一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机的制作方法

本发明涉及一种低功耗、高转速的双圈磁钢无刷直流电机，尤其涉及一种采用轴向halbach磁路构型、气隙磁密强、气隙磁密平顶宽度宽、力矩大、精度高、特别适用于动量轮转子的驱动机构的双圈磁钢无刷直流电机。

背景技术：

动量轮是航天器姿态控制的关键执行机构，具有低功耗、长寿命、高精度等突出优势，通过电机驱动飞轮转子加速或减速，输出高精度控制力矩，实现航天器姿态控制和姿态稳定。电机作为控制动量轮转速的核心组件，决定了转子的速率跟踪精度以及稳速精度，是实现航天器高指向精度与高稳定精度的关键机构。无刷直流电机具有可靠性高、寿命长、功耗低、效率高、启动力矩大、速度范围宽、调速特性好和控制方式简单的优势，是目前动量轮所普遍采用的驱动机构。

现有技术中，发明专利200910188716.8所述的无刷直流电机，采用传统定子铁芯结构，电机在高速运转时会在定子铁芯中产生非常大的磁滞损耗和涡流损耗，同时，由于定子齿槽的存在，会使转子在旋转时产生齿槽转矩和齿谐波，定转子之间产生了大量的损耗，增大了电机功耗。为消除磁滞损耗，降低涡流损耗，发明专利200410101898.8提出了一种无定子铁芯无刷直流电动机，采用空心杯无定子铁芯结构，消除了齿槽效应，提高了电机力矩精度，但其定转子之间气隙大，气隙磁密偏小，导致输出力矩较小。为提高电机的输出力矩，发明专利申请201410291690.0所述的一种飞轮用双磁钢双转子永磁电机，通过采用等厚瓦片式双转子结构，提高了气隙磁密，增大了电机的输出力矩。但该方案的磁钢拼接处气隙磁密较低，缩小了气隙磁密平顶宽度，限制了力矩精度进一步提高，同时该方案电机内外转子通过螺钉安装在一起，不是直接固定在同一个零件上，安装基准不统一，电机内外转子同轴度精度不高。为拓宽平顶宽度，提高力矩精度，本发明人已授权的发明专利201710767979.9所述的一种高精度双圈磁钢无刷直流电机，通过双圈非等厚梯形瓦片式磁钢结构补偿磁钢拼接处气隙磁密波动，增加了气隙磁密平顶宽度，提高了力矩精度；同时将内外双圈非等厚梯形瓦片式磁钢固定在同一转盘环形槽的内外壁上，保障了定转子间同轴度，进一步提高了力矩精度。但该方案的气隙磁密还是不够大，且所采用的梯形磁钢加工制造难度大，制造成本高。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提出了一种转子气隙磁密大、有效磁密高、磁密分布更均匀的低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机。

本发明的技术方案为：一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机，其由转子系统和定子系统组成，转子系统主要包括：外安装套、外导磁环、外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢、外磁钢锁母、外组件锁母、转子外壳、内安装套、内导磁环、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢、内下45°充磁磁钢、内磁钢护套、内磁钢锁母和内组件锁母；定子系统主要包括：空心杯定子骨架、定子铝基板、绕组和环氧树脂胶；外安装套位于外导磁环、外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢和外磁钢锁母的径向外侧，外导磁环位于外安装套的径向内侧，外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢和外下45°充磁磁钢位于外导磁环径向内侧，从上至下依次为，外上45°充磁磁钢、外平行充磁磁钢和外下45°充磁磁钢，外磁钢锁母位于外导磁环和外下45°充磁磁钢的轴向下端，外导磁环、外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢和外下45°充磁磁钢位于外安装套的径向内侧，并通过外安装套与外磁钢锁母间的螺纹配合固定在安装套上，外组件锁母位于外安装套和外磁钢锁母的轴向下端，外安装套、外导磁环、外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢和外磁钢锁母位于转子外壳的外壁径向内侧，并通过转子外壳与外组件锁母间的螺纹配合固定在转子外壳上，内安装套位于内导磁环、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢、内下45°充磁磁钢、内磁钢护套和内磁钢锁母的径向内侧，内导磁环位于内安装套的径向外侧，内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢和内下45°充磁磁钢位于内导磁环的径向外侧，从上至下依次为，内上45°充磁磁钢、内平行充磁磁钢和内下45°充磁磁钢，内磁钢护套位于内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢和内下45°充磁磁钢的径向外侧，内磁钢锁母位于内导磁环和内磁钢护套的轴向下端，内导磁环、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢、内下45°充磁磁钢和内磁钢护套位于内安装套的径向外侧，并通过内安装套与内磁钢锁母间的螺纹配合固定在内安装套上，内组件锁母位于内安装套和内磁钢锁母的轴向下端，内安装套、内导磁环、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢、内下45°充磁磁钢、内磁钢护套和内磁钢锁母位于转子外壳的内壁径向外侧，并通过转子外壳与内组件锁母间的螺纹配合固定在转子外壳上，空心杯定子骨架位于外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢、外磁钢锁母和外组件锁母的径向内侧，定子铝基板位于空心杯定子骨架下端径向外侧，并通过螺纹配合固定在空心杯定子骨架上，绕组绕制在空心杯定子骨架上，并通过环氧树脂胶固化安装在空心杯定子骨架上，外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢、外磁钢锁母和外组件锁母的内圆柱面与内磁钢护套、内磁钢锁母和内组件锁母的外圆柱面形成气隙。

进一步的，所述的外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢和内下45°充磁磁钢均为钕铁硼合金或衫钴合金。所述的外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢和内下45°充磁磁钢均由12块磁钢拼接成环状，且在径向截面内的充磁方向依次为，外s内n、外上s内下n、外下s内上n、外s内n、外下s内上n、外上s内下n，相邻磁钢在径向截面内的充磁方向依次为，内s外n、内下s外上n、内上s外下n、内s外n、内上s外下n、内下s外上n，两者沿周向交替放置，所述的内磁钢护套为高强度的钛合金棒料，所述的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机，其特征在于：所述的内磁钢护套为高强度的钛合金棒料，所述的外安装套、外磁钢锁母、外组件锁母、内安装套、内磁钢锁母、内组件锁母和定子铝基板均为7075超硬铝或7050超硬铝棒材材料，所述的定子骨架为耐高温高强度的陶瓷基复合材料，所述的环氧树脂胶固化环境为常温真空环境，固化时间不低于72小时。

上述技术方案的原理是：本发明的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机，可控制转子沿旋转轴高速稳定旋转，通过外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢和内下45°充磁磁钢产生恒定的永磁磁场，利用通电绕组与永磁磁场相互作用产生力矩，驱动转子高速旋转。外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢、外下45°充磁磁钢、内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢和内下45°充磁磁钢的充磁方向依次为，外s内n、外上s内下n、外下s内上n、外s内n、外下s内上n、外上s内下n，相邻磁钢在径向截面内的充磁方向依次为，内s外n、内下s外上n、内上s外下n、内s外n、内上s外下n、内下s外上n，两者沿周向交替放置，外平行充磁磁钢、外上45°充磁磁钢和外下45°充磁磁钢组成外halbach单元，内平行充磁磁钢、内上45°充磁磁钢和内下45°充磁磁钢组成内halbach单元，磁力线从外halbach单元的n极出发，穿过气隙到达正对面的内halbach单元的s极，再由内halbach单元的n极出发，穿过内导磁环到达相邻内halbach单元的s极，再从相邻内halbach单元的n极出发，穿过气隙到达正对面的外halbach单元的s极，再由相邻外halbach单元的n极出发，经过外导磁环到达外halbach单元的s极，由此往复形成闭合回路。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用空心杯无定子铁芯的双圈轴向halbach磁钢结构，与现有的定子铁芯结构相比，消除了定子铁芯引起的磁滞损耗和齿槽引起的转矩脉动，降低了涡流损耗；与空心杯无定子铁芯单圈磁钢结构相比，增强了气隙磁密，增大了输出力矩；与空心杯无定子铁芯等厚双圈磁钢结构相比，拓宽了气隙磁密平顶宽度，补偿了相邻磁钢拼接缝处的漏磁；与空心杯无定子铁芯的等厚双圈磁钢结构和双圈非等厚梯形瓦片式磁钢结构相比，采用双圈轴向halbach磁钢结构进一步增大了气隙磁密，降低了功耗，提高了输出力矩大小和输出力矩精度。

附图说明

图1为本发明技术方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机的径向剖视图；

图2为本发明技术方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机的磁钢分布三维简图；

图3a为本发明技术方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机磁钢充磁方向的轴向剖视图；

图3b为本发明技术方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机相邻磁钢充磁方向的轴向剖视图；

图4a为本发明技术方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机磁钢三维磁密分布矢量图。

图4b为本发明技术方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机相邻磁钢三维磁密分布矢量图。

图5为本发明技术方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机高精度双圈磁钢无刷直流电机转子的径向截面图；

图6为本发明技术解决方案与本发明人已授权发明专利201710767979.9技术解决方案所在气隙区域的磁密分布对比图。

具体实施方式

以下通过具体实施例，并结合附图1-6中说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

如图1所示，一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机轴向剖视图，主要由转子系统和定子系统组成，转子系统主要包括：外安装套1、外导磁环2、外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b、外磁钢锁母5、外组件锁母6、转子外壳7、内安装套8、内导磁环9、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a、内下45°充磁磁钢11b、内磁钢护套12、内磁钢锁母13和内组件锁母14；定子系统主要包括：空心杯定子骨架15、定子铝基板16、绕组17和环氧树脂胶18；外安装套1位于外导磁环2、外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b和外磁钢锁母5的径向外侧，外导磁环2位于外安装套1的径向内侧，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a和外下45°充磁磁钢4b位于外导磁环2径向内侧，从上至下依次为，外上45°充磁磁钢4a、外平行充磁磁钢3和外下45°充磁磁钢4b，外磁钢锁母5位于外导磁环2和外下45°充磁磁钢4b的轴向下端，外导磁环2、外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a和外下45°充磁磁钢4b位于外安装套1的径向内侧，并通过外安装套1与外磁钢锁母5间的螺纹配合固定在安装套1上，外组件锁母6位于外安装套1和外磁钢锁母5的轴向下端，外安装套1、外导磁环2、外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b和外磁钢锁母5位于转子外壳7的外壁径向内侧，并通过转子外壳7与外组件锁母6间的螺纹配合固定在转子外壳7上，内安装套8位于内导磁环9、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a、内下45°充磁磁钢11b、内磁钢护套12和内磁钢锁母13的径向内侧，内导磁环9位于内安装套8的径向外侧，内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a和内下45°充磁磁钢11b位于内导磁环9的径向外侧，从上至下依次为，内上45°充磁磁钢11a、内平行充磁磁钢10和内下45°充磁磁钢11b，内磁钢护套12位于内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a和内下45°充磁磁钢11b的径向外侧，内磁钢锁母13位于内导磁环9和内磁钢护套12的轴向下端，内导磁环9、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a、内下45°充磁磁钢11b和内磁钢护套12位于内安装套8的径向外侧，并通过内安装套8与内磁钢锁母13间的螺纹配合固定在内安装套8上，内组件锁母14位于内安装套8和内磁钢锁母13的轴向下端，内安装套8、内导磁环9、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a、内下45°充磁磁钢11b、内磁钢护套12和内磁钢锁母13位于转子外壳7的内壁径向外侧，并通过转子外壳7与内组件锁母14间的螺纹配合固定在转子外壳7上，空心杯定子骨架15位于外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b、外磁钢锁母5和外组件锁母6的径向内侧，定子铝基板16位于空心杯定子骨架15下端径向外侧，并通过螺纹配合固定在空心杯定子骨架15上，绕组17绕制在空心杯定子骨架15上，并通过环氧树脂胶18固化安装在空心杯定子骨架15上，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b、外磁钢锁母5和外组件锁母6的内圆柱面与内磁钢护套12、内磁钢锁母13和内组件锁母14的外圆柱面形成气隙19。

图2为本发明技术解决方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机的磁钢分布三维简图，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a和内下45°充磁磁钢11b均由12块磁钢拼接成环状，不同的网格代表磁钢不同的充磁方向，a类磁钢充磁方向为外上s右下n，b类磁钢充磁方向为外上n右下s，c类磁钢充磁方向为外s内n，d类磁钢充磁方向为外n内s，e类磁钢充磁方向为外下s内上n，f类磁钢充磁方向为外下s内上n。

图3a为本发明技术解决方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机磁钢充磁方向的轴向剖视图，图3b为本发明技术解决方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机相邻磁钢充磁方向的轴向剖视图，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a和外下45°充磁磁钢4b组成外轴向halbach磁钢结构，内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a和内下45°充磁磁钢11b组成内轴向halbach磁钢结构，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a和内下45°充磁磁钢11b在径向截面内的充磁方向依次为，外s内n、外上s内下n、外下s内上n、外s内n、外下s内上n、外上s内下n，其轴向方向相邻磁钢在径向截面内的充磁方向依次为，内s外n、内下s外上n、内上s外下n、内s外n、内上s外下n、内下s外上n。

图4a为本发明技术解决方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机磁钢的三维磁密分布矢量图，图4b为本发明技术解决方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机相邻磁钢的三维磁密分布矢量图，外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b，内上45°充磁磁钢11a和内下45°充磁磁钢11b，在磁路回路中起聚磁功能，提高气隙磁密大小。

图5为本发明技术解决方案的一种低功耗高速双圈磁钢无刷直流电机转子的径向截面图，沿x轴从外到内依次为外安装套1、外导磁环2、外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b、转子外壳7、内安装套8、内导磁环9、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a、内下45°充磁磁钢11b和内磁钢护套12，外安装套1位于转子外壳7环形槽外壁的径向内侧，外导磁环2位于外安装套1的径向内侧，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b位于外导磁环2的径向内侧，内安装套8位于转子外壳7环形槽内壁的径向外侧，内导磁环9位于内安装套8的径向外侧，内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a、内下45°充磁磁钢11b位于内导磁环9的径向外侧，内磁钢护套12位于内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a、内下45°充磁磁钢11b的径向外侧，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b和内磁钢护套12之间形成气隙19，上述发明用的外安装套1和内安装套8为7075超硬铝或7050超硬铝棒材材料，外导磁环2和内导磁环9为1j22或1j50棒材材料，外平行充磁磁钢3、外上45°充磁磁钢4a、外下45°充磁磁钢4b、内平行充磁磁钢10、内上45°充磁磁钢11a和内下45°充磁磁钢11b为钕铁硼合金或衫钴合金，转子外壳7和内磁钢护套12为钛合金棒材材料。

图6为本发明技术解决方案与授权发明专利201710767979.9技术解决方案所在气隙区域的磁密分布对比图，在本发明技术方案绕组所在气隙区域沿+x轴方向，由内到外取5条路径，依次标号①-⑤，在本发明人已授权发明专利201710767979.9技术解决方案气隙区域相同位置，由内到外取5条路径，依次标号⑥-⑩。本发明技术解决方案的气隙磁密平顶宽度和气隙磁密大小，明显优于本发明人已授权发明专利201710767979.9技术解决方案；两者属于完全不同的结构和解决方案。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。