CN103296832B

CN103296832B - 一种永磁平动式啮合电动机

Info

Publication number: CN103296832B
Application number: CN201210433821.5A
Authority: CN
Inventors: 丁瑞华; 李瑞华; 葛瑜; 张元敏
Original assignee: Xuchang University
Current assignee: Xuchang University
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN103296832A

Abstract

本发明公开了一种永磁平动式啮合电动机，采用永磁体作为平动转子，在两个转子磁极间穿过两个绕组，两个绕组以相互垂直的方向绕制在机壳上，同时采用4个偏心轴约束转子的自转运动，适当控制绕组的通电时间和电流方向可以驱动转子在径向平面内作公转运动，同时带动与其固联的内齿圈与定轴外齿轮啮合，由外齿轮输出自转运动。本发明电机的定子为垂直交错缠绕在电机壳上的线圈，没有定子铁芯，降低了涡流损耗；转子为永磁体，提高了电机的功率密度。

Description

一种永磁平动式啮合电动机

技术领域

本发明涉及一种永磁平动式啮合电动机，确切地说，涉及一种利用绕组与转子永磁体之间产生的磁场力，将电能转换为机械能，再辅以偏心轴平动约束副的机构，使得转子绕定子作圆周切线方向的平动，并由转子带动内啮合齿轮减速机构输出低速、大转矩的啮合电动机，属于电力驱动设备的技术领域。

背景技术

近年来，在将新型减速机构与电动机进行一体化的开发研究方面，国内外都取得了很好的进展。例如，把电动机与谐波减速机二者合并在一起，使得输出力矩增加而结构尺寸显著减小。日本科技人员采用基于齿轮啮合的减速传动原理，已经开发出多种不同结构类型的电动机。如：压电摆线电动机，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为转子的转动，再依靠压电驱动器输出的驱动力推动摆线电动机旋转而输出扭矩。压电摆线电动机的减速比是其转子与定子齿数的差值与转子的齿数之比，减速比很高。同时，因齿轮啮合传动的摩擦损失小、传动效率高，因此压电摆线电动机与依靠定转子之间的摩擦力来输出低转速、大扭矩的超声波与谐波电动机相比较，前者效率高，使用寿命更长。

近年来，由于齿轮啮合传动的优势，先后研制成功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动机。例如通过橡胶变形驱动的摆线电动机、通过气缸驱动的锥齿轮电动机、依靠液压缸驱动的端面齿轮电动机、电磁摆线电动机和电磁锥齿轮电动机等等。上述电动机都具有效率高、精度好、磨损小、体积小、结构紧凑的优点，并在机器人的驱动装置中得到了很好的应用。

但是，上述各种电动机大都是将驱动器直接与定子相互连接，并未形成一体化机构，因此结构仍不紧凑。采用气缸和液压缸驱动的电动机，除了需要电力驱动设备以外，还需要额外的压缩空气或液压作为动力源。压电或超磁致伸缩材料驱动的电动机，则因其驱动器的作用行程太短(仅为微米级)，很难具备实用价值。为满足定子运动行程的实际需求，还要增加一套杠杆，以增大其作用行程。然而，用于低速驱动和负载较大的场合的电动机都要安装减速器及其相关部件，这样就增加了驱动装置的构件和重量，结构太复杂、不实用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种永磁平动式啮合电动机，该电动机是以电磁力作为驱动力，将齿轮内啮合传动机构作为减速输出部件的低转速、大转矩的平动式啮合电动机，本发明较好地解决了现有电动机存在的各种缺陷，是一种结构简单、紧凑和实用的齿轮啮合传动电动机。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种永磁平动式啮合电动机，是将电动机和减速机集成为一体的大转矩、低转速的电动机，设有：绕组、转子，齿轮减速机的内齿圈和外齿轮，由永磁体与转子固定架及偏心轴构成的平动约束机构，以及机壳及其两端的端盖；其中外齿轮固装在主轴上，藉由与外齿轮啮合的内齿圈的公转运动，使得外齿轮带动主轴输出低速、大转矩的自转运动；

所述电动机在轴向设有两套定、转子，每个转子由两个转子固定架构成，两个转子固定架上各嵌装4个永磁体，两个分别嵌装在两个转子固定架上，且在径向上位置相互对应的永磁体相互平行并相距一定距离；

转子固定架固装有内齿圈和4个轴承，穿过轴承的4个偏心轴两端都固装在电动机两端盖的轴承上；主轴固装于电动机两端盖中心的轴承上，固装在主轴上的外齿轮随主轴一起转动；所述定子由两个绕制在机壳上，且绕制方向相互垂直的绕组构成，两个绕组绕制方向相互垂直，绕制在机壳上固定；

所述转子由2个转子固定架和8个长方形永磁体构成，永磁体藉由螺钉嵌装于转子固定架上，每个转子固定架上螺固有4个永磁体；转子固定架的4个轴承与其承载的4个偏心轴构成转动约束副，偏心轴的两端固装在电动机两端盖的轴承上；在该4个偏心轴约束下，永磁体及转子固定架在径向平面内相对于电动机主轴中心作公转运动而不能产生自转运动；

所述转子固定架是4个角有方形凸台的正方形构件，每个凸台上设有4个轴承座通孔；

所述机壳为四方形通孔构件，其4个侧面在轴向上有下凹部分；当绕组加电后，机壳两侧的两个永磁体同时受到径向电磁力作用而运动，同时带动转子固定架运动；当绕组按照设定顺序和电流方向加电后，驱动转子在偏心轴的约束下做径向的公转运动，与此同时，转子固定架带动内齿圈和与其啮合的外齿轮一起转动，外齿轮带动主轴旋转而输出低速、大转矩的转动；同时，由于偏心轴的约束，轴向两个转子的运动位置始终相隔180°，使得内、外转子固定架在作高速公转运动时产生的惯性力相互抵消，从而降低电动机的振动。

优选的，所述电动机轴向设置的转子中的一转子固定架设置在定子一侧，另一转子中的一转子固定架设置在定子另一侧，两个转子固定架包夹在定子两侧，该两个转子中靠近端部的转子固定架分别螺接一个结构相同的内齿圈，并分别通过4个偏心轴及其轴承形成转动副。

优选的，一套定、转子包括一定子和一转子。

所述电动机设有径向上垂直分布的2个绕组和轴向分布的2个转子，每个转子由转子固定架上嵌装4个永磁体构成平动转子机构主体；转子固定架上固装有内齿圈和4个轴承，穿过轴承的4个偏心轴两端都固装在电动机两端端盖上镶嵌的轴承内孔中；主轴固装于电动机两端的端盖中心的轴承内孔中，固装在主轴上的外齿轮随主轴一起转动；绕组加电后，其包夹在两侧的永磁体同时受到电磁力作用而运动，同时带动转子固定架运动；当2个绕组按照设定顺序和电流方向加电后，就驱动转子在偏心轴的约束下做径向的公转运动，同时，与转子固联的内齿圈将与外齿轮产生啮合，根据一齿差啮合原理，将使外齿轮产生自转运动，最终由外齿轮带动主轴旋转而输出低速、大转矩的转动；同时，由于偏心轴的约束，两个转子的运动位置始终相隔180°，使得两个转子在作高速公转运动时产生的惯性力相互抵消，从而降低电动机的振动。

所述绕组固定在机壳上，该绕组通电产生的电磁力驱动位于绕组前后两侧的转子相向运动；且每个线圈绕组由于没有铁芯，不会产生涡流损耗。

所述转子固定架为正方形构件，分设在每个绕组前后两侧的永磁体藉由螺钉嵌装于转子固定架上，转子固定架4角设有凸台和轴承座孔，孔内安装的4个轴承与其承载的4个偏心轴构成转动约束副，偏心轴的两端固装在机壳两端的端盖上镶嵌的轴承孔内；在该4个偏心轴约束下，该平动机构在径向平面内相对于电动机主轴中心作公转方向的平动而不能产生自转运动。

所述电动机轴向设置4个转子固定架，每2个固定架通过4偏心轴及轴用挡圈定位组成一个转子，2个转子固定架间穿过绕组；靠近电动机两端的2个转子固定架分别螺接一个结构相同的内齿圈。

所述主轴两端固装在电动机两端的端盖上的轴承孔内，该主轴中间的截面紧固装有与内齿圈啮合的外齿轮，使得外齿轮能将自身的旋转运动传递给主轴输出。

所述机壳为四方形通孔构件，其4壁两端设有凹槽，绕组固装在机壳上的凹槽内。

所述端盖为与机壳相对应的正方形板状构件，中间设有固装主轴的轴承座通孔，四周均匀分布的4个轴承座通孔，用于固装支撑偏心轴的轴承。

所述偏心轴有4个，分别穿过4个转子固定架上的轴承，这些偏心轴的两端分别固装在机壳两端的端盖上，与其上镶嵌的轴承配合构成转动副，4个偏心轴约束转子固定架在径向平面内做平动而限制其自身的旋转运动。

本发明是一种低转速、大转矩的永磁平动式啮合电动机，该电动机不但继承原来齿轮啮合传动电动机的特点：将电动机的绕组、转子分别与机壳和内齿圈固联，形成减速器齿轮啮合的传动方式实现减速，从而真正将电动机与减速机融合一体。而且，转子只有圆周切线方向的平动，从而避免了传统结构中的电动机转子相对定子旋转一周而造成作用距离长、响应速度慢、低速输出扭矩小的弱点。此外，本发明还具有下述创新优点：

采用无铁芯定子结构，避免了涡流损耗；采用了永磁体转子，提高了电动机的功率密度，从而提高了电动机效率。

附图说明

图1是本发明永磁平动式啮合电动机的内部组成结构图；

图2(A)、(B)分别是本发明啮合电动机的转子与内齿圈、外齿轮的连接方式示意图及减速机啮合传动原理图；

图3是本发明永磁平动式啮合电动机的轴向剖视图；

图4(A)、(B)分别是本发明啮合电动机中的内齿圈的主视图和轴测图；

图5(A)、(B)分别是本发明啮合电动机中的外齿轮的主视图和轴测图；

图6(A)、(B)分别是本发明啮合电动机中的绕组及安装方式的主视图和轴测图；

图7(A)、(B)分别是本发明啮合电动机中的永磁体的主视图和轴测图；

图8(A)、(B)分别是本发明啮合电动机中的主轴的主视图和轴测图；

图9(A)、(B)分别是本发明啮合电动机的转子固定架的主视图和轴测图；

图10(A)、(B)分别是本发明啮合电动机的轴承座的主视图和轴测图；

图11(A)、(B)分别是本发明啮合电动机的偏心轴的主视图和轴测图；

图12(A)、(B)分别是本发明啮合电动机的机壳的主视图和轴测图；

图13(A)、(B)分别是本发明啮合电动机的端盖的主视图和轴测图。

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，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1～图13，介绍本发明永磁平动式啮合电动机的结构组成：它是将电动机和减速机集成为一体而简化机械传动机构，并具有一定的自锁和制动功能和直接输出低转速、大扭矩的电动机。该电动机设有：绕组2、永磁体1，齿轮减速机的内齿圈5和外齿轮4，转子固定架7，支撑部分为机壳8和端盖9。其中，每八个永磁体1与两个转子固定架7一起构成一个转子，电动机共拥有两个完全相同的转子。外齿轮4固装在主轴3上，藉由与外齿轮4啮合的内齿圈5的公转运动，使得外齿轮4带动主轴3输出低速、大转矩的自转运动；该电动机轴向分布有四个转子固定架7，每两个转子固定架7相对固联在一起构成转子，每个转子固定架7径向均布有四个永磁体1；两个线圈绕组以相互垂直的方向绕制在机壳8上；转子固定架7上固装有内齿圈5和四个轴承10，穿过轴承的四个偏心轴6两端都固装在电动机两端的端盖9上的轴承10内；主轴3固装于电动机两端盖9中心的轴承10中，轴承10则安装在端盖9上的轴承座11中，固装在主轴3上的外齿轮4随主轴3一起转动。绕组2按照设定顺序和电流方向加电后，其电动机轴向前端转子固定架7上的八个永磁体1和后端转子固定架7上的八个永磁体1同时受到电磁力作用而分别在径向上向相对方向运动，同时带动转子固定架7在偏心轴6的约束下做径向公转运动；与此同时，转子固定架7的运动带动内齿圈5和与其啮合的外齿轮4一起转动，外齿轮4又带动主轴3旋转而输出低速、大转矩的转动；同时，在运动过程中，前后两侧的平动转子的运动位置始终相隔180°，使得前后两套转子在作高速公转运动时产生的惯性力相互抵消，从而降低电动机的振动。

参见图1和图2，介绍本发明电动机中的电磁绕组的结构组成和工作原理：

本发明电动机设有两个绕组2(参见图6)和四个转子固定架7(参见图9)，转子固定架7上设有永磁体1，定子线圈2绕制在机壳8的凹陷处。机壳8上设置两个绕组2，绕制方向相互错开90度(参见图2)，控制线圈绕组的加电顺序和电流方向，驱动永磁体1在径向上→左→下→右的次序循环移动；再细分电路，就能够实现永磁体1及转子固定架7绕电动机轴线作匀速的公转运动。

本发明电动机的永磁体1藉由螺钉孔1A嵌装在转子固定架7上，当永磁体1在做公转运动时，将带动转子固定架7和内齿圈5一起平移运动，外齿轮4则与内齿圈5产生啮合运动，根据齿轮啮合原理，外齿轮3将输出低速的自转运动。

参见各附图，下面具体介绍本发明电动机各个零件的结构组成，其零件包括：永磁体1、绕组2，齿轮减速机的渐开线外齿轮4和内齿圈5，主轴3，滚动轴承10，偏心轴6、转子固定架7，机壳8、端盖9和轴承座11等。

电动机的永磁体1为长方体构件(参见图7)，转子固定架7是其四个角分别设有方形凸台的四方体构件，在绕组2前侧设有两个转子固定架，后侧也设有两个转子固定架。转子固定架7的四个角上的凸台设有4个轴承座通孔7B。在其四边靠近中心方向设有螺孔7A，并藉由螺钉和永磁体1螺固连接为一体。

该转子固定架7上设有轴承座孔7B，这些轴承座孔内穿过4个偏心轴6中间的6B部分，4个偏心轴6的两端6A则固装在端盖9上的轴承孔9A内的轴承上，四个偏心轴6又形成平动约束，在该四个偏心轴约束下，该转子固定架7在径向平面内相对于电动机主轴轴线作公转平动，并限制其不能作自转运动，并且，电动机轴向前后转子固定架7运动位置完全对称，从而抵消了惯性力。

电动机轴向靠近端部设置的两个转子固定架7分别螺接一个结构相同的内齿圈5。

本发明电动机的齿轮减速机构中的内齿圈5和外齿轮4均为传统结构：渐开线内齿圈5为薄壁圆环状通孔构件(参见图4)，其径向均布设有4个通孔5A，并在外边沿设有直角豁口5B，该直角豁口与转子固定架7上的凸台7D形成配合定位，同时，紧固螺钉穿过通孔5A与转子固定架7上的孔7C螺固连接在一起；同时外齿轮4也是薄壁圆状通孔构件(参见图5)，其中间通孔为双半圆形结构4A，用于固装主轴3的中间段3A，以便将转动扭矩传递给主轴3输出。本发明电动机的渐开线内齿圈5和外齿轮4组成一齿差的渐开线齿轮减速机构，其减速传动比i为：i＝-Z_i/(Z_i-Z_o)，式中，Z_i和Z_o分别为渐开线内齿圈5和外齿轮4的齿数。该对啮合齿轮将渐开线内齿圈5的公转经过减速后输出，转子固定架7带动内齿圈5公转一周，其外齿轮4仅转动一个齿，藉此能够从主轴3输出低转速和大扭矩。

本发明已经进行了仿真试验，该试验样机的各项设计参数及实现的性能为：内齿圈齿数：25，外齿轮齿数：24，传动比：25：1，电动机宽度75mm，电动机高度75mm，电动机总长72mm，理论输出力矩可达：3Nm。尽管试验样机仍然存在一些需要改进之处，但是，总体的试验结果是成功的，实现了发明目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种永磁平动式啮合电动机，是将电动机和减速机集成为一体的大转矩、低转速的电动机，其特征在于：

所述电动机在轴向设有两套定、转子，每个转子由两个转子固定架构成，两个转子固定架上各嵌装4个永磁体，在径向上位置相互对应的永磁体相互平行并相距一定距离；

所述转子由2个转子固定架和8个长方形永磁体构成，永磁体藉由螺钉嵌装于转子固定架上，每个转子固定架上螺固有4个永磁体；转子固定架的4个轴承与其承载的4个偏心轴构成转动约束副，偏心轴的两端固装在电动机两端盖的轴承上；在该4个偏心轴约束下，永磁体及转子固定架在径向平面内相对于电动机主轴中心作公转运动而不能产生自转运动;

所述转子固定架是4个角有方形凸台的正方形构件，每个凸台上设有4个轴承座通孔;

2.根据权利要求1所述的永磁平动式啮合电动机，其特征在于：所述电动机轴向设置的转子中的一转子固定架设置在定子一侧，另一转子中的一转子固定架设置在定子另一侧，两个转子固定架包夹在定子两侧，该两个转子中靠近端部的转子固定架分别螺接一个结构相同的内齿圈，并分别通过4个偏心轴及其轴承形成转动副。

3.根据权利要求1所述的永磁平动式啮合电动机，其特征在于：一套定、转子包括一定子和一转子。