CN213585532U - 一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，包括轴承、定子、转子、转子位置传感器组件、后端盖、圆柱销、弹性复位元件等零部件构成；转子位置传感器组件安装到后端盖凸块上，后端盖与轴承之间设置弹性复位元件已确保冲击完成后转子组件复位；后端盖与机壳采用激光焊接方式进行连接，然后沿机壳圆柱均匀配打N个抗强冲击圆柱销；本实用新型提供具有抗强冲击、结构简单、装配方便、结构紧凑、尺寸小、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、运行噪音和振动低，转矩波动小，动态响应速度高、控制运转平稳、控制精度高、可靠性高等优点的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机。

Description

一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机

技术领域

本实用新型涉及无刷直流电机技术领域，更具体的说，它涉及一种运动执行机构。

背景技术

在诸如导弹、航天器等武器系统的伺服控制单元中在初始发射状态，初始加速高达轴向≥10000G,径向≥3000G,将弹药在短时间加速到目标速度，然后运行到最高点，在滑翔状态进行通过伺服控制单元对弹药进行制导；在发射强冲击过程中对伺服控制单元器件提出了较为苛刻要求，如专利号CN 204835792 U提出的《一种抗高冲击空心杯永磁直流电动机》初步解决发射过程中冲击问题，但是此款产品有刷直流空心杯电机、产品结构复杂、体积和重量较大、功率密度和转矩密度小，另外有刷直流电机，受限于摩擦有最高转速限制、不适合小体积以及高功率密度场合使用。因此，电机作为伺服控制单元的动力源的关键部件，伺服控制单元对电机提出更高的要求，要求体积小、重量轻、抗强冲击、功率密度高、转矩密度高、工作稳定、高可靠性和高动态响应等指标。

发明内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供体积小、重量轻、抗强冲击、功率密度高、转矩密度高、工作稳定、高可靠性和高动态响应的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，包括轴承、定子、转子、转子位置传感器组件、后端盖、圆柱销和弹性复位元件；定子包括机壳、环形定子铁芯、定子空心杯绕组、支撑环、转接板组件和承载环；转子包括转子轴、多极环形磁环和挡板；所述转子轴上在冲击方向设置转子磁钢轴向定位和抗冲击的台阶；所述的后端盖上设置有轴承和转子轴向抗强冲击凸台，后端盖上的抗强冲击凸台外径大于转子轴轴径2mm～7mm，后端盖与轴承之间设置弹性复位元件已确保冲击完成后转子的复位；转子位置传感器组件安装后端盖的凸块上。

进一步的，转子位置传感器组件上的霍尔感应面距离转子的多极环形磁环的磁感端面距离介于1.5mm～3.5mm；转子轴上的台阶的厚度介于1.5mm～3.5mm。

进一步的，所述的电机后端盖与机壳采用激光焊接方式进行连接，沿机壳均匀配置N个抗强冲击圆柱销， N为2个至6个。

进一步的，弹性复位元件采用碟簧和/或波形垫圈；机壳材质采用非导磁体不锈钢材质，机壳内的环形定子铁芯形成的环形冲片由至少两个以上0.1mm～0.5mm厚度的硅钢片叠压而成。

进一步的，机壳整体呈圆筒状，且机壳一体化成型；环形定子铁芯通过过盈及外壁涂抹胶水粘接在机壳内侧，所述空心杯定子绕组固定在环形定子铁芯内侧，空心杯定子绕组与环形定子铁芯之间设有绝缘纸隔绝；空心杯定子绕组由自粘性漆包线绕制，并卷圆成与机壳相适应的圆筒状结构；

定子电枢由空心杯定子绕组装入环形定子铁芯，并整体压入机壳；其中空心杯定子绕组的引线焊接在转接板组件上，承载环设置在转接板组件上；

定子电枢装配到位后，对定子进行整体灌封处理，树脂填充空心杯定子绕组之间和空心杯定子绕组与环形定子铁芯间安装缝隙。

进一步的，转子轴与多极环形磁环通过胶水进行粘接固定；多极环形磁环采用HALBACH结构进行取向和充磁，多极环形磁环极数为P，P值介于4至12，且为2的公倍数；多极环形磁环的材质为钕铁硼或钐钴；多极环形磁环的表磁曲线近似正弦波分布，表磁的峰值大于等于3000高斯；转子轴由不锈钢加工而成；转子装配完成后进行动平衡，平衡等级≤G6.3,满足转子转速大于等于10000rpm条件下平稳运行。

进一步的，转子位置传感器组件包括霍尔和霍尔PCB板，霍尔41数量为三个，三个霍尔平贴在霍尔PCB板上，相邻霍尔之间的机械夹角为θ，θ=240N/P，N为正整数，P为磁环的极数，θ限制角度小于等于120°。

进一步的，电机轴向间隙为H,且H值介于0.3mm～1mm；冲击凸台距轴承内圈端面轴向距离H1介于0.5mm～1.2mm，且H1≥H；霍尔PCB板底面距轴承端面轴向距离为H2介于0.3mm～1mm；台阶距霍尔PCB板底面轴向距离为C、轴承厚度B，其中C=B+H+H1+H2。

进一步的，电机后部轴承外径与后端盖采用间隙配合，轴承的内径与转子轴采用间隙配合；定子空心杯绕组与电机上的主磁回路耦合后，随着转子的多极环形磁环回转运动得到正弦度高于反电势的波形。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型实现产品具有抗强冲击、结构简单、装配方便、结构紧凑、尺寸小、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、运行噪音和振动低，转矩波动小，动态响应速度高、控制运转平稳、控制精度高、可靠性高等优点。

2、本实用新型创新的采用抗冲击凸台结构设计，有效解决电机发射过程中强冲击问题；进一步地通过优化电机参数，综合电机抗强冲击要求，在满足电机指标的情况下特别注意电机和转子重量控制，从源头减少冲击力，提高的产品的可靠性。

3、本实用新型采用端部磁场感应结构设计，通过优选的霍尔定位，取消了跟踪磁钢结构设计，有效解决强冲击过程跟踪磁钢脱落问题。

4、本实用新型采用一体化转子轴和磁环结构设计方案，并将台阶设置在冲击方向末端，有效的发射强冲击导致转子磁钢轴向飞出的风险。

5、本实用新型定子方面优先对定子进行整体灌封，进一步地冲击方向设置了承载支撑环，有效的将定子轴向抗强冲击力施加在后端盖上，保证定子受强冲击后位置不发生松动，保证产品可靠。

6、本实用新型通过一体化机壳与后端盖有限通过焊接，然后配以高可靠抗强冲击销确保产品的承受强冲击后产品无脱落风险。

附图说明

图1为本实用新型的结构剖图；

图2为本实用新型图1的J部放大图；

图3为本实用新型的定子结构示意图；

图4为本实用新型的转子结构示意图；

图5为本实用新型的转子表磁曲线示意图；

图6为本实用新型的转子位置传感器组件的示意图。

图中标号：

轴承1、定子2、转子3、转子位置传感器组件4、后端盖5、圆柱销6、弹性复位元件7；

机壳21、环形定子铁芯22、空心杯定子绕组23、支撑环24、转接板组件25、承载环26；转子轴31、多极环形磁环32、挡板33、台阶34；霍尔41、霍尔PCB板42；冲击凸台51；t霍尔感应距离、t1轴抗冲击挡肩厚度、B轴承厚度、C抗冲击台阶距霍尔板底面轴向距离、H电机轴向间隙、H1冲击凸台距轴承内圈端面轴向距离、 H2霍尔板底面距轴承端面轴向距离、ΦD抗强冲击凸台外径、Φd转子轴径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。应当说明的是，实施例只是对本实用新型的具体阐述，其目的是为了让本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，不应视为对本实用新型的限定。其中没有详细描述的结构均采用传统的结构进行处理衔接。

另需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在本方案中的描述，涉及到的“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平"、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元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实用新型的限制。

如图1所示，一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，包括轴承1、定子2、转子3、转子位置传感器组件4、后端盖5、圆柱销6和弹性复位元件7等零部件。定子2包括机壳21、环形定子铁芯22、空心杯定子绕组23、支撑环24、转接板组件25和承载环26等零部件。转子3包括转子轴31、多极环形磁环32和挡板33等零部件。

所述后端盖5上设置有轴承1和转子3轴向抗强冲击凸台51，后端盖5上的抗强冲击凸台外径ΦD大于转子轴31轴径Φd，且满足ΦD=Φd+2mm～7mm，确保转子3上的强冲击载荷由转子轴31和轴承1内圆传递到冲击凸台51上，避免轴承1受到冲击载荷。后端盖5与轴承1之间设置弹性复位元件7已确保冲击完成后转子3的复位。转子位置传感器组件4安装在后端盖5的凸块上。

所述电机后端盖5与机壳21采用激光焊接方式进行连接，沿机壳21均匀配置N个抗强冲击圆柱销6， N为2个至6个，以提高整体抗强冲击的性能。其中，电机后部轴承1的外径与后端盖5采用间隙配合，轴承1内径与转子轴31采用间隙配合。

弹性复位元件7采用碟簧、波形垫圈及其他弹性元件组成。

如图2所示，电机轴向间隙为H,且H值介于0.3mm～1mm；冲击凸台51距轴承1内圈端面轴向距离H1介于0.5mm～1.2mm，且H1≥H；霍尔PCB板42板底面距轴承1端面轴向距离为H2介于0.3mm～1mm；台阶34距霍尔PCB板42底面轴向距离为C、轴承1厚度B，其中C=B+H+H1+H2。

如图3所示，定子2的机壳21整体呈圆筒状，且机壳一体化成型。机壳21材质采用非导磁体不锈钢材质，机壳21内的环形定子铁芯22形成的环形冲片由至少两个以上0.1mm～0.5mm厚度的硅钢片叠压而成。环形定子铁芯22通过过盈及外壁涂抹胶水粘接在机壳21内侧，所述空心杯定子绕组23固定在环形定子铁芯22内侧，空心杯定子绕组23与环形定子铁芯22之间设有绝缘纸隔绝；空心杯定子绕组23由自粘性漆包线绕制，并卷圆成与机壳21相适应的圆筒状结构。其中，定子电枢由空心杯定子绕组23装入环形定子铁芯22，并整体压入机壳21。空心杯定子绕组23的引线焊接在转接板组件25上，承载环26设置在转接板组件25上，以完成定子电枢。定子电枢装配到位后，对定子2进行整体灌封处理，树脂填充空心杯定子绕组23之间和空心杯定子绕组23与环形定子铁芯22间安装缝隙，以提高定子2的强度和散热性能。

如图4所示，转子3的转子轴31与多极环形磁环32通过耐高温高强度胶水进行粘接固定。转子轴31由高强度导磁不锈钢加工而成。转子3装配完成后进行动平衡，平衡等级≤G6.3,满足转子转速大于等于10000rpm条件下平稳运行。多极环形磁环32采用HALBACH结构进行取向和充磁，多极环形磁环32极数为P，P值介于4至12，且为2的公倍数；多极环形磁环32的材质为耐高温、高性能的钕铁硼或钐钴。如图5所示，多极环形磁环32的表磁曲线近似正弦波分布，表磁的峰值大于等于3000高斯。

所述转子轴31上在冲击方向设置转子磁钢轴向定位和抗冲击的台阶34，台阶的厚度介于1.5mm～3.5mm。

如图6所示，转子位置传感器组件4上的霍尔感应面距离转子3的多极环形磁环32的磁感端面距离为t，t介于1.5mm～3.5mm。

转子位置传感器组件4 包括霍尔41和霍尔PCB板42，霍尔41数量为三个，三个霍尔41平贴在霍尔PCB板42上，相邻霍尔41之间的机械夹角为θ，θ=240N/P，N为正整数，P为磁环的极数，θ限制角度小于等于120°。

空心杯定子绕组23与电机上的主磁回路耦合后，随着转子3的多极环形磁环32回转运动得到正弦度高于反电势的波形。

综上，本方案优化电机磁场，尽可能的提高单位体积下的气隙磁通，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，定子空心杯绕组反电势呈现正弦形。可以有效的降低电机损耗，提高电机效率、转矩密度、功率密度等，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。在满足性能指标情况下要求定子空心杯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。

创新采用抗冲击凸台结构设计，有效解决电机发射过程中强冲击问题；进一步地通过优化电机参数，综合电机抗强冲击要求，在满足电机指标的情况下特别注意电机和转子重量控制，从源头减少冲击力，提高的产品的可靠性。采用端部磁场感应结构设计，通过霍尔定位，取消了跟踪磁钢结构设计，有效解决强冲击过程跟踪磁钢脱落问题，采用一体化转子轴和磁环结构设计方案，并将台阶的设置在冲击方向末端，有效的发射强冲击导致转子磁钢轴向飞出的风险，定子方面优先对定子进行整体灌封，进一步地冲击方向设置了承载支撑环，有效的将定子轴向抗强冲击力施加在后端盖上，保证定子受强冲击后位置不发生松动，保证产品可靠通过一体化机壳与后端盖有限通过焊接，然后配以高可靠抗强冲击销确保产品的承受强冲击后产品无脱落风险。

实现具有抗强冲击、结构简单、装配方便、结构紧凑、尺寸小、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、运行噪音和振动低，转矩波动小，动态响应速度高、控制运转平稳、控制精度高、可靠性高等优点的抗强冲击的空心杯无刷直流电机。

以上结合附图详细描述了本方案的优选实施方式,但是,本方案并不限于此。在本方案的技术构思范围内,可以对本方案的技术方案进行多种简单变型,包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本方案对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本方案所公开的内容,均属于本方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：包括轴承（1）、定子（2）、转子（3）、转子位置传感器组件(4)、后端盖（5）、圆柱销（6）和弹性复位元件（7）；定子（2）包括机壳（21）、环形定子铁芯（22）、空心杯定子绕组（23）、支撑环（24）、转接板组件（25）和承载环（26）；转子（3）包括转子轴（31）、多极环形磁环（32）和挡板（33）；所述转子轴（31）上在冲击方向设置转子磁钢轴向定位和抗冲击的台阶（34）；所述的后端盖(5)上设置有轴承（1）和转子（3）轴向抗强冲击凸台（51），后端盖(5)上的抗强冲击凸台外径大于转子轴(31)轴径2mm～7mm，后端盖(5)与轴承(1)之间设置弹性复位元件（7）已确保冲击完成后转子（3）的复位；转子位置传感器组件（4）安装后端盖（5）的凸块上。

2.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：转子位置传感器组件（4）上的霍尔感应面距离转子（3）的多极环形磁环（32）的磁感端面距离介于1.5mm～3.5mm；转子轴（31）上的台阶的厚度介于1.5mm～3.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：所述的电机后端盖（5）与机壳（21）采用激光焊接方式进行连接，沿机壳（21）均匀配置N个抗强冲击圆柱销(6)， N为2个至6个。

4.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：弹性复位元件（7）采用碟簧和/或波形垫圈；机壳（21）材质采用非导磁体不锈钢材质，机壳（21）内的环形定子铁芯（22）形成的环形冲片由至少两个以上0.1mm～0.5mm厚度的硅钢片叠压而成。

5.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：机壳（21）整体呈圆筒状，且机壳一体化成型；环形定子铁芯（22）通过过盈及外壁涂抹胶水粘接在机壳（21）内侧，所述空心杯定子绕组（23）固定在环形定子铁芯（22）内侧，空心杯定子绕组（23）与环形定子铁芯（22）之间设有绝缘纸隔绝；空心杯定子绕组（23）由自粘性漆包线绕制，并卷圆成与机壳（21）相适应的圆筒状结构；

定子电枢由空心杯定子绕组（23）装入环形定子铁芯（22），并整体压入机壳（21）；其中空心杯定子绕组（23）的引线焊接在转接板组件（25）上，承载环（26）设置在转接板组件（25）上；

定子电枢装配到位后，对定子（2）进行整体灌封处理，树脂填充空心杯定子绕组（23）之间和空心杯定子绕组（23）与环形定子铁芯（22）间安装缝隙。

6.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：转子轴（31）与多极环形磁环（32）通过胶水进行粘接固定；多极环形磁环（32）采用HALBACH结构进行取向和充磁，多极环形磁环（32）极数为P，P值介于4至12，且为2的公倍数；多极环形磁环（32）的材质为钕铁硼或钐钴；多极环形磁环（32）的表磁曲线近似正弦波分布，表磁的峰值大于等于3000高斯；转子轴（31）由不锈钢加工而成；转子（3）装配完成后进行动平衡，平衡等级≤G6.3,满足转子转速大于等于10000rpm条件下平稳运行。

7.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：转子位置传感器组件(4) 包括霍尔（41）和霍尔PCB板（42），霍尔（41）数量为三个，三个霍尔（41）平贴在霍尔PCB板（42）上，相邻霍尔（41）之间的机械夹角为θ，θ=240N/P，N为正整数，P为磁环的极数，θ限制角度小于等于120°。

8.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：电机轴向间隙为H,且H值介于0.3mm～1mm；冲击凸台（51）距轴承内圈端面轴向距离H1介于0.5mm～1.2mm，且H1≥H；霍尔PCB板（42）板底面距轴承端面轴向距离为H2介于0.3mm～1mm；台阶（34）距霍尔PCB板（42）底面轴向距离为C、轴承厚度B，其中C=B+H+H1+H2。

9.根据权利要求1所述的一种抗强冲击的空心杯无刷直流电机，其特征在于：电机后部轴承（1）外径与后端盖（5）采用间隙配合，轴承（1）的内径与转子轴（31）采用间隙配合；定子空心杯绕组（23）与电机上的主磁回路耦合后，随着转子（3）的多极环形磁环（32）回转运动得到正弦度高于反电势的波形。

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