一种带锁制器空心杯无刷直流电机的制作方法

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种带锁制器空心杯无刷直流电机。

背景技术：

空心杯无刷电机属于直流永磁伺服微特电机，与普通无刷直流电机的主要区别在于：电枢铁芯上没有齿槽，电机绕组按照特殊的绕制工艺制作成杯型的一类电机。与传统的齿槽电机相比有以下优点：1、效率高：空心杯电机的效率大多在70％以上，部分产品甚至接近90％，而相同的体积和重量下传统齿槽类电机的效率均在70％以下；2、体积小、重量轻、功率和转矩密度高：由于工作效率提高、损耗降低，空心杯电机的功率密度大幅提高，与传统齿槽类电机相比，体积重量可减小30％左右；3、控制性能好：无齿槽效应导致的转矩波动小，电机运转平稳；机电时间常数低，动态响应好，电机的电感非常低，常规电气时间常数在0.1ms以内，机电时间常数在2ms左右，电机响应迅速，控制精确，适合应用于高精密驱动系统中，例如通讯、机器人、安防、航空航天、舵控系统等领域。

目前舵控伺服系统用动力驱动部分主要由减速机、伺服空心杯电机、位置传感器、制动器等四大功能部份构成。上述四个功能目前集成度差，功能部件组合后尺寸和体积过于庞大，导致舵机重量和体积增加，影响舵机机械动态响应、小型化、轻量化设计。进一步地舵机轴向结构通常按如下方式进行结构布局，前端采用减速机，中段为舵控伺服空心杯无刷直流电机主要由定子电枢、转子、端盖、机壳、轴承、转子位置传感器及附属部件的组成，尾部为电磁制动器，通过上述方式组合排列形成带制动功能舵机系统的动力驱动模块。但常规电磁制动器一般产品径向和轴向尺寸一般较大，导致舵机转子轴系轴向尺寸加长，容易导致转子系统刚度变差，特别是转子在高速运行时，引起舵机运行振动、噪音和控制不稳，进一步地舵机动态响应、精度、可靠性等关键变差。另一方面常规的制动器有最高转速限制，制动转速一般8000rpm以下。综上所述常规减速器、电机、制动器等按模块部件轴向布局的结构，难以满足舵控伺服系统集成化、小型化、多功能、重量轻、小型化、高动态响应、高可靠性等指标要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带锁制器空心杯无刷直流电机。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种带锁制器空心杯无刷直流电机，包括电机主体(1)和锁制器(3)，所述电机主体(1)的前部设有输出端，所述电机主体(1)的后部设有锁制器(3)，

所述的电机主体(1)实现转矩、转速、功率功能指标的输出，所述电机主体由前端盖(10)、定子电枢(30)、机壳(40)、转子(50)和后端盖(60)，所述机壳(40)的前端设有前端盖(10)，所述机壳(40)的后端设有后端盖(10)，所述机壳(40)的中部安装有转子(50)，所述转子(50)的外部匹配设置有定子电枢(30)；

所述锁制器(3)实现电机出现制动指令后释放衔铁，对高速运转转子实现紧急制动功能，所述锁制器包括制动环(35)、衔铁(34)和磁轭(32)，所述衔铁(34)处于制动环(35)与磁轭(32)之间，所述衔铁(34)通过朝向或远离所述制动环(35)运动，实现电机转子制动或解锁；

所述衔铁(34)与磁轭(32)之间设有吸合间隙。

进一步，带锁制器空心杯无刷直流电机还包括转子位置传感器组件(2)，所述转子位置传感器组件(2)实现转子位置信号的识别和检测，并将转子位置信号通过数字逻辑信号传输给驱动器；

所述转子位置传感器组件(2)包括检测磁环套(21)、检测磁钢(22)和霍尔印制电路总成(23)，所述检测磁环套(21)和检测磁钢(22)组装在一起形成检测磁钢组件，所述检测磁钢组件通过键或者过盈连接在电机输出轴上，所述霍尔印制电路总成(23)安装于后端盖上，通过调试确定霍尔最佳安装位置。

进一步，所述定子电枢(30)包括定子铁芯(301)、空心杯绕组(302)和转接板组件(303)，所述空心杯绕组(302)外部设有定子铁芯(301)，所述空心杯绕组(302)的两端设有转接板组件(303)。

所述定子电枢(30)和锁制器(3)安装后产生空腔，所述空腔为转子位置传感器组件(2)安装和调试空间。

进一步，所述转子(50)包括转子轴(501)、磁环(502)、转子挡板(503)，所述转子轴(501)外设有磁环(502)，所述磁环(502)的两端设有转子挡板(503)。

进一步，所述磁轭(32)和衔铁(34)采用矫顽力低、剩磁低良性磁导体构成，所述支撑柱(31)、绕组(33)、制动环(35)、限位板(36)、弹簧(37)均采用非导磁材料构成。

进一步，所述定子铁芯(301)采用环形冲片叠压而成，空心杯绕组(302)采用同心式绕组绕制，进一步地通过整形，卷制，整圆，定型完成空心杯绕组固定，所述空心杯绕组(302)和定子铁芯(301)采用一层耐高温芳纶纸进行绝缘；成型后压入机壳；进一步地进行固定焊接。

进一步，所述磁环(502)材料采用耐高温烧结钕铁硼或钐钴材料制成，并halbach结构进行取向和充磁，表磁和气隙磁场曲线为标准的正弦曲线，转子磁环通常为1对极或多对极，转子轴(501)采用良导磁材料构成，磁环(502)和转子轴(501)通过耐高温胶水进行固定，转子挡板(503)压在磁钢端部用于磁钢轴向固定和动平衡。

进一步，所述检测磁钢组件所对应检测磁钢(22)，所形成磁对极应与所述转子磁环(502)磁对极一一对应。

进一步，电机额定转速介于2000～20000rpm之间，并能对高速转子进行实时制动。

所述电机主体(1)的优选电机极对数为2-8，电机气隙g介于0.8～3.5mm之间，电机运动气隙g1介于0.25～0.7mm之间，所述空心杯绕组(302)置于定子铁芯(301)与磁环(502)形成圆环气隙内。

一种带锁制器空心杯无刷直流电机的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)定子电枢制作：首先按要求进行空心杯绕组制作，采用耐高温自粘型漆包线进行制作，经过线圈绕制、排列、压平、卷圆、精整制作完成空心杯绕组线杯；然后在空心杯绕组外圆贴一层薄的耐高温芳纶纸；接着将空心杯绕组线杯压入环形定子铁芯；进一步地，将定子电枢压入机壳内；进一步地，将接线板组件压入机壳与空心杯绕组引线进行焊接；最后将前端盖压入机壳，侧面进行固定形成定子电枢灌封前组件；

(2)定子电枢灌封处理：所述定子电枢灌封前组件装入预制的灌封模具中，将定子电枢灌封前组件现进行抽真空处理，然后采用配比好的耐高温环氧树脂逐次灌入定子电枢灌封前组件和灌封模具中，待耐高温环氧树脂完全深入定子电枢缝隙后，静置5-10min,采用自然固化或加热固化，完成后将定子电枢取出灌封模具，去除毛刺和多余胶料完成定子电枢制作；

(3)转子磁环制作：将多极磁环按照磁极标识，内壁涂抹高强度、耐高温胶水装入转子轴；然后将转子挡板压入转子轴并压紧磁环；待胶水固化后，对转子总成进行动平衡处理，使其达到转子动平衡量级标准；完成后进行转子总成表磁测试，合格后完成转子制作；

(4)电机主体装配：将制作好的转子压好轴承，放入制作好定子电枢；然后将后端盖压入定子电枢组件，通过弹性波垫和调整垫圈，将电机轴向间隙调整合格，电机转动平顺，最后将后端盖与定子电枢组件锁紧固定，完成电机主体转配；

(5)转子位置传感器组件调试及安装定位：将检测磁环套和检测磁钢按照标识位置粘胶进行固定；然后将成型好的检测磁钢组件，通过键与电机转子轴连接，并在端面上通过卡环进行轴向固定；接着将霍尔印制电路总成(23)通过绝缘垫圈和螺钉预固定在后端盖上，确保霍霍尔感应高度为h1；最后进行进线电机接线调试，将霍尔印制电路总成(23)调至电机运行最佳位置，将霍尔板总成固定在电机上；

(6)锁制器制作，先进行锁制器绕组绕制，并按要求进行接线和绝缘处理，形成环形绕组；然后将定型好的环形绕组压入磁轭形成磁轭电枢组件；接着将磁轭电枢组件进行抽真空处理；进一步地，采用配比好的耐高温环氧树脂逐次灌入磁轭电枢组件中，待树脂完全深入磁轭电枢组件缝隙后，静置5-10min,采用自然固化或加热固化，完成磁轭电枢制作；

(7)锁制器安装调试：在锁制器上，将磁轭电枢、支撑柱、弹簧、衔铁逐次安装电机后端盖上；然后将制动环(35)通过卡环或螺母安装在电机轴上；接着进行上电工作，并将锁制器吸合间隙为h2；调整到位后将限位板进行固定，完成锁制器的安装调试，完成带锁制器空心杯无刷直流电机的制作工作。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为一款带锁制动功能一体化空心杯无刷直流电机，实现产品多个功能的部件集成，并满足空心杯电机高速转子的制动。

2.通过优化电机、转子位置传感器、锁制器零部件尺寸，并通过零部件的多功能设计，充分利用电机尺寸，缩小电机轴向和径向尺寸，实现产品小型化和高功率密度化。

3.电枢绕组和磁轭绕组采用整体灌封工艺，将绕组和基体有机融为一体，树脂填充绕组间和零部件间缝隙，增加产品防护等级、结构强度合耐环境适应性，另一方面降低绕组到机壳热阻提高产品散热性能，降低了电机热阻利于将绕组的热量导出，降低了电机绕组温升，有利于提高电机功率密度；

4.优化了电机磁场和磁路，提高了电机有效体积和气隙磁密，进而电机单位体积内磁通，从而提高了电机转矩密度，降低了电机损耗，提高电机效率。

5.采用halbach结构充磁整体磁环，电机气隙磁密波形正弦性好，反电势正弦性好、波形畸变率低，电机运动控制精度高，控制运转平顺，振动和噪音低。

6.优化产品结构和安装方式，提高产品的调试、装配效率和整体结构强度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中一种带锁制器空心杯无刷直流电机的外部结构示意图；

图2为本发明中一种带锁制器空心杯无刷直流电机的内部结构示意图；

图3为本发明中定子电枢的结构示意图；

图4为本发明中转子的结构示意图；

图5为本发明中转子表磁分布曲线图；

图6为本发明中转子位置传感器组件的示意图；

图7本发明中一种带锁制器空心杯无刷直流电机的侧面结构示意图；

图8本发明中锁制器的结构示意图；

图9为本发明的衔铁示意图；

图10为本发明的制动环示意图。

图中：1-电机主体；2-转子位置传感器组件；3-锁制器

10-前端盖；20-轴承；30-定子电枢；40-机壳；50-转子；60-后端盖；

301-定子铁芯；302-空心杯绕组；303-转接板组件；

501-转子轴；502-磁环；503-转子挡板；

21检测磁环套；22-检测磁钢；23-霍尔印制电路总成；

31-支撑柱；32-磁轭；33-环形绕组；34-衔铁；35-制动环；36-限位板；37-弹簧；

g-电机气隙；g1-电机运动气隙；h1-霍尔感应高度；h2-锁制器吸合间隙；h3-衔铁凸台高度；

351-制动环轴孔凸台；352-制动环基体；353-制动挡肩；

341-衔铁基体；342-制动凸台部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1至图10所示，一种带锁制器空心杯无刷直流电机，包括电机主体(1)和锁制器(3)，所述电机主体(1)的前部设有输出端，所述电机主体(1)的后部设有锁制器(3)。

电机主体采用空心杯绕组结构方式，所述电机主体(1)实现转矩、转速、功率功能指标的输出，所述电机主体由前端盖(10)、轴承(20)、定子电枢(30)、机壳(40)、转子(50)和后端盖(60)，所述机壳(40)的前端设有前端盖(10)，所述机壳(40)的后端设有后端盖(10)，所述机壳(40)的中部安装有转子(50)，所述转子(50)的外部匹配设置有定子电枢(30)；所述轴承(20)设置在转子(50)的两端。

所述锁制器(3)实现电机出现制动指令后释放衔铁，对高速运转转子实现紧急制动功能，所述锁制器包括制动环(35)、衔铁(34)和磁轭(32)，所述衔铁(34)处于制动环(35)与磁轭(32)之间，所述衔铁(34)通过朝向或远离所述制动环(35)运动，实现电机转子制动或解锁；

所述衔铁(34)与磁轭(32)之间设有吸合间隙。

本发明充分考虑电机主体、转子位置传感器、锁制器三者功能和结构尺寸优化，在满足的功能和性能情况下通过过渡零部件采用多功能结构设计，例如后端盖即是电机主体承载和封装结构，又是转子位置传感器安装空间，实现了单一零部件多种功能；充分发挥三个模块位置空间利用程度，电机整体设计结构紧凑、强度和刚度好、功率密度大、效率高、功能齐全、制动转速高的一体化多功能小型无刷直流电机。

进一步，带锁制器空心杯无刷直流电机还包括转子位置传感器组件(2)，所述转子位置传感器组件(2)实现转子位置信号的识别和检测，并将转子位置信号通过数字逻辑信号传输给驱动器；

所述转子位置传感器组件(2)包括检测磁环套(21)、检测磁钢(22)和霍尔印制电路总成(23)，所述检测磁环套(21)和检测磁钢(22)组装在一起形成检测磁钢组件，所述检测磁钢组件通过键或者过盈连接在电机输出轴上，所述霍尔印制电路总成(23)安装于后端盖上，通过调试确定霍尔最佳安装位置。

进一步，所述定子电枢(30)包括定子铁芯(301)、空心杯绕组(302)和转接板组件(303)，所述空心杯绕组(302)外部设有定子铁芯(301)，所述空心杯绕组(302)的两端设有转接板组件(303)。

进一步，所述转子(50)包括转子轴(501)、磁环(502)、转子挡板(503)，所述转子轴(501)外设有磁环(502)，所述磁环(502)的两端设有转子挡板(503)。

进一步，所述定子电枢(1)和锁制器(3)安装后产生空腔，所述空腔为转子位置传感器组件(2)安装和调试空间。

进一步，所述定子铁芯(301)采用环形冲片叠压而成，空心杯绕组(302)采用同心式绕组绕制，进一步地通过整形，卷制，整圆，定型完成空心杯绕组固定。

进一步，所述衔铁包括衔铁基体(341)和制动凸台部(342)。

所述制动凸台部(342)沿衔铁基体(341)延伸出高度为h3，h3的取值为0.4～1mm，制动凸台部沿衔铁基体(341)的圆周方向均布。

进一步，所述制动环(35)采用t型空心圆柱台结构设计，所述制动环包括制动环轴孔凸台(351)、制动环基体(352)和制动挡肩(353)，

所述制动挡肩(353)沿制动环基体(352)外圆径向伸出，所述制动挡肩(353)的外圆与制动环基体(352)的外圆同心。

进一步，所述制动环的上部设有限位板(36)，所述限位板通过螺钉和支撑柱固定安装于所述磁轭的外圆周上,所述衔铁的下部设有弹簧。

所述电机包含电机主体(1)，转子位置传感器组件(2)、锁制器(3)三大功能模块。电机主体实现转矩、转速、功率等功能指标的输出、转子位置传感器组件实现转子位置信号的识别和检测，并将转子位置信号通过数字逻辑信号传输给驱动器、锁制器实现电机出现制动指令后释放衔铁，对高速运转转子实现紧急制动功能。电机的电枢绕组和锁制器绕组成型固定后采用方式灌封方式处理，提高了绕组的结构强度、防水特性、绝缘强度及散热特性，提高了电机工作寿命、可靠性及在同等体积下电机功率密度提高。

充分考虑电机主体、转子位置传感器、锁制器三者功能和结构尺寸优化，在满足的功能和性能情况下通过过渡零部件采用多功能结构设计，例如后端盖即是电机主体承载和封装结构，又是转子位置传感器安装空间，实现了单一零部件多种功能；充分发挥三个模块位置空间利用程度，电机整体设计结构紧凑、强度和刚度好、功率密度大、效率高、功能齐全、制动转速高的一体化多功能小型无刷直流电机。

一种带锁制器空心杯无刷直流电机的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)定子电枢制作：首先按图纸要求进行空心杯绕组制作，采用耐高温自粘型漆包线进行制作，经过线圈绕制、排列、压平、卷圆、精整制作完成空心杯绕组线杯；然后在空心杯绕组外圆贴一层薄0.05mm的耐高温芳纶纸；接着将空心杯绕组线杯压入环形定子铁芯；进一步地，将定子电枢压入机壳内；进一步地，将接线板组件压入机壳与空心杯绕组引线进行焊接；最后将前端盖压入机壳，侧面拧紧沉头螺钉进行固定形成定子电枢灌封前组件。

(2)定子电枢灌封处理：所述定子电枢灌封前组件装入预制的灌封模具中，将定子电枢灌封前组件现进行抽真空处理，然后采用配比好的耐高温环氧树脂逐次灌入定子电枢灌封前组件和灌封模具中，待耐高温环氧树脂完全深入定子电枢缝隙后，静置5-10min,采用自然固化或加热固化，优选地采用加热固化可提高灌封成品制作效率；完成后将定子电枢取出灌封模具，去除毛刺和多余胶料完成定子电枢制作。

(3)转子磁环制作：将多极磁环按照磁极标识，内壁涂抹高强度、耐高温胶水装入转子轴；然后将转子挡板压入转子轴并压紧磁环；待胶水固化后，对转子总成进行动平衡处理，转子动平衡量级按≤g6.3标准执行；完成后进行转子总成表磁测试，多极磁环曲线应尽量符合正弦形如附图5所示，图5为一款极对数为2的表磁波形，若电机极对数p发生变化，机械周期内按360/p均匀分布，优选地p介于2～8之间，合格后完成转子(50)制作。

(4)电机主体装配：如图2、3、4所示，将制作好的转子压好轴承，放入制作好定子电枢；然后将后端盖压入定子电枢组件，通过弹性波垫和调整垫圈，将电机轴向间隙调整合格，电机转动平顺，最后将后端盖与定子电枢组件锁紧固定，完成电机主体转配。

(5)转子位置传感器组件调试及安装定位：如图2、6所示，将检测磁环套和检测磁钢按照标识位置粘胶进行固定；然后将成型好的检测磁钢组件，通过键与电机转子轴连接，并在端面上通过卡环进行轴向固定；接着将霍尔印制电路总成(23)通过绝缘垫圈和螺钉预固定在后端盖上，确保霍霍尔感应高度为h1，优选地h1介于0.8～2.5mm之间；最后进行进线电机接线调试，将霍尔印制电路总成(23)调至电机运行最佳位置，将霍尔板总成固定在电机上。

(6)锁制器制作，先进行锁制器绕组绕制，并按要求进行接线和绝缘处理，形成环形绕组；然后将定型好的环形绕组压入磁轭形成磁轭电枢组件；接着将磁轭电枢组件进行抽真空处理；进一步地，采用配比好的耐高温环氧树脂逐次灌入磁轭电枢组件中，待树脂完全深入磁轭电枢组件缝隙后，静置5-10min,采用自然固化或加热固化，优选地采用加热固化可提高灌封成品制作效率，完成磁轭电枢制作。

(7)锁制器安装调试：在锁制器上，将磁轭电枢、支撑柱、弹簧、衔铁逐次安装电机后端盖上；然后将制动环(35)通过卡环或螺母安装在电机轴上；接着进行上电工作，并将锁制器吸合间隙为h2，优选地h2介于0.8～2.5mm之间；调整到位后将限位板进行固定，完成锁制器的安装调试，完成带锁制器空心杯无刷直流电机的制作工作。

按本发明实施例一种带锁制器空心杯无刷直流电机，采用上述方式可得到一款轴向尺寸小、结构紧凑、制动转速高、功率密度、转矩密度大带锁制性空心杯无刷直流电机；进一步的通过优化转子气隙磁场，并采用halbach结构进行磁环的取向和充磁，使得电机气隙磁场趋近正弦化，电机运行谐波含量低，绕组反电势呈现正弦形。可以有效地提高电机效率，提高了电机控制和运行的平稳性，减少了转矩脉动、减少了电机振动和噪音。绕组薄弱部分采用环氧树脂灌封，提高了绕组的结构强度、防水特性、绝缘强度及散热特性，提高了电机工作寿命、可靠性及在同等体积下电机功率密度提高。电机采用三段式模块设计思路，转子采用整体磁环、霍尔采用分离式安装即有效的提高了产品可靠性，又简化电机制作工艺，降低了生产制造难度，提高生产效率。

综上所述完成一种带锁制器空心杯无刷直流电机，结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明不限于此，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单的变形，包括各个具体技术特征的任何方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单的变形和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。