定子、电机、机器人及在定子上形成热能抑制结构的方法与流程
本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种定子、电机、机器人及在定子上形成热能抑制结构的方法。
背景技术：
将永磁同步电机应用在仿人机器人上，是先进机器人设计领域的一大创新。仿人机器人若要模拟人类走、跑、跳等形式的运动，就要求其电机具有高爆发力、高转矩密度、快速响应等特点。而且，仿人机器人的形状类似于人体形状，所以，其电机的安装空间受到很大限制。因此，电机的高爆发运行必然导致巨大电能转换为热能，瞬时发热严重，而安装空间的限制导致热量散失不充分，电机温升过高，若多次运行会存在被烧毁的风险，所以，电机的安全可靠性无法得到保证。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请提供了一种定子、电机、机器人及在定子上形成热能抑制结构的方法，以提高电机的散热速度。
为了达到上述目的，本申请采用以下方案实现：
根据本申请实施例的一个方面，提供了一种定子，包括：定子铁芯和安装于所述定子铁芯的定子绕组；其中，所述定子绕组的外部紧邻包裹有相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料，所述定子绕组的金属线表面和所述定子铁芯的表面均覆盖有绝缘膜层。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料是包封于所述定子绕组的外部。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料是通过灌封包封于所述定子绕组的外部。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料不凸出超过所述定子铁芯的内周面，以与位于所述定子铁芯内侧的外部部件配合。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料填平所述定子铁芯的内周面的侧壁。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料是通过一体化灌封包封于所述定子绕组的外部。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料的位于所述定子铁芯轴向两端的部分轴向远离所述定子铁芯的侧面为平面或凹凸曲面。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料的位于所述定子铁芯轴向两端的部分轴向远离所述定子铁芯的侧面呈环带形状。
在一些实施例中，所述定子绕组的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料不凸出超过所述定子铁芯的外周面，且使所述定子铁芯的外周面裸露，以与位于所述定子铁芯外侧的外部部件配合。
在一些实施例中，所述绝缘层为导热绝缘材料沉积层，和/或，所述绝缘导热胶为环氧树脂。
根据本申请实施例的另一个方面，提供了一种电机，包括上述任一实施例所述的定子和用于配合所述定子使用的转子。
根据本申请实施例的又一个方面，提供了一种机器人，包括上述任一实施例所述的电机。
根据本申请实施例的再一个方面，提供了一种在定子上形成热能抑制结构的方法，适用于形成上述任一实施例所述的定子，所述方法包括：利用相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料灌封安装于定子铁芯的定子绕组。
在一些实施例中，利用相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料灌封安装于定子铁芯的定子绕组之前，所述方法还包括：通过气相沉积方法分别在定子绕组的金属线表面和定子铁芯表面形成绝缘层。
本申请实施例的定子、电机、机器人及在定子上形成热能抑制结构的方法，无需复杂笨重的散热系统，根据力矩电机的运行特点，改善电机的绝缘散热结构及热管理模式，降低电机的整体热阻，提高电机的热储能容量，降低电机瞬时的高温峰值，提高电机的安全可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。在附图中：
图1是本申请一实施例的适用于内转子的定子的整体外部结构示意图；
图2是图1所示定子的剖其混合材料后的结构示意图；
图3是本申请一实施例的适用于外转子的定子的整体外部结构示意图；
图4是图3所示定子的剖其混合材料后的结构示意图；
图5是本申请一具体实施例的机器人关节的爆炸图；
图6是图5所示机器人关节的横截面结构示意图；
图7是图5所示机器人关节沿图6中a-a线的纵向截面结构示意图；
图8是本申请一实施例的在定子上形成热能抑制结构的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。
机器人电机要求具有较小的宏观尺寸，较大的瞬时输出转矩，较轻的附加散热设备。这些要求必然导致电机瞬时损耗较大，且产生的热量不能有效散出，电机发热严重，所以，电机散热速度成为限制提升机器人电机转矩密度的首要瓶颈。目前，比较成熟的电机冷却方案为水冷、油冷等，但是这些电机冷却方案所使用的系统都比较笨重，不适合小型化的机器人电机。
为了在满足有限体积和有限重量的要求的情况下，快速散去电机瞬时热损耗带来的热量，使电机维持在安全温度范围内，本申请从仿人结构出发，创造性地提出从热源和散热途径的角度改善电机的散热效果，提供了一种定子和电机。其中，该电机可以是永磁电机，包括被申请实施例的定子和用于配合该定子使用的转子，当然不排除还包括其他必要的部件，例如，基座、接线盒等。另外，本申请实施例所提及的定子是指包括定子本身和在其上形成的用于散热的结构。
需要预先说明的是，本申请实施例所涉及的电机可以是各种包括定子和转子的电机。其中，定子为固定部分，用于产生磁场，转子为旋转部分，用于在磁场作用下产生电磁转矩。另外，定子包括定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子冲片和定子齿极。定子冲片和定子齿极固定于定子主体上，相邻冲片之间有通风槽，定子绕组的线圈缠绕在定子冲片上。定子齿极可以位于定子主体的内侧或外侧，定子齿极和相应定子冲片的数量可以根据需要进行设置。
下面将以定子齿极位于定子主体内侧的定子为例，说明本申请实施例的定子的具体实施方式。
图1是本申请一实施例的适用于内转子的定子的整体外部结构示意图，图2是图1所示定子的剖其混合材料后的结构示意图。参见图1和图2，本申请实施例的定子包括定子铁芯11和安装于定子铁芯11的定子绕组12，其中，定子绕组12的外部紧邻包裹有相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13。定子绕组12的金属线表面和定子铁芯11的表面均覆盖有绝缘层。
其中，“紧邻包裹”可指混合材料13直接包裹在定子绕组12的外表面，换言之，在定子绕组12和混合材料13之间不设置额外的物体。如此一来，定子绕组产生的热量可以直接经由混合材料13散发出去，能够提高散热速度。另外，“包裹”主要是指混合材料13包围定子绕组12的意思，并不用于限定混合材料13包围定子绕组12的方式，也不用于限定包围定子绕组12的混合材料13形成方式。
相变胶囊具有较大的相变潜热，能够快速存储热能，从而能够在电机达到峰值转矩并从定子输出大量损耗时，快速吸收由损耗转化来的热量，进而达到从热源角度出发快速降低电机温升的效果。其中，相变胶囊可以是各种相变材料通过各种方法制成的相变材料胶囊，所以，相变胶囊又可称为相变材料胶囊。相变胶囊的粒度可以达到纳米级、微米级等微观尺寸，所以，相变胶囊又可称为相变微胶囊。另外，绝缘导热胶，例如可以是环氧树脂。绝缘导热胶可以起到一定的导热作用，所以，利用绝缘导热胶可以加快散热。因此，对于相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料而言，利用其中的绝缘导热胶可以从散热的角度降低电机的温升，利用其中的相变胶囊可以从热源的角度降低电机的温升，从而在电机瞬时损耗很大时，利用相变胶囊快速存储电机损耗转换来的热量，并利用绝缘导热胶加快散热，进而能够防止电机的瞬时温升超标。
混合材料13可以通过将相变胶囊均匀地分散至绝缘导热胶中并固化于定子绕组12的外部得到。
对于混合材料13包裹定子绕组12的范围而言，混合材料13可以尽可能包裹整个定子绕组12。例如，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13可以是包封于定子绕组12的外部。其中，“包封”可以是指混合材料13包裹定子绕组12的外部所有可以包裹的部分，所以，对于一些不能包裹的部分，如接线处，是无法包裹的。如此一来，可使定子绕组12的外部接触尽可能多的混合材料13，从而达到更好的散热效果。
在其他实施例中，不排除该混合材料13只包裹定子绕组12的一部分，而另一部分可以选择裸露，或利用其他导热绝缘材料进行包裹。
另外，混合材料13还可以包括至少部分定子铁芯11，例如，可以封住定子铁芯11的轴向的两端，在不影响定子与其他部件配合的情况下，还可以包裹定子铁芯的内周面和/或外周面。
对于混合材料13包裹定子绕组12的方式、形态或包裹的形成方式而言，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13可以是通过灌封包封于定子绕组12的外部。在实施时，定子绕组12安装于定子铁芯11，将相变胶囊均匀分散于绝缘导热胶流体中，然后，利用含有相变胶囊的流体状态的绝缘导热胶浇灌定子绕组12，待浇灌至定子绕组12的流体固化后，即形成包封定子绕组12的混合材料13。以此，通过灌封形成混合材料13，一方面，可使混合材料13与定子绕组12的结合更紧密，另一方面，可使混合材料13与定子绕组12的接触界面的面积更大，这都利于进一步提高散热效率。
其中，混合材料13可以是一体化灌封形成的，换言之，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13可以是通过一体化灌封包封于定子绕组12的外部。以此，可以简化灌封工艺。当然，在其他实施例中，不排除可以分多次灌封形成混合材料13。
另外，在浇灌定子绕组12之前，可以将安装好的定子置于模具中，以得到所需外部形状的混合材料13。
对于包裹定子绕组12的混合材料13的外围形状而言，可以根据需要进行设计。例如，设计混合材料13的外围形状，以使其与外部部件相配合。
具体地，对于混合材料13靠近定子铁芯11内部的部分而言，如图1所示，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13可以不凸出超过定子铁芯11的12内周面，以与位于定子铁芯11内侧的外部部件(以定子齿极位于内侧的定子铁芯为例，该外部部件可以是内转子)配合。其中，对于定子齿极位于定子主体内侧的定子来说，如图1所示，定子铁芯11的12内周面可以是指定子铁芯11的定子齿极的远离定子绕组12的内周面。所有定子齿极的表面围在一起可以形成一个圆柱面，对于定子齿极位于定子主体内侧的定子而言，混合材料13可以不伸出至圆柱面以内。为尽可能避免混合材料13的内侧形状影响位于定子铁芯11内部的外部部件，定子铁芯11的内周面可以裸露，具体可指定子齿极的远离定子绕组12的一侧的表面未被混合材料13覆盖。如此一来，包裹定子绕组12的混合材料13不易影响定子与转子配合。
而对于定子齿极位于定子主体外侧的定子来说，如图3和图4所示，定子铁芯21的22内周面可以是指定子铁芯21的定子主体的侧壁形成的内周面。
在混合材料13不影响位于定子铁芯11内侧的外部部件的设置的情况下，只要能够包裹定子绕组12，混合材料13靠近内周面的部分可以具有规则或不规则的表面形状。例如，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13填平定子铁芯11的内周面的侧壁。具体地，对于定子齿极位于定子主体内侧的定子而言，如图2所示，可以是指相邻定子齿极之间的槽口被填满与定子齿极齐平。在其他实施例中，不排除填充于相邻定子齿极之间的槽口的混合材料13可以有规则或不规则的凹陷。
而对于定子齿极位于定子主体外侧的定子而言，如图3和图4所示，可以是混合材料23位于定子铁芯21轴向两端的部分远离定子绕组的一侧在轴向上与定子主体内周面齐平，或相对于齐平的面有一定凹陷(如图3所示)，以便与位于定子铁芯21内侧的外部部件相配合。
再者，对于混合材料13靠近定子铁芯11外部的部分而言，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13可以不凸出超过定子铁芯11的外周面，以与位于定子铁芯11外侧的外部部件(如机器人的关节壳体)配合。对于定子齿极位于定子主体内侧的定子而言，如图1所示，定子铁芯11的外周面可以是定子主体的外壁所在圆柱面，或相对于该圆柱面有一定凹陷，以便与位于定子铁芯11外侧的外部部件(如壳体)相配合，进一步地，可以相贴合，以减少空气所占空间，增加导热效率。混合材料13不伸出该圆柱面以外，以此可以便于尽量减小定子所占用空间。
而对于定子齿极位于定子主体外侧的定子而言，如图3和图4所示，所有定子齿极的外表面形成圆柱面，混合材料23不伸出圆柱面以外，以此可以便于定子与转子相配合。
此外，对于混合材料13靠近定子绕组两端的部分而言，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13的位于定子铁芯11轴向两端的部分轴向远离定子铁芯11的侧面可以为平面，或者可以为凹凸曲面(如散热筋式的凹凸结构)。进一步地，定子绕组12的外部紧邻包裹的相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13的位于定子铁芯11轴向两端的部分轴向远离定子铁芯11的侧面呈环带形状。如图1所示，图中所示的定子铁芯11两端的混合材料13为垂直于轴向的平面，而且，呈环带形状。在其他实施例中，不排除，混合材料13的位于定子铁芯11轴向两端的部分轴向远离定子铁芯11的侧面可以为规则或不规则的曲面，或者为法线方向与定子轴向夹角不为零的平面。
上述各实施例中，通过在定子绕组12的外部紧邻包裹相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料13可以显著提高定子的散热效率，进而提高电机的散热速度，从而能够满足机器人电机的高爆发转矩的需求。
除此之外，定子绕组12的金属线表面和/或定子铁芯11的表面所覆盖的绝缘层可以是导热绝缘材料沉积层，相对于包裹绝缘纸的绝缘方式而言，具有更好的导热和绝缘效果，从而进一步提高了定子的散热速度。例如，可以通过气相沉积法在定子铁芯11的金属表面和/或定子绕组12的金属线表面(如铜线)沉积一层导热绝缘材料膜层，如此一来，绝缘层与定子绕组/定子铁芯贴合更好，更利于散热。
另外，本申请实施例还提供一种机器人关节，该机器人关节包括本申请任一实施例所述的电机。本申请实施例还提供一种机器人，该机器人包括本申请任一实施例所述的电机，或者说，包括本申请任一实施例所述的机器人关节。而该电机包括上述任一实施例所述的定子。其中，该电机在机器人中的安装位置或所使用的数量，可以根据需要确定，例如，该电机可以用于机器人关节中。该电机可以用于帮助机器人完成走、跑、跳等形式的运动，能够满足机器人的高爆发力、高转矩密度、快速响应等要求。而且，该电机能够适应机器人小安装空间的要求。
基于与上述实施例所述的定子相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种在定子上形成热能抑制结构的方法，适用于形成上述任一实施例所述的定子。图8是本申请一实施例的在定子上形成热能抑制结构的方法的流程示意图，参见图8，该方法包括步骤：s1，利用相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料灌封安装于定子铁芯的定子绕组。以此，可以通过灌封使相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料包裹定子绕组。
进一步的实施例中，上述实施例所述的在定子上形成热能抑制结构的方法，在上述步骤s1之前，即，利用相变胶囊和绝缘导热胶的混合材料灌封安装于定子铁芯的定子绕组之前，还可包括步骤：s2，通过气相沉积方法分别在定子绕组的金属线表面和定子铁芯表面形成绝缘层。该绝缘层可以是导热绝缘材料沉积层。以此，可以在定子绕组的金属线表面或定子铁芯表面，或者分别在定子绕组的金属线表面和定子铁芯表面，形成一层轻薄、接触紧密的膜层，便于进一步提高定子的散热速度。
为使本领域技术人员更好地了解本申请，下面将以具体实施例说明本申请的实施方式。
发明人从电机温升产生原理出发，即，电机的热源和散热途径涉及电机的热能抑制结构。电机在峰值转矩输出时，电机发热量最大，机器人电机由于其特殊的工况，过载倍数远高于常规的永磁电机，所以峰值转矩输出下，电机发热量也是远超现有永磁电机。在一些具体实施例中，通过相变微胶囊与高导热介质对定子进行一体化封装，并通过高导热绝缘材料对定子绕组的裸铜和定子铁芯的表面进行沉积，从而从电机的热源和散热途径角度出发，提供一套电机散热管理方案。
参见图1和图2，一方面，考虑到电机瞬时损耗大，从热源角度出发，通过相变微胶囊与环氧树脂的材料混合，对定子进行一体化灌封，使相变材料均匀覆盖定子绕组，以提升相变材料与定子的接触面积。另外，如图1和图2所示，在该实施例中，一体化灌封的定子端部为平整的结构，在其他实施例中，可以将定子端部设计成凹凸结构等。
另一方面，从改善电机散热途径角度，通过气相沉积技术，在定子绕组的裸露的铜线表面和定子铁芯表面沉积一层高热导率绝缘材料，以改善电机传热情况，降低电机整体热阻，提高电机的散热能力。相对于现有技术中利用聚酰亚胺类材料作为定子绕组铜线表面和定子铁芯的槽绝缘的绝缘材料而言，本实施例中，利用沉积的高热导率绝缘材料可以具有更高的导热效率。
现有永磁电机的绕组的漆膜是聚酰亚胺材料，热导率不超过1w/(m*k)，槽绝缘层是杜邦绝缘纸或聚酯薄膜材料，热导率也小于1w/(m*k)，远远小于金属的热导率(例如，绕组铜的热导率约为380w/(m*k))。虽然漆膜和槽绝缘层的厚度都很薄，但是对于电机整体散热的影响仍然很大。从公式
而本申请实施例使用的相变微胶囊的潜热值(超过200j/g)大，仅5g相变微胶囊就可以吸收瞬时产生的1000w以上的热损耗，从而可以快速吸收电机峰值转矩输出时的热损耗。而且，通过相变微胶囊与环氧树脂混合，可以使相变材料均匀覆盖绕组，增大相变材料与绕组的接触面积，进一步提升相变储能效果。在电机峰值转矩运行时，绕组瞬时发热温度达到相变温度，微胶囊吸收热量，使绕组温度维持在安全的水平。电机额定转矩运行时，发热量小，相变材料中的热量散出，微胶囊恢复到原状态。
因此，与现有永磁电机的绕组相比，通过本申请实施例可以显著提高电机的整体散热能力，降低电机的温升，防止电机瞬时温升过高，使得在电机峰值转矩输出下的瞬时温升维持在安全水平。另外，若仅从散热途径角度加快电机的散热，例如，向电机定子灌封绝缘导热胶或环氧树脂，虽然可以将热量传递到其他散热件上，但当电机瞬时输出大热损耗时，可能电机内的热量还未及时散出，电机就已经烧坏。所以，本申请从热源和散热途径两方面出发，不仅可以利用环氧树脂对电机进行导热电热，还能吸收电机瞬时输出的大热损耗，即通过相变微胶囊将损耗储存起来，提高电机的热储能容量，降低电机散热途径的热阻，从而加快电机的散热，防止电机瞬时温升过高，效果更全面，更安全可靠。此外，相对于现有的水冷和油冷的散热方式，本申请实施例的定子中的散热结构的体积很小，且重量增加较少，非常适合机器人这种对重量、体积有严格要求的场合。
另外，本申请实施例的定子可以应用于机器人关节。图5是本申请一具体实施例的机器人关节的爆炸图，图6是图5所示机器人关节的横截面结构示意图，图7是图5所示机器人关节沿图6中a-a线的纵向截面结构示意图。结合图1、图2、图5、图6至图7，机器人关节可包括定子铁芯11、定子绕组12、混合材料13、前端轴承15、转子组件16、尾端轴承17、关节外壳14及关节上的法兰18。其中，定子绕组12为定子励磁绕组，定子绕组12安装在定子铁芯11的朝内的定子齿极上形成定子。转子组件16为内转子，位于定子的内侧。混合材料13包含环氧树脂和相变微胶囊成分，是一体式高导热灌封结构，其外围形状与关节外壳14相配合，可以尽量贴合。混合材料13的内围形状与转子组件16相配合，至少不妨碍转子运转。另外，定子铁芯11和定子绕组12的表面可以通过气相沉积形成一层高导热绝缘材料层，以起到绝缘和导热作用。如此一来，在机器人需要作出跑跳等动作时，其关节内的电机可以提供高爆发转矩，而且通过本实施例在定子上形成的散热结构，可以提高电机的散热速度，防止电机温升过高，从而保证机器人正常动作。
综上所述，本申请实施例的定子、电机、机器人及在定子上形成热能抑制结构的方法，无需复杂笨重的散热系统，根据力矩电机的运行特点，改善电机的绝缘散热结构及热管理模式，降低电机的整体热阻，提高电机的热储能容量，降低电机瞬时的高温峰值，降低电机峰值转矩输出下的温升，提高电机的安全可靠性，提高电机的输出转矩能力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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