一种高线性度有限转角力矩电机的制作方法

1.本发明属于电机技术领域，涉及一种有限转角力矩电机，具体涉及一种高线性度有限转角力矩电机。


背景技术：

2.高线性度(高精度)有限转角力矩电机主要用于驱动红外探测成像摆镜，其输出转矩线性度和动态响应特性直接关系到成像的清晰度和成像范围。
3.传统的磁阻式有限转角力矩电机有效工作角度较小、转子外径大，导致红外探测仪成像范围小和成像清晰度差，如cn103683769a、cn205753727u这样的有限转角力矩电机。
4.传统的有槽有限转角力矩电机，如cn205846888u、cn207426941u，在工作角度范围内，磁通面积随转子位置变化，具有较大的齿槽转矩，输出力矩线性度差，成像清晰度差；传统的无槽有限转角电机转子外径大、转动惯量大、力矩系数小，导致动态响应差，严重影响红外成像仪的成像清晰度。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了一种特殊冲片结构和磁路结构的有限转角力矩电机，以解决传统磁阻式有限转角力矩电机工作角度小、有槽有限转角力矩电机齿槽转矩大、无槽有限转角力矩电机动态响应差的问题。
6.本发明的技术方案是：
7.一种高线性度有限转角力矩电机，包括圆柱形的转子和圆筒外形的定子，转子设在定子内；其中，定子包括筒体和安装在筒体内侧的n个线圈和n个恒定磁路通道，n是至少为2的偶数，转子的磁钢部分有n个极性；定子的n个线圈均匀地周向排列在定子的内侧，相邻的两个线圈之间都由恒定磁路通道隔开，所有线圈的骨架端部和恒定磁路通道端部共同形成转子的转动轨道；定子上，相邻的两个线圈在通电后极性相反，转子上，相邻的磁钢的极性相反；转子的磁钢产生的磁场通过恒定磁路通道和定子筒体形成闭环磁路；定子的接线头连接通电方向切换器。
8.进一步的，电机处于机械零位时，转子的磁钢极性中点与恒定磁路通道位置对应，而转子的磁钢相邻的两个不同极性之间的过渡区与定子的线圈位置相对应；定子的线圈通电后产生磁场，所有的线圈产生的磁场方向的交错排列，对转子产生顺时针或逆时针的电磁拉力；转子转动所需角度后切换通电电流方向，对转子产生另一个转动方向的电磁拉力；通过不断切换通电电流方向，使得转子在定子内做有限转角转动输出力矩。
9.进一步的，定子为圆筒形结构，定子的线圈骨架与定子的筒体一体化，线圈骨架的末端外扩形成配合转子的弧面。线圈骨架的末端的外扩作用一方面是对线圈进行固定，另一方面是便于收束磁路。
10.进一步的，恒定磁路通道与定子的筒体一体化，恒定磁路通道的高度与线圈骨架相同，恒定磁路通道的末端为配合转子的弧面。
11.进一步的，恒定磁路通道、线圈骨架和筒体为一体式定子冲片结构，定子冲片结构的材料是1j22。
12.进一步的，转子的芯体是圆柱结构，转子的芯体外设有圆筒状的轴套。这样设计的转子，其转动力矩精度最高。
13.进一步的，转子的芯体为方柱结构，转子芯体的极性位于方边所在面上，转子的芯体外设有圆柱状的轴套，轴套内具有配合转子芯体的方形空腔。这样设计的转子，其转子结构易于加工，转子与轴套的固定方式稳定可靠。
14.进一步的，转子的芯体为类方柱结构，转子芯体的极性位于方边所在面上，其方柱的四个直角处倒圆，转子的芯体外设有圆柱状的轴套，轴套内具有配合转子芯体外形的空腔。这样设计的转子，兼顾了转动力矩高精度，并且也兼顾了稳定可靠的固定。
15.本发明的优点是：
16.1、本发明为有槽有限转角力矩电机，采用特殊的定子冲片结构形式，本发明的理论最大转动角度是线圈骨架的宽度，一般为10
°
到12
°
，由于转动不会超出锯齿的范围，磁通量不会因为转子的转动发生较大变化，因此从理论上电机在工作角度范围内消除了定子齿槽转矩，提高了电机输出转矩线性度，相对于传统的有槽有限转角力矩电机，输出转矩波动降低了70％以上。
17.2、本发明的原理可同时适用于旋转电机与直线电机，适用性强，且结构稳定。
18.3、本发明提供了旋转电机的多种转子结构形式，有利于兼顾转动力矩的高精度和转子的结构稳定性。
19.4、相对于传统的磁阻式有限转角电机，电机有效工作角度增大了30％左右，能够有效提高红外成像仪的成像范围。
20.5、相对于传统的无槽有限转角电机，该种结构可以有效提高电机的气隙磁密，进而提高其转矩密度，能够有效提高电机的动态响应特性，提高红外成像仪的成像精度，且在相同的输出转矩条件下，能有有效降低电机的体积。
附图说明
21.图1是本发明的有限转角电机的结构示意图；
22.图2是本发明的有限转角电机的线圈通电后转动一定角度示意图；
23.图3是本发明的有限转角电机的线圈通电后转动另一侧角度示意图；
24.图4是本发明的有限转角电机的机械零位磁场示意图；
25.图5是本发明的有限转角电机的线圈通电后磁场示意图；
26.图6是本发明的另外两种转子结构形式；
27.图7是本发明的旋转电机形式的总体结构示意图；
28.图8是传统的有限转角电机的最大工作范围示意图；
29.图9为本发明的电流1a输出转矩示意图；
30.图10为传统有槽有限转角电机电流1a输出转矩示意图；
31.图11为磁阻式有限转角电机电流1a时的输出转矩示意图；
32.其中，1—转子，2—定子，3—轴套，4—转子磁轭，5—机壳，21—恒定磁路通道，22—线圈。
具体实施方式
33.本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以互相组合。
34.本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方向或位置关系为给予附图说是的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或与案件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含包括更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或以上。
35.本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体化连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.下面参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.本发明核心的结构在于定子的冲片结构，即定子的线圈骨架、定子的主体和恒定磁路通道三者为一个整体的结构，这样的结构配合交错的线圈和交错的磁钢，形成了非常巧妙的且稳定的磁路结构，定子冲片结构将转子磁钢产生的磁场束缚在自身体内。线圈通电后，产生新的磁场，打破原有的磁平衡，产生磁拉力使得转子转动。而此时的定子冲片结构继续将线圈和转子磁钢产生的磁场收束，使得转子的最大理论工作角度不会超出单个线圈的宽度范围，从而避免磁通量随着转子运动发生剧烈变化，从而使得电机产生的转矩波动极小。
38.本发明具体是一种高线性度有限转角力矩电机，包括圆柱形的转子1和圆筒外形的定子2，转子1设在定子2内；其中，定子2包括n个线圈和n个恒定磁路通道，n至少为2，并且是偶数，转子1的磁钢部分有n个极性；定子2的n个线圈均匀地周向排列在定子2的内侧，相邻的两个线圈之间都由恒定磁路通道隔开，所有线圈的骨架端部和恒定磁路通道端部共同形成转子1的转动轨道；定子2上，相邻的两个线圈在通电后极性相反，转子1上，相邻的磁钢的极性相反；转子1的磁钢产生的磁场通过恒定磁路通道和定子2筒体形成闭环磁路；定子2的接线头连接交流电或通电方向切换器。
39.电机处于机械零位时，转子1的磁钢极性中点与恒定磁路通道位置对应，此时转子1的磁钢极性之间的交会点与定子2的线圈位置相对应；定子2的线圈通电后产生磁场，所有的线圈产生的磁场方向的交错排列，对转子1产生顺时针或逆时针的电磁拉力；转子1转动所需角度后切换通电电流方向，对转子1产生另一个转动方向的电磁拉力；通过不断切换通电电流方向，使得转子1在定子2内做有限转角转动输出力矩。
40.定子2为圆筒形结构，定子2的线圈骨架与定子2的筒体一体化，线圈骨架的末端外扩形成配合转子的弧面。线圈骨架的末端的外扩作用一方面是对线圈进行固定，另一方面是便于收束磁路。
41.恒定磁路通道与定子2的筒体一体化，恒定磁路通道的高度与线圈骨架相同，恒定
磁路通道的末端为配合转子的弧面。
42.定子的线圈骨架、筒体、恒定磁路通道是一体化的定子冲片结构，其的材料是1j22。
43.转子1的芯体是圆柱结构，转子1的芯体外设有圆筒状的轴套3。这样设计的转子1，其转动力矩精度最高。
44.如图6所示，转子1的芯体为方柱结构，转子1芯体的极性位于方边所在面上，转子1的芯体外设有圆柱状的轴套3，轴套3内具有配合转子1芯体的方形空腔。这样设计的转子1，其转子结构易于加工，转子与轴套的固定方式稳定可靠。转子1的芯体为类方柱结构，转子1芯体的极性位于方边所在面上，其方柱的四个直角处倒圆，转子1的芯体外设有圆柱状的轴套3，轴套3内具有配合转子1芯体外形的空腔。这样设计的转子1，兼顾了转动力矩高精度，并且也兼顾了稳定可靠的固定。
45.本发明的原理是，利用特殊的定子冲片结构，即定子2的恒定磁路通道、定子的线圈骨架和定子的本体形成了闭环的磁路通道，在转子1的磁钢产生的磁场作用下，这些磁路通道将磁钢产生的磁场收束后控制在定子冲片结构内的通道中形成磁路闭环。在这样的结构下，由于布置极性交错的线圈，通电后产生交错的磁场，从而形成对转子的电磁拉力，线圈骨架也参与大磁路闭环，加上原本的磁路，使得转子并不会大范围转动，而是在单个线圈骨架的宽度范围内转动，此为该类电机的最大理论工作范围。在转子转动到最大理论工作范围外前改变电流方向，可以规律改变磁场的方向，从而产生规律变向的电磁拉力来让电机的转子规律性的有限转动。
46.基于本发明的上述原理，本发明实际可以应用于旋转电机和直线电机上。
47.本发明以旋转电机来提出示例，并以四个线圈的结构形式举例，如图1～图7所示，包括设在机壳5内的定子2，以及定子2内的转子。
48.其中，定子2的绕组由四个线圈组成，四个线圈相邻90
°
均匀设置，每两个线圈之间都设有一个恒定磁路通道。
49.在初始状态时候，即机械零位状态下：四个线圈通电方向为正向后产生的磁场方向按顺时针分别为上、左、下、右，即纵向两个线圈产生的磁场方向均朝外，横向两个线圈产生的磁场方向均朝内，相邻的两个线圈通电后产生的磁场方向相反。
50.如图1所示，四个线圈电磁铁之间由恒定磁路通道隔开，即也有四个恒定磁路通道，电机的转子磁钢有四个极性，四个极性均匀对称分布，四个极性间隔分布，四个极性产生的磁场在四个恒定磁路通道的收束下形成闭环磁路，此使线圈的外扩部分不会参与大闭环的磁路。
51.若为两线圈结构，则通电后线圈产生的磁场可以都朝内或者都朝外，总之相邻的线圈通电后产生的磁场方向相反即可，对应六线圈、八线圈的定子也一样的思路，当然对应的转子也要有相应数量的极性。线圈的数量决定了电机的转动角度，数量越多最大理论转动角度越小，但是理论波动也越小。
52.在这样的设计下，四个恒定磁路通道的位置与转子的极性位置与之相对应，此时电机处于机械零位，转子极性中线与线圈之间的夹角为45
°
；磁场状态如图4所示，磁钢产生的磁场从一个恒定磁路通道到其相邻的恒定磁路通道到另一个磁钢。
53.通电后：
54.如图2、图3和图5所示，根据螺旋原理，线圈产生预定的磁场，新产生的磁场改变了原来的磁平衡，此时线圈骨架参与磁场的大闭环，磁钢产生的磁场从线圈骨架到恒定磁路通道，使得转子按照最小磁阻原理产生运动，如顺时针运动或逆时针运动，当运动到所需转动角度后，改变通电方向，使得转子再次按照最小磁阻原理产生往回的运动，如此往复，形成有限转角往复运动的高速电机。由于磁路通道变成了线圈骨架到与之相邻的恒定磁路通道，两者的间隔角度相对磁钢的两个极性的相邻角度来说更小，所以产生的转动角度很小，此时电机的理论转动最大工作角度为单个线圈骨架的宽度。
55.而传统有限转角电机的最大工作范围如图8所示，其最大工作角度为
±
(90
°‑
a)/2，该种结构的缺点是具有较大的齿槽转矩，影响电机输出转矩线性度。
56.图9至图11是本发明与几种传统输出转矩的对比示意图，由图可知，在电机体积相同，输入电流相同，输出转矩接近的情况下，本发明的转矩峰值为0.628，而传统有槽有限转角电机的转矩峰值为2.2，而传统的磁阻式有限转角电机的转矩峰值为2.7，本发明额转矩波动相对于传统的两种有限转角电机显然具有波动小的优势，更加适用于对电机转矩波动要求小的产品，如红外探测成像摆镜。