CN101291096A - 平动式啮合电机 - Google Patents

Abstract

一种平动式啮合电机，其转子与两个摆线内齿圈紧固，转子上开设的四个通孔内穿有呈大间隙的四个销钉，销钉两端与机壳固联，使得转子和与其固联的摆线内齿圈能相对销钉在径向一定范围内移动，形成平行四杆式运动约束机构。定子与输出轴同轴，定子的四个线圈绕组按设定顺序通电产生的电磁力，驱动转子绕输出轴作平动，同时带动固联的摆线内齿圈与输出轴上固装的摆线外齿轮产生啮合运动，输出摆线外齿轮的自转，再通过连接键将外齿轮的转动传递给输出轴而输出低转速、大扭矩。本发明特点是通过转子上的摆线内齿圈与定子上的摆线外齿轮在电磁驱动力作用下相互啮合，缩短定子与转子间的作用距离，增大作用力，使该低速电动机的减速机和电动机集成为一体。

Description

平动式啮合电机

技术领域

本发明涉及一种结构新颖的电机，确切地说，涉及一种由电磁力驱动磁体作平移运动的构件和齿轮内啮合减速机构两个部件组成的平动式啮合电机，属于机械系统中的驱动部件技术领域。

背景技术

近年来，国内在将新型减速机构与电机进行一体化方面的研究取得了一些新进展。比如把电机与谐波减速机二者合并在一起设计和制造，不但使得输出力矩增加，而且其结构尺寸得到明显著减小。在国外，尤其是在日本，基于齿轮啮合的减速传动原理，已经开发出来多种不同结构类型的电机。例如：压电摆线电机，它是通过一对摆线齿轮的啮合将压电驱动器的伸缩运动转换成转子的旋转运动，再依靠压电驱动器输出的驱动力推动摆线电机旋转输出扭矩。该压电摆线电机的减速比是其转子与定子齿数的差值与转子齿数之比，减速比很高。同时由于齿轮啮合传动的摩擦损失小、传动效率高，因此该压电摆线电机与依靠定转子之间的摩擦力来输出低转速、大扭矩的超声波及谐波电机相比较，具有更高的效率和使用寿命。

众所周知，由于齿轮啮合的传动优势，近年来先后研制了多种将齿轮啮合与不同类型的驱动器相结合的低速大扭矩电机。例如通过橡胶变形驱动的摆线电机、靠气缸驱动的锥齿轮电机、依靠液压缸驱动的端面齿轮电机、以及电磁摆线电机和电磁锥齿轮电机等等。上述电机都具有效率高、精度好、磨损小、体积小、结构紧凑的优点，在用作机器人的驱动装置方面得到了很好的应用。

但是，由于上述电机只是将驱动器与定子相互连接，并未构成一体化机构，因此其结构不够紧凑。另外，对于采用气缸和液压缸驱动的电机，除了驱动器以外，还额外需要一套动力源。而压电或超磁致伸缩材料驱动的电机则因为其驱动器作用的行程太短(仅为微米级)，为了满足定子运动行程的需要，还需要增加一套杠杆，以增大其作用行程。而且，在低速驱动和负载较大的场合中使用的电机都需要安装减速器及其相关部件或装置，这样自然就增加了驱动装置的重量和安装难度。因此如何对齿轮减速装置与电机驱动器实现一体化的结合，以解决现有技术存在的上述各种缺陷，已经成为业内科技人员关注的一个研究热点课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种低转速、大转矩的平动式啮合电机，该电机以电磁吸引力作为驱动力，将摆线齿轮啮合传动机构作为减速输出部件，具有启动快、结构简单、驱动力矩大、输出转速低、且具备一定自锁能力和轴向尺寸小等特点的低速电机。

为了达到上述目的，本发明提供了一种平动式啮合电机，其特征在于：该装置是将电机和减速机集成为一体的低速电动机，包括有：电机的定子、转子，齿轮减速机的摆线内齿圈和摆线外齿轮，以及机壳、销钉；

所述转子为薄壁圆筒状构件，采用紧固螺钉与位于该转子两端的两个摆线内齿圈固定连接，该摆线内齿圈还藉由其径向均布的4个通孔与4个销钉呈间隙松动配合，构成孔销式平行四杆约束机构，使得该摆线内齿圈和电机转子能够相对于销钉在径向作设定尺寸范围内的平动；

所述定子位于转子内侧、并藉由其四个通孔固装在所述4个销钉中间部位，该4个销钉两端螺固在机壳法兰盘上，该定子与输出轴、摆线外齿轮同轴；定子的四个凸柱上分别设有独立的电磁线圈绕组，形成4个感应磁极，按照设定顺序通电后，这些电磁线圈绕组产生的电磁力将驱动转子绕输出轴作平动，同时带动与转子固联的摆线内齿圈一起平动；

所述摆线内齿圈为薄壁环状通孔构件，通过齿轮啮合带动固装在输出轴上的摆线外齿轮运动，使得摆线外齿轮形成旋转运动，并通过连接键将该摆线外齿轮的转动传递给输出轴而输出大扭矩的低转速的旋转运动；

所述摆线外齿轮为薄壁环状通孔构件，其通孔内设有放置连接键的凹槽，用于将该摆线外齿轮的转动传递给该输出轴。

所述定子和转子是用软磁材料制成的。

所述摆线内齿圈和摆线外齿轮组成一齿差的摆线齿轮减速机，其减速传动比i为：i＝Z_i/(Z_o-Z_i)，式中，Z_i为内齿圈齿数，Z_o为外齿轮齿数。

所述摆线内齿圈的径向均布设有两组各4个通孔：一组与4个销钉配合，形成孔销约束机构；另一组通过4个紧固螺钉与转子固联为一体。

所述输出轴通过两端的轴承固装在电机机壳法兰盘上，该输出轴的两端分别设有限制摆线外齿轮轴向移动的凸台和放置连接键的键槽，藉由所述连接键将所述摆线外齿轮的转动传递给该输出轴。

所述转子在径向的平动，为转子轴线绕定子轴线的转动，没有绕自身轴线的转动，即只有公转，没有自转；故被称为平动式啮合电机。

所述摆线外齿轮和摆线内齿圈两者为共轭齿形，齿数为一齿差；该对共轭齿轮将摆线内齿圈的公转经过减速后输出，转子公转一周，摆线外齿轮仅转动一个齿，藉此输出低转速和大扭矩。

所述共轭摆线外齿轮和摆线内齿圈的分度圆半径差与电机的定子和转子的半径差相等，以保证电磁力平动驱动和摆线啮合减速两个传动系统的有效配合。

本发明是一种低转速、大转矩的平动式啮合电机，该电机突破传统电机的设计理念，属于集电机、减速机于一体的低速电动机。它是依靠电磁力驱动电机工作，并将电机的定子和转子分别与摆线外齿轮和摆线内齿圈固联，形成摆线减速器啮合运动方式，依靠摆线齿轮啮合传动实现减速，真正将电机与减速机结合为一体。其中的电机转子相对于定子只有平动没有转动，从而避免了传统电机转子相对定子旋转一周而造成作用距离长、响应速度慢、低速工况不稳定、输出扭矩小等弱点。该电机轴向尺寸小、结构简单、紧凑，安装容易、方便，能够实现无间隙传动，启动快，并具有一定自锁功能。零件少，传动工作可靠，与传统电机相比较，具有以下优点：力矩大，重量轻，启动快，成本较低。该电机可以用于工业机器人、机床和航空航天等对驱动单元有特殊要求：快速启动、快速正反转、对空间尺寸和重量要求严格、以及要求较高输出力和锁止功能的工业领域的工作场合。

附图说明

图1(A)、(B)分别是本发明平动式啮合电机的啮合传动工作原理图。

图2(A)、(B)、(C)、(D)分别是本发明平动式啮合电机的电机驱动时的定子与转子的相对位置及其工作原理图

图3和图4是本发明平动式啮合电机的两个不同方位装配结构剖视图。

图5(A)、(B)分别是本发明电机的零件：摆线内齿圈的主视图和轴测图。

图6(A)、(B)分别是本发明电机的零件：摆线外齿轮的主视图和轴测图。

图7(A)、(B)分别是本发明电机的零件：定子的主视图和轴测图。

图8(A)、(B)分别是本发明电机的零件：转子的主视图和轴测图。

图9(A)、(B)分别是本发明电机的零件：输出轴的主视图和轴测图。

图10(A)、(B)分别是本发明平动式啮合电机的零件：销钉示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种结构新颖的平动式啮合电机，是将电机和减速机集成为一体、简化机械传动系统，使电机直接输出低转速、大扭矩，并具有一定的自锁和制动能力的低速电动机。

先参见图1和图2，介绍该平动式啮合电机的工作原理：摆线外齿轮4与定子2同轴，它们的轴线在二维平面上投影为图中所示的O₁点；转子1与摆线内齿圈3同轴且紧固连接在一起，其轴线在二维平面上投影为O₂点；A、B为与定子相固联的两个参考位置点，a、b为与转子固联上的参考位置点。(如图1(A)所示)。该平动式啮合电机的定子2具有四个突起，转子1为圆环形磁极，定子2和转子1均为软磁材料构成，转子1上既无绕组也无永磁体。定子2的各个突起上分别绕制一个绕组2A，且每个绕组2A独立自成一相。当对第①、③两组线圈加电时，外圈的转子1分别呈上、下吸合状态(参见图2(A)和图2(C))，当对第②、④两组线圈加电时，外圈的转子1分别呈右、左吸合状态(参见图2(B)和图2(D))。因此，只要控制各组线圈的加电顺序和方向，就可以使外圈的转子1按照如图2(A)、(B)、(C)、(D)所示的顺序：即上→右→下→左依次吸合，如果再进一步细分电路，可以实现转子绕定子轴线作均匀公转运动。转子1上的通孔4A和销钉10形成的孔销约束机构能够约束转子的公转半径限制在一定范围内，如图1(A)、(B)所示，由参考位置点A、B和a、b组成的平行四边形就是代表了转子、定子之间的这种平行四杆运动约束关系。

参见各个附图，介绍本发明电机的组成结构，该装置零件包括有：电机的转子1、定子2，齿轮减速机的摆线内齿圈4和摆线外齿轮3，输出轴5、以及机壳6、法兰盘7、轴承8、联接键9、销钉10和垫圈11等。

其中电机的转子1为薄壁圆筒状构件(参见图8和图3、图4)，采用在其通孔1A中的紧固螺钉与位于该转子1两端的两个摆线内齿圈4固定连接，该摆线内齿圈4还藉由其径向均布的4个通孔4A与4个销钉较细直径部位10A呈间隙松动配合，构成孔销式平行四杆运动约束机构，使得该摆线内齿圈4和固联的转子1能够相对于销钉10在径向作设定尺寸范围内的平动。电机转子1在径向的平动，为转子1轴线绕定子2轴线的转动，没有绕自身轴线的转动，即只有公转，没有自转；故被称为平动式啮合电机。

电机的定子2(参见图7和图3、图4)位于转子1内侧、并藉由其四个通孔2B固装在4个销钉中间部位10C，该4个销钉10两端10B螺固在机壳7的法兰盘6上，该定子2与输出轴5、摆线外齿轮3同轴；定子2的四个凸柱上分别设有独立的电磁线圈绕组2A，以形成4个感应磁极，按照设定顺序通电后，这些电磁线圈绕组2A产生的电磁力将驱动转子1绕输出轴5作平动，同时带动与转子1固联的摆线内齿圈4一起平动。

摆线内齿圈4为薄壁环状通孔构件(参见图5)，其径向均布设有两组各4个通孔：一组通孔4A与4个销钉中直径稍细部位10A配合，形成孔销约束机构；另一组通孔4B通过4个紧固螺钉与转子1固联为一体。它通过齿轮啮合带动固装在输出轴5上的摆线外齿轮3运动，使得摆线外齿轮3形成自转运动，并通过连接键9将该摆线外齿轮3的转动传递给输出轴5而输出大扭矩的低转速的旋转运动.

摆线外齿轮3为薄壁环状通孔构件(参见图6)，其通孔内设有放置连接键9的凹槽，用于将该摆线外齿轮3的转动传递给该输出轴5。本发明的摆线内齿圈4和摆线外齿轮3组成共轭齿形、且齿数为一齿差的摆线齿轮减速机，其减速传动比i为：i＝Z_i/(Z_o-Z_i)，式中，Z_i为内齿圈4的齿数，Z_o为外齿轮3的齿数。该对共轭齿轮将摆线内齿圈4的公转经过减速后输出，转子1公转一周，摆线外齿轮3仅转动一个齿，藉此输出低转速和大扭矩。需要说明的是：共轭摆线内齿圈4和摆线外齿轮3的分度圆半径差(参见图1(B)：R-r)与电机的转子1和定子2的半径差相等，以保证电磁力平动驱动和摆线啮合减速两个传动系统的有效配合。

参见图9，输出轴5通过两端的轴承8固装在电机机壳7的法兰盘6上，该输出轴5的两端分别设有限制摆线外齿轮3轴向移动的凸台和放置连接键9的键槽5A，藉由该连接键9将摆线外齿轮3的转动传递给该输出轴5。

参见图10，销钉10是个圆柱转轴状零件，其中较细直径部分10A与摆线内齿圈上面的孔4A配合，形成孔销约束机构，使得摆线内齿圈4及其固联的转子1只可以相对于定子2平动，而限制其自转运动。销钉10两端部分10B用于与机壳的法兰盘6连接，中间部分10C则与定子2紧固连接。

总之，本发明电机的转子1与两端完全相同的两个摆线内齿圈4紧固，摆线内齿圈4上开有四个通孔4A，内穿有四个销钉10，销钉10两端与法兰盘7固联，销钉10两端有一段直径10A略小于摆线内齿圈4上与之配合的孔4A的直径，使得摆线内齿圈4与其紧固连接的转子1能够相对于该销钉10在径向作一定范围内的移动，形成平行四杆运动约束机构。定子2与输出轴5同轴，定子2上的四个独立绕组2A，按照设定顺序通电产生的电磁力，驱动转子1绕定子2作平动，同时带动固联的摆线内齿圈4与输出轴5上安装的摆线外齿轮3产生啮合运动，输出摆线外齿轮3的自转运动，最后通过连接键9将摆线外齿轮3的转动传递给输出轴5而输出低转速、大扭矩。本发明电机的结构特点是通过转子1上的摆线内齿圈4与定子2上的摆线外齿轮3在电磁驱动力作用下相互啮合，缩短定子2与转子1之间的作用距离，增大作用力，使减速机和电动机真正成为一个整体。

本发明已经研制成功试验样机，并进行了实施试验。该样机的参数及性能：平动内齿圈齿数：50，外齿轮齿数：51，传动比：51∶1，电机外径90mm，电机总长110mm，加载电压12V，测峰值电流0.5A。该电机采用四相八拍的脉冲信号驱动，在转速为3转/分时，输出力矩可达：60mNM(需要特别说明的是：由于受到加工设备的局限，样机存在加工误差，各个运动约束零件之间有配合间隙，致使摆线齿轮在啮合时有时发生打滑，使承载减小)。尽管存在一定缺陷，但是，试验基本是成功的，实现了发明目的。

Claims (8)

1、一种平动式啮合电机，其特征在于：该装置是将电机和减速机集成为一体的低速电动机，包括有：电机的定子、转子，齿轮减速机的摆线内齿圈和摆线外齿轮，以及机壳、销钉；

所述转子为薄壁圆筒状构件，采用紧固螺钉与位于该转子两端的两个摆线内齿圈固定连接，该摆线内齿圈还藉由其径向均布的4个通孔与4个销钉呈间隙松动配合，构成孔销式平行四杆运动约束机构，使得该摆线内齿圈和转子能够相对于销钉在径向作设定尺寸范围内的平动；

所述定子位于转子内侧、并藉由其四个通孔固装在所述4个销钉中间部位，该4个销钉两端螺固在机壳法兰盘上，该定子与输出轴、摆线外齿轮同轴；定子的四个凸柱上分别设有独立的电磁线圈绕组，形成4个感应磁极，按照设定顺序通电后，这些电磁线圈绕组产生的电磁力将驱动转子绕输出轴作平动，同时带动与转子固联的摆线内齿圈一起平动；

所述摆线内齿图为薄壁环状通孔构件，通过齿轮啮合带动固装在输出轴上的摆线外齿轮运动，使得摆线外齿轮形成自转运动，并通过连接键将该摆线外齿轮的转动传递给输出轴而输出大扭矩的低转速的旋转运动；

所述摆线外齿轮为薄壁环状通孔构件，其通孔内设有放置连接键的凹槽，用于将该摆线外齿轮的转动传递给该输出轴。

2、根据权利要求1所述的平动式啮合电机，其特征在于：所述定子和转子是用软磁材料制成的。

3、根据权利要求1所述的平动式啮合电机，其特征在于：所述摆线内齿圈和摆线外齿轮组成一齿差的摆线齿轮减速机，其减速传动比i为：i＝Z_i/(Z_o-Z_i)，式中，Z_i为内齿圈齿数，Z_o为外齿轮齿数。

4、根据权利要求1所述的平动式啮合电机，其特征在于：所述摆线内齿圈的径向均布设有两组各4个通孔：一组与4个销钉配合，形成孔销约束机构；另一组通过4个紧固螺钉与转子固联为一体。

5、根据权利要求1所述的平动式啮合电机，其特征在于：所述输出轴通过两端的轴承固装在电机机壳法兰盘上，该输出轴的两端分别设有限制摆线外齿轮轴向移动的凸台和放置连接键的键槽，藉由所述连接键将所述摆线外齿轮的转动传递给该输出轴。

6、根据权利要求1所述的平动式啮合电机，其特征在于：所述转子在径向的平动，为转子轴线绕定子轴线的转动，没有绕自身轴线的转动，即只有公转，没有自转；故被称为平动式啮合电机。

7、根据权利要求1所述的平动式啮合电机，其特征在于：所述摆线外齿轮和摆线内齿圈两者为共轭齿形，齿数为一齿差；该对共轭齿轮将摆线内齿圈的公转经过减速后输出，转子公转一周，摆线外齿轮仅转动一个齿，藉此输出低转速和大扭矩。

8、根据权利要求1所述的平动式啮合电机，其特征在于：所述共轭摆线外齿轮和摆线内齿圈的分度圆半径差与电机的定子和转子的半径差相等，以保证电磁力平动驱动和摆线啮合减速两个传动系统的有效配合。

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