空心杯电机基础知识

部门：杭州绿天新能源科技讲师：李淑亚日期：2015.10.10QQ:645529932电话：[phone]E-mail:[e-mail]空心杯电机基础知识培训空心杯电机产品§1-1空心杯电机定义空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。空心杯直流电机属于直流永磁电机，与普通有刷、无刷直流电机的主要区别是采用无铁芯转子，也叫空心杯型转子。该转子是直接采用导线绕制成的，没有任何其他的结构支撑这些绕线，绕线本身做成杯状，就构成了转子的结构。原理及结构空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。§1-2空心杯电机原理及结构这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。绕组采用三角形接法§1-3空心杯电机电枢绕组结构空心杯电枢结构1）、叠绕组lapwinding2）、斜绕组skewwinding空心杯电机拆解图§1-4空心杯电机拆解图§1-5空心杯电机生产工艺图直绕式空心杯电枢嵌绕方法，（1）缠绕线始端固定在园柱成型面实体上，并且环绕着两个绕线片和两绕线片包容空间内的园柱成型面旋转；缠绕线回转轴线与园柱成型面回转轴线共面且互成一定夹角，前者回转完1圈的一瞬间，后者回转1／N圈（N是空心杯电枢每层绕组圈数）；（2）两个绕线片互成180°，分别安装在园柱成型面两侧，且在成型面轴线方向保持一定距离；（3）两条塑料薄带始端固定在园柱成型面实体上，并且在另一端施加适当拽拉阻力；其特征在于：（4）在（1）中所述的缠绕线的旋转运动，是按照“等斜率缠绕运行轨迹”运行，运行M个周期之后；（5）按照“绕组延长线抽头运行轨迹”运行1个周期，将抽头挂在（2）中所述两个绕线片包容空间外的，（1）中所述园柱成型面延伸出来的园柱面某截面上，沿园周均匀设置并且和园柱成型面一同转动的磨菇头销钉上，并且如此循环Q次（M是空心杯电枢两抽头间的绕组圈数，Q是空心杯电枢的抽头数）；（6）在（2）中所述的两个绕线片上，还安装有推线片，当（1）中所述园柱成型面转动时，推线片相对绕线片，向缠在绕线片上的绕组圈的退出方向移动一定距离，实行“强制排线”，并在到达位置后立即返回；（7）在（3）中所述的两条塑料薄带，分别用各自的一组滚轮变换方向，在等斜率缠绕时使整条塑料薄带被安装缠绕线运行曲面一侧，或者被安装在另一侧，塑料薄带被（1）中所述的园柱成型面拽拉着，把不断从绕线片上退落到园柱成型面上的绕组圈，从“绕组圈外裹紧”，最后抽掉薄带。主要特点1、节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电动机一般在70%）。2、控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内（铁芯电动机一般在100毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。3、拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2%以内。另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2。§1-6空心杯电机主要特点应用由于空心杯电动机克服了有铁芯电动机不可逾越的技术障碍，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位。空心杯电动机的应用，从军事、高科技领域进入大工业和民用领域后，十多年来得到迅速的发展，尤其是在工业发达国家，已经涉及到大部分行业和许多产品。1、需要快速响应的随动系统。如导弹的飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动控制，快速自动调焦，高灵敏的记录和检测设备，工业机器人，仿生义肢等，空心杯电动机能很好地满足其技术要求。2、对驱动元件要求平稳持久拖动的产品。如各类便携式的仪器仪表，个人随身装备，野外作业的仪器设备，电动车等，同样一组电源，供电时间可以延长一倍以上。3、各种飞行器，包括航空、航天、航模等。利用空心杯电动机重量轻，体积小，能耗低的优点，可以最大限度地减轻飞行器的重量。4、各种各样的民用电器、工业产品。采用空心杯电动机作为执行元件，可以使产品档次提高，性能优越。5、利用其能量转换效率高的优势，也作为发电机使用；利用其线性运行特性，也作为测速发电机使用；配上减速器，也可以作为力矩电动机使用。6、因为空心杯电机体积小，很多体积要求比较小的商品都采用了空心杯最为动力元件。比如；玩具礼品（玩具车，航模等）、成人用品（跳蛋等）、美容按摩产品（洗脸刷，导入仪，脸部按摩器等）、生活日用品（电动牙刷，洗头刷，直发器等）。§1-7空心杯电机应用随着工业技术进步，各种机电设备严格的技术条件对伺服电动机提出越来越高的技术要求，同时，空心杯电动机的应用范围已经完全脱离了高端产品的局限性，正在迅速地扩大在一般民用等低端产品上的应用范围，以广泛提升产品品质。据有关资料统计，在工业发达国家已经有100多种民用产品上成熟应用了空心杯电动机。国内工业界对空心杯电动机的卓越性能尚没有充分认识，阻碍了许多领域机电产品的技术进步，严重影响了我们与国外同类产品的技术竞争力。国内开发的许多新产品，因电机性能不符合要求，其产品的整体水平始终与国外同类产品存在较大差距，限制了很多产品的开发与发展，比如医疗器械、义肢、机器人、摄像机、照相机和一些特殊领域，甚至在纺织机械、激光测量仪器等方面都存在这种现象。但是，空心杯电动机的生产，由于其工艺复杂，生产自动化程度远不如铁芯电动机，导致其生产成本高，劳动力成本高，而且对操作者的技能水平要求高。给大规模生产带来很多困难和限制。我国对空心杯电动机的开发研制工作已有二三十年的历史，但直到后来才得到了较快发展，不但在国内市场替代进口产品，而且已有企业开始参与国际市场的竞争。屋内小飞机空心杯马达双螺旋翼空心杯电机空心杯航模飞机空心杯航模飞机玩具车上应用空心杯马达日本电老鼠机器人空心杯四轴飞行器空心杯四轴飞行器手机上应用空心杯马达空心杯振动马达空心杯手机振动马达空心杯手机振动马达振动马达种类：扁平式/圆柱式圆柱又分为空心杯式/铁芯式使用条件区分：低温马达/高温马达（SMD）接电方式：引线式、弹簧端子、FPC、SMD安装方式区分：HOUSING、贴装式(SMD)§1-8空心杯振动马达介绍扁平式VS圆柱式1、扁平式专利所有权是TOKYOPARTS；空心杯专利是松下；铁芯马达无任何厂商申请专利（传统）2、振动的方式有所不同：简要介绍振动量、安装比较空心杯VS铁芯一、结构图比较：END-CAPBEARINGMOTORHOUSINGMAGNETROTORSHAFTFILMCOILCORECOMMUTATORBEARINGBRUSHTERMINAL空心杯马达分解简图铁心马达分解简图二、转子卷线比较图片：COREDCORED三、综合比较说明：A、由于结构不同，空心马达的平衡性较差，在ALT测试时，易造成轴弯不良；B、由于卷线方式不同，铁芯马达使用电压范围比较宽，1.3V~3.0V；空心马达实施宽电压范围使用条件比较困难，尤其是高电压情况下，铜线线径要求非常细，卷线困难；C、空心马达实施耐高温比较困难，对磁铁性能要求较高（过高温磁衰竭），另外，由于结构、卷线不同，同样制约空心马达耐高温要求;铁芯马达实施耐高温很容易多了。贴装示意图片ReflowmotorNonreflowmotor主要特点一、用吸嘴贴装器进行自动贴装马达重量1.2~1.5g，贴装工艺简易、易实现标准化生产可使客户减少作业员工，减少制造工序，而减低成本二、马达可直接焊接到PCB上或FLEX上1、以直接焊接方式进行焊接，可以改善触点接触的可靠性，a、弹簧触点的马达在组装时有变形问题的存在，b、引线式马达在手机生产操作时有断线、引线打折、虚焊等不良；2、HOUSING马达的橡胶支架在硬度、材质、HOUSE设计、HOUSE模具误差等诸多因素影响，是手机在生产组装完成过程中有各种不良（噪音、共振）产生。三、节省空间与HOUSING马达相比，此种马达可降低马达的高度、宽度及长度只需在PCB留有一定的贴装面积（此处空间是指最终产品上的空间）四、耐高温性；符合欧盟的对环境无铅化要求。回流焊条件热变换方式控制热气对流1预热阶段的平均加热速度2.5℃/s2保温时间2~3分钟3回流过程中的最大加温速度3℃/s4温度在200℃以上保持时间Max80s5温度在217℃以上保持时间Max50s6温度在230℃以上保持时间Max30s7回流焊中最高温度(峰值)245~250℃约10s左右8冷却阶段的温度递减速度Max-5℃/s炉温度曲线总长度Max300s回流焊曲线图5025020015010030050100150200250300123074~6时间：s不按比例，仅供参考过回流焊前后特性数据对照StandardcurrentStandardRotationStartingcurrentStartingVoltageResistanceSpec.≤125mA10500±2500r.p.m≤145mA≤1.10V10±2.5ΩBeforereflow110103621260.929.68After1sttime110101341260.9310.05After2ndtime111100411270.9610.12机种:A-40080A总数:n=35pcs回流焊条件:请参考无Pb焊锡面条件PCB安装寸法图示0.62-1.46.52-1.45.5贴装面接电端子0.6贴/组装注意事项•贴装时分铜下面预留足够的间隙一般HOUSING安装马达分铜预留间隙是0.4mm而REFLOWMOTOR由于固定稳定,所以只需要0.2mm空心杯直流电机普遍价格较高。国内常见的电机性能和价格、供货商联系方式如下：MAXONMotorA.G.高性能，高价格。其32mm直径的电机具有额定60W的功率，35mm直径的电机具有额定90W的功率。但是电机单价基本在2000RMB以上。最大功率的电机为75mm直径，250W由于功率密度很大，比较容易发热烧毁。只要注意散热，该品牌的电机性能非常可靠。Faulhaber电机高性能，高价格。38mm直径的电机最大功率可达到200W。同样需要严格注意散热。北京博创SAEGseries北京博创提供的SAEG系列空心杯直流有刷电机具有接近MAXON品牌的性能和较低的价格。同时也可以提供直流伺服驱动器。38mm直径的SAEG系列电机额定功率为90W。北京奕山北京奕山提供中小功率的空心杯直流有刷电机，直径16-36mm，功率0.3~40W.价格较低，性能也不错。§1-9空心杯电机企业介绍深圳拓邦股份有限公司(空心杯无刷外转子，16-40mm)拓邦深圳市唯川科技有限公司（空心杯电机，16-40mm）唯川广东超力微电机有限公司（空心杯，微型电机，16mm以下）超力深圳市唯创电机有限公司（空心杯电机,16-42mm)维创上海敏动机电有限公司（日本SHICOH在华子公司，空心杯无刷）敏动深圳市鑫宝达电机有限公司（空心杯电机，6-40mm）鑫宝达北京奕山科技有限公司（空心杯电机，16-40mm）亦山§1-