成，定子和转子同轴安装在壳体上，其特征在于所述的转子为由中心至外侧依次同轴固装且均为非导磁材料制成的轴套、换向器组件和盘式无铁芯转子电枢组成，所述的换向器组件由绝缘衬套及其上同轴径向均布固装的换向片组成，所述的盘式无铁芯转子电枢由同轴径向均布双层叠放的梯形线圈压制成型，每个梯形线圈下端的两根引线均以相同的换向器节距连接在绝缘衬套上径向均布固装的换向片的上端；所述的定子由左定子和右定子相对扣装组成，左定子和右定子相对的内表面均径向均布安装有磁极相异的永磁体，在右定子外表面的磁轭上同轴安装有电刷架组件，电刷架组件上设置的电刷的底面与换向片垂直接触。
2、 根据权利要求1所述的新型盘式永磁直流有刷力矩电机，其特征在 于所述的盘式无铁芯转子电枢中的梯形线圈的数量与换向片的数量相同且 换向器节距按照梯形线圈数量与电机极对数的比值设定。
3、 根据权利要求1所述的新型盘式永磁直流有刷力矩电机，其特征在 于:所述的左定子和右定子还分别安装有一用于支撑加固永磁体的内加强环。
4、 根据权利要求1所述的新型盘式永磁直流有刷力矩电机，其特征在 于所述的左、右定子的永磁体外表面都同轴套装有一无磁磁钢罩。
5、 根据权利要求4所述的新型盘式永磁直流有刷力矩电机，其特征在 于所述的磁钢罩与永磁体之间的接触面涂覆有一层绝缘粘接胶。
专利摘要本实用新型涉及一种新型盘式永磁直流有刷力矩电机，由壳体、定子和转子组成，定子和转子同轴安装在壳体上，其中转子为由中心至外侧依次同轴固装的轴套、换向器组件和盘式无铁芯转子电枢组成，定子由左定子和右定子相对扣装组成。本实用新型改善了传统力矩电机中静摩擦力矩较大造成的死区效应，提高了系统稳态输出精度，而且通过无磁磁钢罩和绝缘粘接胶的结构解决了烧结钕铁硼镀层的防腐蚀问题。同时，转子的外径可以做到几乎与电机最大外径相等，有利于提高电机的出力。另外，该电机虽然按分装式结构设计，但将转子放置在定子腔中，安装好电刷架组件后，却能象一体式电机那样提供系统使用，因而便于安装、运输和储存。
文档编号H02K13/04GK201365181SQ200920095650
公开日2009年12月16日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者凌林本, 灏 周, 东 曹, 璐 李, 潘龙飞 申请人:中国船舶重工集团公司第七○七研究所