一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机
阅读说明：本技术 一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机 (Axial flux permanent magnet motor integrated with magnetorheological fluid braking structure ) 是由 徐炜 胡友康 王激尧 秦岭 张翼骋 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机,属于轴向磁通永磁电机、磁流变液制动技术领域,包括第一与第二定子、转子盘、磁流变液、第三定子、旋转轴封盖,第一与第二定子沿轴向设置在转子盘的两侧,转子盘的外侧套设有第三定子,磁流变液填充于第三定子与转子盘的外制动壁形成的柱状间隙中,旋转轴封盖设置于第三定子的两侧用于密封磁流变液；本发明克服了传统制动器结构复杂,存在响应迟滞、制动距离长、转矩脉动的问题,同时通过电机集成制动器的设计显著减小电机与制动器组成关节模块时的轴向尺寸,极大地拓宽了关节模块或由关节模块组成的机械臂的安装空间与应用场合。(The invention discloses an axial magnetic flux permanent magnet motor integrated with a magnetorheological fluid braking structure, which belongs to the technical field of axial magnetic flux permanent magnet motors and magnetorheological fluid braking, and comprises a first stator, a second stator, a rotor disc, magnetorheological fluid, a third stator and a rotating shaft sealing cover, wherein the first stator and the second stator are axially arranged at two sides of the rotor disc; the invention overcomes the problems of complex structure, response delay, long braking distance and torque pulsation of the traditional brake, and simultaneously, the axial size of the motor and the brake when forming a joint module is obviously reduced through the design of the motor integrated brake, thereby greatly expanding the installation space and the application occasions of the joint module or a mechanical arm formed by the joint module.)
技术领域
本发明属于轴向磁通永磁电机、磁流变液制动技术领域，具体涉及一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机。
背景技术
轴向磁通永磁电机又被称为盘式永磁电机，气隙呈平面型，气隙磁场沿轴向分布。不同于传统径向磁通永磁电机，轴向磁通永磁电机以其轴向尺寸短、效率高和功率密度高等优点，在风力发电、电动汽车、航空航天、飞轮储能等领域受到广泛关注和重视。磁流变液是一种新型智能材料，能够在磁场作用下发生流变效应，在毫秒级时间内通过链化效应由牛顿流体变成黏度和剪切应力极强的凝固体。磁流变过程具有响应迅速、可逆、能耗低、适应性强等优点。
制动器，又被称为刹车，是一种通过产生制动力矩实现工作器件降速、刹停或保持刹停位置的工业设备，广泛应用于机械臂、电动汽车、工业伺服系统等领域中。随着近年来国家对相关产业的布局谋划，业界对制动器件的响应、稳定等性能要求逐渐提高。当前需求下，传统制动系统结构设计日趋复杂，并存在响应迟滞、制动距离长、转矩脉动等缺陷，实际制动效果往往差强人意。在此基础上，研究人员提出磁流变液制动器的概念，其核心理念是通过磁流变液的流变特性随磁场急剧变化这一原理来提供制动力矩。磁流变液制动器的制动力矩可以通过调节绕组励磁电流产生可变的外励磁场，从而实现连续、实时的控制，不仅结构简单，而且具有响应迅速、控制方便、稳定性高等优点。
然而无论是传统制动器还是磁流变液制动器均采取的电机和制动器独立的结构，通过将两者串联组成关节模块使用。这种传统方案使得组合后的关节模块整体轴向尺寸显著增长，极大地限制了单一关节模块或由此组成的机械臂的安装空间与应用场合，因此设计一种轴向磁通永磁电机、磁流变液制动器的集成设计方案很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机，克服传统制动器结构复杂，存在响应迟滞、制动距离长、转矩脉动的问题，同时解决传统方案中电机和制动器组合后的关节模块整体轴向尺寸显著增长，极大地限制了关节模块或由此组成的机械臂的安装空间与应用场合的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机，包括第一定子、第二定子、转子盘、磁流变液、第三定子、旋转轴封盖；
所述第一定子包括第一定子铁芯和设置在第一定子铁芯上的第一定子绕组，所述第二定子包括第二定子铁芯和设置在第二定子铁芯上的第二定子绕组，所述第三定子包括第三定子铁芯和设置在第三定子铁芯上的第三定子绕组，所述定子铁芯上设有定子齿，所述转子盘包括内转子、嵌入内转子的轴向充磁的永磁体和套设于内转子外侧的外制动壁，所述外制动壁和内转子之间通过若干T型结构实现机械连接，所述旋转轴封盖包括轴封盖，所述轴封盖上设有O型密封圈；
所述第一定子和第二定子结构相同，所述第一定子与第二定子分别沿轴向设置在转子盘的两侧并与转子盘同轴，所述第三定子沿径向设置在外制动壁的外侧并与外制动壁同轴环绕，所述转外制动壁为具有机械强度的径向导磁特性的材料制成，所述内转子为具有高机械强度的不导磁材料制成，所述轴向充磁的永磁体沿轴向嵌入内转子内，轴向充磁的永磁体的排列布局方式为“SNS”布局，所述磁流变液填充于第三定子与外制动壁形成的柱状间隙中，所述旋转轴封盖设置于第三定子的两侧用于密封磁流变液。
进一步的，所述第一定子、第二定子与轴向充磁的永磁体构成轴向磁回路并产生轴向旋转磁场，所述第三定子与磁流变液和外制动壁构成径向磁回路，且径向磁场的强度由所述第三定子绕组的励磁电流决定。
进一步的，所述第三定子绕组均为同相绕组，且第三定子绕组采用相邻绕组电流方向相反的形式缠绕。
进一步的，所述内转子与外制动壁之间的若干个T型结构由内转子的T型凸出部分以及外制动壁的T型凹槽部分衔接而成，所述T型结构与内转子以及外制动壁同轴、等夹角圆周分布。
本发明的有益效果：
1、本发明克服了传统制动器结构复杂，存在响应迟滞、制动距离长、转矩脉动的问题。本发明通过磁场作用下磁流变液的流变特性急剧变化后产生的剪切应力来制动电机，能够在毫秒级时间内实现制动响应，并通过控制径向励磁电流来精确调节磁流变液的制动力矩，控制简单且响应快速。
2、相比较于典型的电机串联制动器组成关节模块的方案，本发明通过将磁流变液制动结构与轴向磁通永磁电机集成为一体，利用径向磁场实现电机制动，使得整体关节模块具有较小的轴向尺寸，极大地拓宽了单一关节模块或者由此组成的机械臂的安装空间与应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，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。
图1是本发明一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机的分解图；
图2是本发明中连接内转子与外制动壁的T型结构示意图；
图3是本发明中磁流变液制动模式下径向磁场回路示意图；
图4是本发明中第三定子铁芯的结构示意图；
图5是本发明中旋转轴封盖的剖视图；
图6是本发明一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机的装配示意图。
图中标号说明：
1、第一定子；2、第二定子；3、转子盘；4、磁流变液；5、第三定子；6、旋转轴封盖；11、第一定子铁芯；12、第一定子绕组；21、第二定子铁芯；22、第二定子绕组；51、第三定子铁芯；52、第三定子绕组；31、内转子；32、轴向充磁的永磁体；33、外制动壁；61、轴封盖；62、O型密封圈；331、T型结构；511、定子齿。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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的组件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发明的限制。
一种集成磁流变液制动结构的轴向磁通永磁电机，如图1、图6所示，包括第一定子1、第二定子2、转子盘3、磁流变液4、第三定子5、旋转轴封盖6。第一定子1包括第一定子铁芯11和设置在第一定子铁芯11上的第一定子绕组12；第二定子2包括第二定子铁芯21和设置在第二定子铁芯21上的第二定子绕组22；第三定子5包括第三定子铁芯51和设置在第三定子铁芯51上的第三定子绕组52；转子盘3包括内转子31、嵌入内转子31的轴向充磁的永磁体32和套设于内转子31外侧的外制动壁33，所述外制动壁33和内转子31之间通过若干T型结构331连接；旋转轴封盖6包括轴封盖61，轴封盖61上设有O型密封圈62；转子盘3的外制动壁33为具有机械强度的径向导磁特性的材料制成，也可选择电机设计中定子铁芯部分所使用各型硅钢材料；内转子31为具有高机械强度的不导磁材料制成，例如可选择40钢系列不锈钢或者实心铜等具有高机械强度材料，轴向充磁的永磁体32与第一定子绕组12和第二定子绕组22均可选择十极十二槽的极槽配合。
第一定子1和第二定子2结构相同，第一定子1与第二定子2分别沿轴向设置在转子盘3的两侧并与转子盘3同轴；第三定子5沿径向设置在外制动壁33的外侧并与外制动壁33同轴环绕；磁流变液4填充于第三定子5与外制动壁33形成的柱状间隙中，旋转轴封盖6设置于第三定子5的两侧用于密封磁流变液4；轴向充磁的永磁体32的排列采用“SNS”的排列布局，沿轴向嵌入内转子31中；第一定子1、第二定子2与轴向充磁的永磁体32构成轴向磁回路并产生轴向旋转磁场，第三定子5与磁流变液4和外制动壁33构成径向磁回路，且径向磁场的强度由第三定子绕组52的励磁电流决定，磁流变液4通过径向磁场的磁化，产生剪切应力制动转子盘3，实现电机的刹车制动；第三定子绕组52均为同相绕组，且第三定子绕组52采用相邻绕组电流方向相反的形式缠绕；第一定子1、第二定子2与转子盘3上轴向充磁的永磁体32构成轴向磁回路，产生轴向旋转磁场，第三定子5与磁流变液4以及转子盘3的外制动壁33构成径向磁回路。轴向磁通永磁电机工作在无制动模式时，第一定子绕组12和第二定子绕组22中注入同序的三相电流产生轴向旋转磁场转动转子盘3，相应地，第三定子绕组52中没有注入同相电流，径向磁场没有产生，磁流变液4处于牛顿流体状态，此时外制动壁33与磁流变液4之间几乎不存在阻尼，当轴向磁通永磁电机需要制动刹车时，第一定子绕组12和第二定子绕组22中取消注入同序的三相电流，轴向旋转磁场消失，转子盘3仍因惯性继续转动，与此同时，第三定子绕组52中注入单相电流产生径向磁场，径向磁场回路中的磁流变液4被瞬间(毫秒级)磁化发生流变进入凝固态，凝固态下的磁流变液4产生剪切应力对处于惯性转动状态的转子盘3的外制动壁33进行制动刹车，轴向磁通永磁电机在较短时间停止转动工作。制动结束后，第三定子绕组52中不再注入同相电流，径向磁场消失，凝固态的磁流变液4恢复至牛顿流体，制动模式终止，轴向磁通永磁电机可再次进入转动工作。本实施例中可通过控制第三定子绕组52的励磁电流改变径向磁场强度，调节磁流变液4的最大制动力矩。
如图2所示，转子盘3的内转子31与外制动壁33之间通过一定数目的T型结构331进行机械连接，以保证转子盘3的整体机械强度。T型结构331由内转子31的T型凸出部分和外制动壁33的T型凹槽部分衔接而成，并与内转子31和外制动壁33同轴，呈等夹角圆周分布。装配过程中，内转子31沿轴向自上而下将其外侧的T型凸出部分嵌入外制动壁33的T型凹槽内，形成T型结构331。与之相应地，T型结构331的数目可不做具体要求，根据实际轴向磁通永磁电机转动工作下的机械强度要求决定，本实施例中即选择10个T型结构331进行连接。
关于径向磁场的工作原理，如图3所示，虚线表示径向的磁场回路，一侧的箭头表示磁力线的方向。第三定子5上的第三定子绕组52均为同相绕组，采用相邻绕组电流方向相反的形式缠绕，这样的磁路结构能够使得单一定子齿511中的磁场强度更为集中，不提高第三定子绕组52励磁电流的同时，能够显著增强径向磁场回路中磁流变液4处的磁场强度，极大地提升磁流变液4磁化后的剪切应力值，能有效减小集成结构径向尺寸的同时保证较大的电机制动力矩。
如图4所示，第三定子铁芯51的定子齿511数目保持偶数并与第三定子绕组52数目一致即可，可为2至2N个，每一个定子齿511上均缠绕一组第三定子绕组52。在第三定子绕组52匝数和电流不变的情况下，磁流变液4的制动力矩取决于定子齿511的个数，当磁流变液4的磁化面积占比接近于100％时，制动力矩不再增长。
关于磁流变液4的密封处理，如图1、图5所示，旋转轴封盖6包括轴封盖61和O型密封圈62，装配时，旋转轴封盖6较短的左侧竖壁平行于转子盘3上外制动壁33的靠近轴心的内侧壁并保持一定距离，通过环绕左侧竖壁的O型密封圈62与外制动壁33的内侧进行密封，并注入一定的润滑油脂；旋转轴封盖6较长的右侧竖壁紧贴第三定子铁芯51的外侧壁密封，磁流变液4即被两侧的旋转轴封盖6密封在外制动壁33与第三定子5形成的柱状间隙中。轴向磁通永磁电机转动工作状态下，轴封盖61、第三定子铁芯51与O型密封圈62均保持静止，O型密封圈62与外制动壁33之间进行摩擦阻力极小的滑动摩擦，保证轴向磁通永磁电机转动工作状态下的磁流变液4的密封性。
本发明通过如图6的装配方法，相比较于典型的电机串联制动器组成关节模块的方案，本发明通过将磁流变液制动结构与轴向磁通永磁电机集成为一体，利用径向磁场实现电机制动，使得整体关节模块具有较小的轴向尺寸，极大地拓宽了单一关节或者由此组成的机械臂的安装空间与应用场合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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发明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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
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