用于舵机的多对极永磁直流无刷电机及舵机

摘要

本发明公开了一种用于舵机的多对极永磁直流无刷电机及舵机。用于舵机的多对极永磁直流无刷电机，包括固定于电机壳体内的定子、设于定子内的转子以及沿转子周向布设并用于感应转子旋转过程中磁极变换而发出信号的传感器，转子包括多块用于提高舵机磁感应密度以提高舵机旋转控制精度的瓦片式永磁体，多块瓦片式永磁体沿转子的周向等距离排布并固接于转子的转子芯上，瓦片式永磁体的外形均相同，瓦片式永磁体为南极永磁体或北极永磁体，一个南极永磁体和一个北极永磁体构成一对磁极，转子包含有至少两对磁极。瓦片式永磁体可装配后沿转子周向一次性充磁，也可分别充磁后再进行装配，装配工艺简单，漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高。

说明书

技术领域

本发明涉及控制装置领域，特别地，涉及一种用于舵机的多对极永磁直流无刷电机。此 外，本发明还涉及一种包括上述用于舵机的多对极永磁直流无刷电机的舵机。

背景技术

舵机，是由直流驱动电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。 当舵机处于工作状态时，舵机按接收到的外部控制信号或指令，在设定的旋转角度内及荷载 条件下，舵机的控制部分能准确控制输出端以一定的转速旋转所需的角度或位置。

现有舵机大多采用单对极电机，舵机输出轴的旋转角度的分辨率受到电机可控制转动角 度的限制，舵机的转动角度精度低；此外，采用单对极结构，输出功率低；并且当对永磁体 进行整体充磁(即极弧系数为1)时容易漏磁，采用分段充磁时，容易因磁化弧度大而旋转破 碎。

发明内容

本发明提供了一种用于舵机的多对极永磁直流无刷电机及舵机，以解决现有舵机电机， 舵机输出轴的旋转角度的分辨率受到电机可控制转动角度的限制，舵机的转动角度精度低； 采用单对极结构，输出功率低；并且当对永磁体进行整体充磁(即极弧系数为1)时容易漏磁， 采用分段充磁时，容易因磁化弧度大而旋转破碎的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于舵机的多对极永磁直流无刷电机，包括固定于电 机壳体内的定子、设于定子内的转子以及沿转子周向布设并用于感应转子旋转过程中磁极变 换而发出信号的传感器，转子包括转子芯以及多块用于提高舵机磁感应密度从而提高舵机旋 转控制精度的瓦片式永磁体，多块瓦片式永磁体沿转子的周向等距离排布并固接于转子的转 子芯上，瓦片式永磁体的外形均相同，瓦片式永磁体为南极永磁体或北极永磁体，一个南极 永磁体和一个北极永磁体构成一对磁极，转子包含有至少两对磁极。

进一步地，转子芯与瓦片式永磁体之间采用燕尾槽和燕尾榫配合连接，燕尾槽沿转子芯 的轴向布设；和/或转子芯与瓦片式永磁体之间采用胶粘连接；和/或转子芯与瓦片式永磁体采 用整体外套设固定套进行连接；和/或转子芯与瓦片式永磁体之间通过开设于瓦片式永磁体外 表面的定位槽以及设于定位槽内的固定箍进行连接。

进一步地，每一个南极永磁体和/或每一个北极永磁体均为单独装配至转子芯上的独立装 配式永磁体。

进一步地，电机采用多对极少槽的磁路结构，每极每相槽数q＝Z/(Z_p*m)，其中，q为每 极每相槽数，Z为定子的绕线槽总数，Z_p为磁极个数，m为相数；每极每相槽数q<1。

进一步地，转子的磁极极弧系数为0.6-0.85，以提高电机的气隙磁密、南极永磁体和北极 永磁体的利用率以及电机的转矩密度。

进一步地，定子的内壁面上开设有多个沿定子轴向布置并用于嵌绕电磁线的绕线槽，相 邻两个绕线槽的相邻槽壁上通过手工或者绕线机均匀的嵌绕有电磁线，形成沿定子周向排布 的多组电磁线圈组。

进一步地，定子的两端面均以及定子的绕线槽内均设有用于避免电磁线外表面漆膜损伤 的绝缘层。

进一步地，转子采用两对极转子、三对极转子或者四对极转子。

进一步地，南极永磁体与北极永磁体相间排布；或者两块南极永磁体相邻成组并与北极 永磁体相间排布；或者两块北极永磁体相邻成组并与南极永磁体相间排布；或者两块南极永 磁体相邻成组并与同样由两块相邻成组的北极永磁体相间排布。

根据本发明的另一方面，还提供了一种舵机，其包括上述用于舵机的多对极永磁直流无 刷电机。

本发明具有以下有益效果：

本发明用于舵机的多对极永磁直流无刷电机，通过设置沿周向等间距布置的瓦片式永磁 体以提高舵机的磁感应精度以及旋转控制精度；转子由多个单体的瓦片式永磁体构成，通过 永磁体(瓦片式永磁体)单体固接的方式减少制造工艺造成的结构薄弱点，降低永磁体(瓦 片式永磁体)从转子芯脱落以及破碎的几率；瓦片式永磁体可以采用装配后沿转子周向一次 性充磁，形成由规律排布的南极永磁体和北极永磁体构成的多对极结构；也可采用分别充磁 后再进行装配，形成由规律排布的南极永磁体和北极永磁体构成的多对极结构，装配工艺简 单，合格率高，且漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高，并提高了电机的转矩密 度。适用于各类模型运动。适用于运动模型、遥控运动模型、无人机、机器人等的使用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面 将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于舵机的多对极永磁直流无刷电机的结构示意图之一；

图2是本发明优选实施例的用于舵机的多对极永磁直流无刷电机的结构示意图之二。

图例说明：

1、定子；2、转子；201、南极永磁体；202、北极永磁体；203、转子芯；3、传感器；4、 绕线槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由所限定和覆盖的多种 不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的用于舵机的多对极永磁直流无刷电机的结构示意图之一；图2 是本发明优选实施例的用于舵机的多对极永磁直流无刷电机的结构示意图之二。

如图1所示，本实施例的用于舵机的多对极永磁直流无刷电机，包括固定于电机壳体内 的定子1、设于定子1内的转子2以及沿转子2周向布设并用于感应转子2旋转过程中磁极变 换而发出信号的传感器3，转子2包括转子芯203以及多块用于提高舵机磁感应密度以提高旋 转控制精度的瓦片式永磁体，多块瓦片式永磁体沿转子2的周向等距离排布并固接于转子2 的转子芯203上，瓦片式永磁体的外形均相同，瓦片式永磁体为南极永磁体201或北极永磁 体202，一个南极永磁体201和一个北极永磁体202构成一对磁极，转子2包含有至少两对磁 极。本发明用于舵机的多对极永磁直流无刷电机，通过设置沿周向等间距布置的瓦片式永磁 体以提高舵机的磁感应精度以及旋转控制精度；转子2由多个单体瓦片式永磁体构成，通过 永磁体(瓦片式永磁体)单体固接的方式减少制造工艺造成的结构薄弱点，降低永磁体(瓦 片式永磁体)从转子芯脱落以及破碎的几率；瓦片式永磁体可以采用装配后沿转子周向一次 性充磁，形成由规律排布的南极永磁体和北极永磁体构成的多对极结构；也可采用分别充磁 后再进行装配，形成由规律排布的南极永磁体和北极永磁体构成的多对极结构，装配工艺简 单，合格率高，且漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高，并提高了电机的转矩密 度。适用于各类模型运动。适用于运动模型、遥控运动模型、无人机、机器人等的使用。可 选地，同一对磁极的南极永磁体201与北极永磁体202之间沿转子2的中轴线对称布置。可 选地，同一对磁极的南极永磁体201与北极永磁体202相邻布置。由于转子采用多对极结构， 使得定子磁轭可以选择比单对极定子磁轭更短的磁轭，从而减少了铁芯重量、降低了铁耗， 提高了电机的效率，增加了驱动系统的使用时间。可选地，多个传感器3沿转子2的周向等 间距布置，相邻传感器3之间的间隔夹角与极对数有关。相邻传感器3之间的间隔夹角相同。 可选地，夹角采用120°÷极对数。可选地，瓦片式永磁体还可以采用其他类似结构的永磁体。

如图1和图2所示，本实施例中，转子芯203与瓦片式永磁体之间采用燕尾槽和燕尾榫 配合连接，燕尾槽沿转子芯203的轴向布设；和/或转子芯203与瓦片式永磁体之间采用胶粘 连接；和/或转子芯203与瓦片式永磁体采用整体外套设固定套进行连接；和/或转子芯203与 瓦片式永磁体之间通过开设于瓦片式永磁体外表面的定位槽以及设于定位槽内的固定箍进行 连接。采用上述的至少一种连接方式，能够降低制作工艺难度，能够提高转子芯203与瓦片 式永磁体之间的结构稳定性，装配工艺简单，合格率高，且漏磁系数小，气隙磁密高，永磁 体的利用率更高，并提高了电机的转矩密度。可选地，转子芯203与南极永磁体201之间采 用燕尾槽和燕尾榫配合连接。燕尾槽沿转子芯203的轴向布设。转子芯203与北极永磁体202 之间采用燕尾槽和燕尾榫配合连接。燕尾槽沿转子芯203的轴向布设。转子的永磁体进行独 立充磁、分段充磁或者装配后整体充磁，通过压装的方式将永磁体压装在转子芯上，机械强 度更高。充磁和装配更加方便，且漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高，并提高 了电机的转矩密度。

如图1和图2所示，本实施例中，每一个南极永磁体201均为单独进行充磁的独立充磁 式永磁体。每一个北极永磁体202均为单独进行充磁的独立充磁式永磁体。每一个南极永磁 体201和每一个北极永磁体202均为单独进行充磁的独立充磁式永磁体。采用分极独立充磁， 充磁和装配更加方便，且漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高，并提高了电机的 转矩密度。

如图1和图2所示，本实施例中，每一个北极永磁体202均为单独装配至转子芯203上 的独立装配式永磁体。每一个南极永磁体201和每一个北极永磁体202均为单独装配至转子 芯203上的独立装配式永磁体。装配更加方便，采用装配后沿转子周向一次性充磁，装配工 艺简单，合格率高，且漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高，并提高了电机的转 矩密度。

如图1和图2所示，本实施例中，电机采用多对极少槽的磁路结构。每极每相槽数q＝Z/ (Z_p*m)，其中，q为每极每相槽数，Z为定子的绕线槽总数，Z_p为磁极个数，m为相数。每 极每相槽数q<1。使电机的漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高，并提高了电机的 转矩密度。

如图1和图2所示，本实施例中，转子2的磁极极弧系数为0.6-0.85，以提高电机的气隙 磁密、南极永磁体201和北极永磁体202的利用率以及电机的转矩密度。转子2的磁极极弧 系数采用0.6-0.85以外的值，不仅不能够提高电机的各个性能指标，反而会降低电机的各项指 标、降低整体工作效率。

如图1和图2所示，本实施例中，定子1的内壁面上开设有多个沿定子1轴向布置并用 于嵌绕电磁线的绕线槽4。相邻两个绕线槽4的相邻槽壁上通过手工或者绕线机均匀的嵌绕有 电磁线，形成沿定子1周向排布的多组电磁线圈组。电磁线绕组线圈有规律的嵌在绕线槽4 内，紧固可靠，工艺简单，合格率高。可选地，绕线槽4为外窄内宽的窄口槽，以防止电磁 线在缠绕过程中滑脱。可选地，绕线槽4的槽口位置设置有向内悬挑的挑边，以防止电磁线 在缠绕过程中滑脱。

如图1和图2所示，本实施例中，定子1的两端面以及定子1的绕线槽4内均设有用于 避免电磁线外表面漆膜损伤的绝缘层。

如图1和图2所示，本实施例中，转子2采用两对极转子、三对极转子或者四对极转子。

如图1和图2所示，本实施例中，南极永磁体201与北极永磁体202相间排布。两块南 极永磁体201相邻成组并与北极永磁体202相间排布。两块北极永磁体202相邻成组并与南 极永磁体201相间排布。两块南极永磁体201相邻成组并与同样由两块相邻成组的北极永磁 体202相间排布。

本实施例的舵机，包括上述用于舵机的多对极永磁直流无刷电机。

实施时，对转子磁钢(永磁体)进行独立或分段充磁，并将磁钢(永磁体)压装在转子 芯的燕尾槽里，压装过程中对于转子芯与磁钢(永磁体)之间的接触面进行涂胶处理，装配 完毕后进行固化，使得整体的机械强度高。可选地，采用转子芯203与瓦片式永磁体采用整 体外套设固定套进行连接。可选地，采用转子芯203与瓦片式永磁体之间通过开设于瓦片式 永磁体外表面的定位槽以及设于定位槽内的固定箍进行连接。采用上述的至少一种连接方式， 能够降低制作工艺难度，能够提高转子芯203与瓦片式永磁体之间的结构稳定性，装配工艺 简单，合格率高，且漏磁系数小，气隙磁密高，永磁体的利用率更高，并提高了电机的转矩 密度。制作过程中，定子的绕线槽槽数较多，槽口窄，下线时以免划伤电磁线漆膜，对槽口 采取垫绝缘层和降低槽满率的措施。

选择多对极是提高舵机性能的最佳方案，并具有以下特点：1、大幅度提高了准确度；2、 增大了输出扭矩。但是，传统的微型电机制作工艺中认为采用多对极的制造工艺存在以下问 题：1、扭矩不但不能增加，反而还有所下降；2、在高达2万-5万转/分钟转速的条件以及电 机内高温环境下，转子的磁钢需要承受很大的离心力，易脱落且易碎。而通过采用本发明的 技术，采用各个永磁体(瓦片式永磁体)磁极单体分别制造并装配形成转子，将各个永磁体 (瓦片式永磁体)采用燕尾槽与燕尾榫配合连接方式装配于转子芯上，装配过程中对于转子 芯203与永磁体(瓦片式永磁体)之间接触面进行涂胶处理，装配完毕后进行固化，使得整 体的机械强度高，永磁体(瓦片式永磁体)沿转子芯的轴向均匀排布，从而达到增加扭矩的 作用。通过永磁体(瓦片式永磁体)单体固接的方式减少制造工艺造成的结构薄弱点，降低 永磁体(瓦片式永磁体)从转子芯脱落以及破碎的几率。可选地，在永磁体(瓦片式永磁体) 外周加套的方法，能够降低制作工艺难度，能够提高转子芯203与瓦片式永磁体之间的结构 稳定性，提高转子的结构强度。可选地，永磁体(瓦片式永磁体)与转子芯之间采用胶粘的 方式进行连接，连接方便可靠，装配完毕后只需进行固化和削除多余的胶，即可完成装配。 通过上述装配方式中的至少一种，即达到降低制作工艺难度、增加扭矩、转子运转稳定性好、 转子适应能力强、永磁体不易脱落不易碎的目的。

而采用多对极少槽的磁路结构，以及采用独立或分段充磁，将转子的磁极磁弧系数控制 在0.6-0.85之间，从而达到漏磁系数小、气隙磁密高、永磁体利用率高的效果，并提高电机的 转矩密度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。