一种低惯量高转矩密度机器人关节用力矩电机的制作方法

本发明涉及一种力矩电机，特别是降低了电机转子的重量和转动惯量、提高了力矩电机的转矩密度、同时提高了转子磁体耐温等级的用于机器人关节的力矩电机。

背景技术：

机器人关节运动有其特殊性，尤其是仿人机器人关节，其既要实现类似人类关节的运动，又要有人类肌肉的爆发力，还受体积重量的限制，这就要求其驱动元件具有很高的转矩密度，以适应机器人复杂的运动工况。

当前仿人机器人关节多采用无刷直流电机，此类电机采用永磁体励磁，转子结构往往采用磁极表贴式结构。无刷直流电机为了很好的固定磁极，经常要加固定套或采用碳纤维带绑扎。如公开号为cn108282065a，发明名称为“高效率、高功率密度halbach阵列无刷直流电机”即是采用外加不导磁转子护套的方式。该专利中提到的电机，转子永磁体为分块式halbach阵列，利用磁场特性，配合相应的转子磁轭结构和材料，降低电机整体重量。

然而，就该专利文献中的方案而言，虽然通过转子磁轭及磁轭支架的结构降低了转子重量，但采用外加不导磁转子护套的方式来固定分块拼装的永磁体，不但工艺复杂，装配误差容易增大，且增加转子重量及转动惯量；而采用碳纤维带绑扎磁极的方式，纤维带绑得过厚，会影响气隙，过薄，则牢固可靠性难以保证，容易松动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低惯量高耐温机器人关节力矩电机，采用整体环式磁极，不需要增加保护套等措施，既简化了工艺，又降低了转子重量；同样采用不同磁极配比的两块halbach阵列充磁，优化了磁场特性，进而取消转子轭部，降低了转子重量及转动惯量，提高了电机的转矩密度。

本发明的技术方案如下。

本发明一方面提供了一种环式永磁体，用于力矩电机的永磁磁极，其中，所述环式永磁体为整体磁环，所述整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，形成单边磁场。

优选地，所述halbach阵列充磁中，每极永磁体块数为2，辅磁极充磁角及每极主辅磁极的配比比例由有限元软件仿真确定。

本发明第二方面提供了一种力矩电机，包括定子铁心、电枢绕组、气隙、永磁磁极；其中，所述永磁磁极为环式永磁体；所述气隙存在于所述定子铁心与所述环式永磁体之间。

优选地，所述环式永磁体为整体磁环。

优选地，所述整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，形成单边磁场。

优选地，所述halbach阵列充磁中，每极永磁体块数为2，主磁极充磁角度固定。

优选地，所述halbach阵列充磁中，辅磁极充磁角为75°，每极主辅磁极的配比比例为1:1

优选地，所述halbach阵列充磁中，辅磁极充磁角为85°，每极主辅磁极的配比比例为9:1。

优选地，所述halbach阵列充磁中，辅磁极充磁角为80°，每极主辅磁极的配比比例为2:1。

本发明第三方面提供了一种机器人关节，包括根据以上技术方案中任一项所述的力矩电机。

本发明第四方面提供了一种仿人机器人，包括机器人关节，其中所述机器人关节包括根据以上技术方案中任一项所述的力矩电机。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1.本发明中，永磁磁极采用整体磁环，避免采用转子外加保护套等措施，提高装配可靠性，降低转子重量及转动惯量，提高电机转矩密度。

2.本发明中，整体磁环采用halbach阵列充磁，该阵列每极分为配比不同的两块磁钢，形成单边磁场，取消转子磁轭，降低了电机的体积、重量及转动惯量，提高电机转矩密度的同时改善了电机的动态性能。

3.本发明中，整体磁环采用halbach阵列充磁，该阵列每极分为配比不同的两块磁钢，可提高气隙处磁场强度约20％，在保持相同磁场强度的情况下，磁极可以更薄，进一步降低电机转子重量及转动惯量，提高电机的转矩密度。同时，由于永磁材料的磁性能越高，耐温等级越低，采用halbach阵列充磁，提高了磁性能的同时，又保证了磁材的耐温等级不变。

附图说明

图1为本发明的低惯量高耐温的机器人关节力矩电机；

图2为图1中转子采用每极两块永磁体的halbach阵列充磁示意图。

附图标记说明：

1-定子铁心、2-电枢绕组、3-气隙、4-永磁磁极、5-每极halbach阵列主磁极、6-每极halbach阵列辅磁极、7-每极主磁极弧角(电角度)、8-每极辅磁极弧角(电角度)、9-每极辅磁极充磁角度。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明提供了一种低惯量高耐温机器人关节用力矩电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、气隙3、永磁磁极4，定子铁心与环式永磁体之间存在气隙3，环式永磁体采用稀土永磁材料ndfeb，为整体环式halbach阵列，采用每极分为两块磁体的充磁结构。

本发明中，永磁磁极4采用整体磁环，避免采用转子外加保护套等措施，提高装配可靠性，降低转子重量及转动惯量，提高电机转矩密度；

本发明中，整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，形成单边磁场，取消转子磁轭，降低了电机的体积、重量及转动惯量，提高电机转矩密度，同时还改善了动态性能；

本发明中，整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，可提高气隙3处磁场强度约20％，在保持相同磁场强度的情况下，磁极可以更薄，进一步降低电机转子重量及转动惯量，提高电机转矩密度。

本发明中，整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，提高了磁极的磁性能。由于永磁材料的磁性能越高，耐温等级越低，采用halbach阵列充磁，提高了磁性能的同时，又保证了磁材的耐温等级不变，相当于提高了磁极的耐温等级。

本发明中，halbach阵列充磁时，每极永磁体块数为2，主磁极充磁角度固定，辅磁极充磁角9及每极主辅磁极的配比比例(即，每极主磁极弧角7：每极辅磁极弧角8)由有限元软件仿真确定。

实施例一：

本实施例所述的低惯量高耐温机器人关节用力矩电机，其包括定子铁心、电枢绕组、气隙及永磁磁极。本实施例中定子外径85mm，定子槽数为18，转子极对数为10，整体磁环halbach充磁时，每极分为两块磁体，其中主辅磁极配比比例(即，每极主磁极弧角7：每极磁极弧角8)为1:1，主磁极充磁角度固定，辅磁极充磁角为75°。此时，此实施例电机的性能最佳。

实施例二：

本实施例所述的低惯量高耐温机器人关节用力矩电机，其包括定子铁心、电枢绕组、气隙及永磁磁极。本实施例中定子外径70mm，定子槽数为18，转子极对数为10，整体磁环halbach充磁时，每极分为两块磁体，其中主辅磁极配比比例(即，每极主磁极弧角7：每极磁极弧角8)为9:1，主磁极充磁角度固定，辅磁极充磁角为85°。此时，此实施例电机的性能最佳。

实施例三：

本实施例所述的低惯量高耐温机器人关节用力矩电机，其包括定子铁心、电枢绕组、气隙及永磁磁极。本实施例中定子外径52mm，定子槽数为18，转子极对数为10，整体磁环halbach充磁时，每极分为两块磁体，其中主辅磁极配比比例(即，每极主磁极弧角7：每极磁极弧角8)为2:1，主磁极充磁角度固定，辅磁极充磁角为80°。此时，此实施例电机的性能最佳。

本发明应用于仿人机器人的关节时，能够取得如下的技术效果。

1.永磁磁极采用整体磁环，对于表贴式转子磁极，无需外加保护套等结构，由此能够提高装配可靠性，降低转子重量及转动惯量，从而提高力矩电机的转矩密度；

2.整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，形成单边磁场，取消转子磁轭，由此能够降低电机转子重量及转动惯量，提高力矩电机的转矩密度。

3.整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，每极两块磁钢主辅磁极配比比例不同，且辅磁极充磁角度不同，以此提高磁极的磁性能。在磁场强度相同的情况下，磁极可以更薄，进一步降低重量及转动惯量，提高力矩电机的转矩密度；

4.整体磁环采用每极分为两块磁钢的halbach阵列充磁，每极两块磁钢主辅磁极配比比例不同，且辅磁极充磁角度不同，以此提高磁极的磁性能。由于永磁材料的磁性能越高，耐温等级越低，采用halbach阵列充磁，提高了磁性能的同时，又保证了磁材的耐温等级不变，相当于提高了磁极的耐温等级。