CN103532298B - 四转子驱动式啮合电动机 - Google Patents

Abstract

一种四转子驱动式啮合电动机，径向上对称布置有四个转子轴，每个转子轴由一个偏心轴及后段上对称安装的两个瓦型永磁体构成；定子为一外侧圆环、中部十字形结构，四个角上各设有一个圆形缺口，缺口处设有两个对称的极靴，四个转子轴安装有永磁体的一段分别穿过圆形缺口内，形成单相两极式磁极；四个转子轴的两段偏心部分安装上轴承并分别装入两个内齿圈的轴承座孔内，转子轴的两端分别装入前盖和后盖的上安装的轴承孔内；定子径向上对称安装有两个绕组，适当控制两个绕组的通电时间和电流方向可以同时驱动四个转子轴转动，同时带动内齿圈在径向平面内作公转运动，并与一定轴外齿轮啮合，由外齿轮带动主轴输出转动。本发明结构紧凑，传动比大。

Description

四转子驱动式啮合电动机

技术领域

本发明属于电力驱动设备技术领域，具体涉及一种四转子驱动式啮合电动机。

背景技术

当前的工业机器人关节中普遍采用由伺服电机与谐波减速器或RV减速器构成的驱动装置，其传动链长、成本较高。近年来，将减速机构与电机进行一体化的研究取得了很好的进展：采用基于齿轮啮合的减速传动原理的压电摆线电机，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机旋转而输出扭矩。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，因此压电摆线电机与依靠定转子之间的摩擦力输出低转速、大扭矩的超声波与谐波电机相比较，前者效率高，使用寿命更长；由于齿轮啮合传动的优势，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先后研制成功：通过橡胶变形驱动的摆线电机、通过气缸驱动的锥齿轮电机、依靠液压缸驱动的端面齿轮电机、电磁摆线电机和电磁锥齿轮电机等。

综上，上述各种电机大都并未形成一体化机构，结构仍不紧凑：采用气缸和液压缸驱动的电机，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，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

本发明的目的是提供一种四转子驱动式啮合电动机，将齿轮内啮合传动机构作为减速输出部件的低转速、大转矩的啮合式电机，是一种结构简单、紧凑和实用的齿轮啮合传动电机，适用于机器人关节等对安装空间有限制的场合。

本发明的四转子驱动式啮合电动机设有：电机的定子、绕组、内齿圈和机壳，由永磁体与偏心轴构成的偏心转子轴，以及机壳、圆柱销钉与两端的端盖；其中外齿轮与主轴通过型面配合及弹性挡圈形成固联，藉由偏心转子轴带动内齿圈公转运动并与外齿轮啮合，使得外齿轮及主轴输出自转运动，其特征在于：

所述电机设有径向上1个定子、2个绕组和4个偏心转子轴，偏心转子轴前端回转轴部分固装在前盖上的轴承内孔中，偏心轴段部分穿过固装在内齿圈上的轴承内孔中，后端回转轴段部分上对称镶嵌2个瓦型永磁体，轴末端装入后盖上的轴承内孔中，内齿圈在4个偏心转子轴的约束下只能作公转运动，而不能自转；当2个定子线圈绕组按照设定顺序和电流方向加电后，就驱动4个偏心转子轴转动，并带动内齿圈做径向的公转运动，与此同时，内齿圈与外齿轮啮合后输出低速、大转矩的转动。

所述电机设有1个定子，定子中心有一孔，在圆环形状四周对称开有4个圆形缺口，缺口两侧制成极靴形状，形成单相两极式磁极，中间穿过偏心转子轴镶嵌瓦型永磁体的一段，并留有气隙。

所述电机定子四周边缘上开有半圆形孔，4个定位销穿过定子边缘的半圆形豁口对定子径向定位，轴向上则依靠机壳内壁上的凸起、定位环和后盖形成定位。

所述主轴前端装入在前盖上的轴承孔内，轴中部一段截面形状为半圆形，且开有挡圈槽，后段穿过定子中心孔，末端装入后盖上的轴承孔内。

所述机壳为外侧四方形内侧圆形通孔构件，前端截面尺寸较大，后段截面尺寸稍小。

所述端盖为与机壳相对应的正方形板状构件，内侧有圆形凸台与机壳内壁配合，中间设有主轴轴承座孔，四周均匀分布4个轴承座孔和4个安装定位销的盲孔。

所述定位销有4个，穿过4个定子上的半圆形孔和内齿圈上的大圆孔，这些定位销的两端分别固装在机壳两端的端盖上的盲孔内，4个定位销固定了定子在径向平面内的位置。

所述外齿轮中心有半圆形孔，套在主轴中部半圆形轴段上。

所述内齿圈径向圆周方向均布4个圆孔，分别固装入4个滚动轴承。

所述内齿圈径向圆周四周均布4个圆孔，以大间隙配合穿过4个定位销。

本发明是一种低转速、大转矩的四转子驱动式啮合电动机，真正将电机与减速机融合一体，而且还具有下述创新优点：

电机结构简单，采用了永磁体，提高了磁极利用率，公转构件只有2个，减小了公转惯量，降低了加工与装配难度。

附图说明

图1、图2是本发明四转子驱动式啮合电动机的内部组成结构图。

图3、4、5、6（A）、（B）分别是本发明啮合电机的磁极工作原理及减速机啮合传动原理图。

图7是本发明四转子驱动式啮合电动机的轴向剖视图。

图8（A）、（B）分别是本发明啮合电机中的内齿圈的主视图和轴测图。

图9（A）、（B）分别是本发明啮合电机中的外齿轮的主视图和轴测图。

图10（A）、（B）分别是本发明啮合电机中的定子主视图和轴测图。

图11（A）、（B）分别是本发明啮合电机中的转子永磁体主视图和轴测图。

图12（A）、（B）分别是本发明啮合电机中的主轴主视图和轴测图。

图13（A）、（B）分别是本发明啮合电机的偏心轴主视图和轴测图。

图14（A）、（B）分别是本发明啮合电机的定位环主视图和轴测图。

图15（A）、（B）分别是本发明啮合电机的定位销主视图和轴测图。

图16（A）、（B）分别是本发明啮合电机的机壳的主视图和轴测图。

图17（A）、（B）分别是本发明啮合电机的前盖的主视图和轴测图。

图18（A）、（B）分别是本发明啮合电机的后盖的主视图和轴测图。

图19（A）、（B）分别是本发明啮合电机转子永磁体与偏心轴构成的偏心转子轴的主视图和轴测图。

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。

具体实施方式

参见图1～图18，介绍本发明四转子驱动式啮合电动机的结构组成：它是将电机和减速机集成为一体，并具有一定的自锁、制动且能够直接输出低转速、大扭矩的电动机。该电机设有：电机的定子9、绕组8、转子永磁体1，齿轮减速机的内齿圈7、外齿轮5和主轴3，偏心轴12，支撑部分为机壳10、前盖6和后盖11。其中外齿轮5上中心半圆孔套在主轴3中段，藉由内齿圈7相对与外齿轮5的公转啮合运动，使得外齿轮5带动主轴3输出低速、大转矩的自转运动；穿过内齿圈7与定子8上半圆孔的四个定位销14两端都固装在电机端盖6、11上的孔内（参见图17、18）；主轴3固装于电机前端盖6中心的轴承4中，轴承4则安装在端盖6上的轴承座中。定子绕组8分为A和B两套，按照设定顺序加电后，驱动转子永磁体1与偏心轴12（参见图13）构成的四个偏心转子轴同时转动，并带动内齿圈7做公转运动与外齿轮5啮合，由外齿轮5带动输出轴3输出低速、大转矩的自转转动。

参见图1和图2，介绍本发明电机中的电磁绕组的结构组成和工作原理：

本发明电机设有一个定子9（参见图10）和四个偏心转子轴（参见图19），线圈8绕制在定子9中心孔两侧。控制线圈绕组A、B的加电顺序和电流方向（参见图3、4、5、6），驱动四个偏心转子轴同步逆时针转动；调整绕组加电顺序和电流方向，就能够使内齿圈7顺时针公转运动。

本发明电机的偏心轴12的12B固装在内齿圈7上的轴承内孔7A中，当四个偏心转子轴转动时，将带动内齿圈7公转，同时固定的外齿轮5产生啮合运动，根据齿轮啮合原理，外齿轮5将输出低速的自转运动，而外齿轮5的半圆孔5A套在输出轴3的3A上，外齿轮5的自转运动通过输出轴3输出。

参见各附图，下面具体介绍本发明电机各个零件的结构组成，其零件包括：电机的转子永磁体1、定子9，绕组8、摆线外齿轮5和内齿圈7、偏心轴12、轴用挡圈2、滚动轴承4，主轴3、定位销14，定位环13、机壳10、前盖6和后盖11。

电机的定子9为外侧圆环形，中部十字状通孔构件，其径向四周均布设有4个圆形缺口9A和4个半圆形孔9B，定位销13穿过定子9上的孔9B，同时两端固定在前端盖6和后端盖11上的盲孔6B、11B中；转子永磁体1为瓦型构件（参见图11），偏心轴12的12C内镶嵌入永磁体1，12B安装上滚动轴承，并用挡圈轴向固定；12A装入前盖6上孔6A上安装的轴承孔中。

本发明电机的齿轮减速机构中的内齿圈7为圆环形，圆周方向均布4个轴承座孔7A和4个定位销过孔7B（参见图8），将偏心轴12B上安装的轴承外圈装入7A后，偏心轴12可以相对于内齿圈9转动；外齿轮5是中心通孔构件（参见图9），在齿轮轮体上设有孔5A；主轴3上的3A部分装入5A中，前端部分装入6C上安装的轴承内孔中，后端3B部分装入后盖11的11C上安装的轴承内孔中；内齿圈7与外齿轮5半径差等于内齿圈的公转半径，当内齿圈7公转运动并与外齿轮啮合时，外齿轮5的自转运动将传递给主轴3。

本发明电机的摆线内齿圈7和外齿轮5组成一齿差减速机构，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7和外齿轮5的齿数。偏心转子轴15带动内齿圈7公转一周，其内齿圈7与外齿轮5啮合后仅自转动一个齿，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：50，外齿轮齿数：49，传动比：50：1，电机宽度94mm，电机高度94mm，电机总长81mm，理论输出力矩可达：20Nm。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 (8)

1.一种四转子驱动式啮合电动机，是将电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：

所述电机在径向上对称设有4个偏心转子轴，每个转子轴由一偏心轴及偏心轴上镶嵌的两个瓦型永磁体构成；定子为一圆“田”字形状，四个角上各设有一个圆形缺口，缺口处对称设有两个极靴，四个偏心转子轴安装有永磁体的一段分别穿过圆形缺口内，形成单相两极式磁极；四个偏心转子轴的前端的两段偏心部分分别装入两个内齿圈上固装的轴承座孔内，偏心转子轴的两端部分别装入前盖和后盖上安装的轴承孔内，两个内齿圈在四个偏心转子轴的约束下，只能在径向上作平面运动，而不能作自转运动；主轴的一端装入前盖上固定的轴承的内孔中，后端装入后盖上固定的轴承的内孔中，主轴中部一段为截面为半圆形状，将一中心为半圆形孔的外齿轮装入主轴该段，采用挡圈将外齿轮轴向固定；定子径向上对称设有四个半圆凹口结构，穿过定位销，每个定位销同时穿过内齿圈端面上较大的圆孔，其两端安装在电机前后端盖上的盲孔中，四个定位销将定子进行径向固定；定子径向上对称安装有两个绕组，控制两个绕组的通电时间和电流方向同时驱动四个偏心转子轴转动，同时带动内齿圈在径向平面内作公转运动，并与外齿轮啮合，由外齿轮带动主轴输出转矩。

2.根据权利要求1所述的四转子驱动式啮合电动机，其特征在于：所述定子为外侧圆环、中部十字形结构，定子中心开有圆孔，环形四个方向各有四个圆形缺口和四个半圆形凹口。

3.根据权利要求1或2所述的四转子驱动式啮合电动机，其特征在于：所述定子采用软磁材料制成，其中间十字形结构上对称安装两个绕组，当绕组通电后，产生的电磁力驱动定子四个圆形缺口中穿过的偏心转子轴转动。

4.根据权利要求1所述的四转子驱动式啮合电动机，其特征在于：所述定子与后盖间装入一圆环形套筒，用于定子的轴向固定。

5.根据权利要求1所述的四转子驱动式啮合电动机，其特征在于：所述偏心转子轴分为三段，前端两段为偏心段，后段轴上面对称开有两个槽，槽内各镶嵌一个瓦型永磁体。

6.根据权利要求1所述的四转子驱动式啮合电动机，其特征在于：所述内齿圈端面上圆周方向部分均布有4个圆孔，孔内装入滚动轴承，轴承孔内穿入偏心轴。

7.根据权利要求1所述的四转子驱动式啮合电动机，其特征在于：所述前、后盖内侧各有4个盲孔与4个轴承座孔。

8.根据权利要求1所述的四转子驱动式啮合电动机，其特征在于：所述内齿圈端面上靠近边缘部分均布有4个圆孔，孔内穿过销钉，销钉与孔之间留有间隙。