CN104935132B - 一种双啮合永磁式电动机 - Google Patents

Abstract

一种双啮合永磁式电动机，采用一套三相六极式结构，每相绕组安装在两个定子磁极上，同一相的两个定子磁极在径向上180°布置；六个磁极在径向上对称布置，六个定子磁极中间为圆环形内转子，外围为圆环形外转子，内、外转子为永磁材料制成且轴向充磁，分别固定在后、前内齿圈上；三个偏心轴的两段偏心部分安装上轴套并分别装入前、后内齿圈的轴承座孔内，偏心轴的两端分别装入前转盘和后支撑盘的上安装的轴承孔内；适当控制绕组的通电时间和电流方向可以驱动内、外转子在径向平面内作公转运动，且运行角度相差180°，同时带动前、后内齿圈与固定在机壳上的一定轴外齿轮轴啮合，由于外齿轮固定，则内齿圈将发生自转运动，其自转运动通过偏心轴带动前转盘输出自转运动。本发明电动机的结构简单，零件数量少，装配容易，磁极利用率高。

Description

一种双啮合永磁式电动机

技术领域

本发明涉及一种利用定、转子之间产生的磁场力，将电能转换为机械能，并通过内啮合齿轮减速机构输出转矩的啮合电机，属于电力驱动设备的技术领域。

背景技术

工业应用中的轻型机器人关节中普遍采用由伺服电机与谐波减速器构成的驱动装置，体积较大，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：把电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；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。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，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。

本发明的双啮合永磁式电动机设有：电机的定子、绕组、内转子、外转子、前内齿圈、后内齿圈、外齿轮轴、前转盘、后支撑盘、后盖、偏心轴和外壳，其特征在于：

所述电机设有一套三相六极式定子磁极，定子磁极的一端为圆环形结构，圆环形一侧的端面上设有六个凸台，凸台顶部各设有一个梯形凸起结构，凸台中部用以安装绕组；每相磁极对称设有两个定子和绕组，同一相的两个定子在径向上相隔180°分布，三相磁极共六个定子和绕组在径向上均匀分布。

所述电机设有一个圆筒形内转子，筒内壁圆周方向对称设有三个半圆形凸起，凸起截面形状尺寸与内齿圈上的半圆形槽相同，长度略短于圆筒轴向长度，每个半圆形凸起中心设有螺纹孔，用以旋入螺钉和内齿圈固定。

所述电机设有一个圆筒形外转子，筒壁对称设有六个通孔，用以穿过螺钉将外转子与前内齿圈固联。

所述电机设有一个前内齿圈为圆盘形，中间设有内齿廓的孔，圆盘沿圆周方向设有半圆槽，槽两侧的凸起的边缘上沿圆周方向对称分布有六个螺纹孔，用以固定外转子。

所述电机设有一个后内齿圈，后内齿圈为中心设有内齿廓孔的圆柱体结构，圆柱体外侧的圆周方向对称设有三个半圆形槽，槽的底部设有孔，孔内用来穿过螺钉与内转子固联，圆柱体端面上未开槽部分对称设有三个孔，用以装入滑动轴套。

所述电机设有一个外齿轮轴，轴向上中间两段处分别设有一个外齿轮，轴末端为近椭圆形，用以装入后盖中心处的椭圆形孔内固定。

所述电机设有一个前转盘，为圆盘形中间有孔结构，安装在电机外壳前端安装的轴承孔内，该圆盘面靠近边缘均布有六个螺纹孔，靠近中心孔沿圆周方向对称设有三个通孔，用以装入滑动轴套，中心孔内设有台阶，用以轴向固定一个滚动轴承。

所述电机设有一个后支撑盘，为圆盘形中间带孔结构，圆盘面靠近边缘均布有三个通孔，用以装入滑动轴承，中心孔内设有台阶，用以轴向固定一个滚动轴承。

所述外壳为外侧四方形内侧圆形通孔构件。

所述后盖为与机壳相对应的正方形板状构件，与外壳配合面上设有圆环形凸台，圆环形凸台外侧与机壳内壁配合，内侧与定子的圆环形底座配合固联；后盖中间设有固装外齿轮轴的椭圆形凹槽，凹槽中心设有一通孔，用以穿过螺钉与外齿轮轴固联。

本发明是一种低转速、大转矩的双啮合永磁式电动机，将电机与RV减速机融合一体，而且还具有结构简单，零件少，减小了惯量，加工与装配难度低等优点。

附图说明

图1、2是本发明双啮合永磁式电动机的内部组成结构图。

图3、4、5（A）、（B）是本发明啮合电机的磁极吸合方式及啮合传动原理图。

图6（A）、（B）是本发明啮合电机中的定子结构图。

图7（A）、（B）是本发明啮合电机中的内转子结构图。

图8是本发明啮合电机中的外转子结构图。

图9是本发明啮合电机中的偏心轴结构图。

图10是本发明啮合电机中的前内齿圈结构图。

图11（A）、（B）是本发明啮合电机中的后内齿圈结构图。

图12是本发明啮合电机的外壳结构图。

图13是本发明啮合电机的外齿轮轴结构图。

图14是本发明啮合电机的前转盘结构图。

图15是本发明啮合电机的后支撑盘结构图。

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15，介绍本发明双啮合永磁式电动机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、外转子1、内转子2、前内齿圈6、后内齿圈7、外齿轮轴4、前转盘5，后支撑盘14、偏心轴10、滑动轴套11与轴承13、外壳15、后盖12。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：

本发明电机设有一套三相六极式定子磁极9（参见图6）、一个内转子2（参见图7）和一个外转子1（参见图8），内、外转子都为永磁材料制成，且轴向充磁；六个线圈8绕制在定子9环形结构端面上的六个凸起9A处，六个定子磁极极靴9B在径向平面内对称错开60度，控制线圈绕组的加电顺序和电流方向，驱动内转子2在径向上以“下→右下→右上→上→左上→左下→下”的次序循环移动，与此同时，外转子1则以“上→左上→左下→下→右下→右上→上”的次序循环移动，再细分电路，就能够实现内、外转子及绕电机轴线作匀速的公转运动（参见图3、4、5）。

本发明电机的偏心轴10（参见图9）的10A段分别穿过固装在前内齿圈6（参见图10）、后内齿圈7（参见图11）上的滑动轴套11的内孔中，而前内齿圈6则装入外转子1的孔内通过螺钉固联在一起，后内齿圈7则通过形面配合及螺钉与内转子2固联在一起。当内、外转子做公转运动时时，将带动前、后内齿圈公转，同时与固定在外壳15（参见图12）上不动的外齿轮轴4（参见图13）产生啮合运动，根据齿轮啮合原理，前、后内齿圈将输出低速的自转运动，并带动三个偏心轴产生自转运动，偏心轴10的前端和后端的10B段装入前转盘5（参见图14）上孔5A和后支撑盘14（参见图15）上的孔14A内固装的滑动轴套内孔中，则偏心轴10的自转运动通过前转盘5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：电机的定子9、绕组8、外转子1、内转子2、前内齿圈6、后内齿圈7、外齿轮轴4、前转盘5，后支撑盘14、偏心轴10、滑动轴套11与轴承13、外壳15、后盖12。

电机的内转子2为永磁材料制成，圆筒形且内壁圆周方向对称设有三个半圆形凸起2A的构件，凸起截面形状尺寸与后内齿圈7上的半圆形槽7D相同，长度略短于圆筒轴向长度，每个半圆形凸起中心设有螺纹孔2B，用以旋入螺钉和后内齿圈7固定在一起。后内齿圈7为中心设有内齿廓孔的圆柱体结构，圆柱体外侧的圆周方向对称设有三个半圆形槽7D，槽的底部设有孔7C，孔内用来穿过螺钉与内转子2固联，圆柱体端面上未开槽部分对称设有三个孔7A，用以装入滑动轴套11。外转子1为永磁材料制成的圆筒形构件，靠近一端的圆筒侧面开有孔1A用以旋入螺钉与前内齿圈6固联。前内齿圈6为圆盘形且边沿堆成设有六个半圆形缺口，中间设有内齿廓孔6B，槽两侧的凸起边缘上沿圆周方向对称分布有六个螺纹孔6C，用以固定外转子1，齿圈靠近中心圆周方向对称设有三个孔7A，用以装入滑动轴套11。分别将三个偏心轴10上的10A段装入前、后内齿圈上安装的滑动轴套11孔内，则当内、外转子在磁场力作用下在径向内绕电机主轴轴线作公转运动时，将带动前、后内齿圈同时做公转运动，同时由于两个内齿圈的中心内齿廓孔穿过固定的外齿轮轴4，则前、后内齿圈将与外齿轮轴发生啮合产生低速的自转运动，由于三个偏心轴的10B段分别装入前转盘5上的5A和后支撑盘14上14A孔内安装的滑动轴套11内，且又分别通过5B和14B内装的滚动轴承与外壳形成转动副连接，则前、后内齿圈的自转运动将通过三个偏心轴传递给前转盘5输出。

本发明电机的前、后内齿圈和外齿轮轴组成一齿差减速机构，其减速传动比为：，式中，和分别为渐开线前、后内齿圈6、7和外齿轮轴4的齿数。内、外转子带动前、后内齿圈公转一周，其前、后内齿圈与外齿轮轴啮合后仅自转动一个齿，藉此能够从前转盘5输出低转速和大扭矩。

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 (6)

1.一种双啮合永磁式电动机，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三相六极式磁极，每相磁极有二个定子，绕组安装在定子中部，六个定子中间布置一个内转子，外侧布置一个外转子；

内、外转子形状皆为圆筒形，定子由软磁材料构成，转子由轴向充磁的永磁材料构成；内转子内部装入一筒形内齿圈，该齿圈为后内齿圈，并通过螺钉与内转子固联在一起；外转子的一端套在一盘型内齿圈上，该齿圈为前内齿圈，并通过外转子外壁上安装的螺钉与前内齿圈固装在一起；

三个偏心轴中部的两段偏心部分分别装入两个内齿圈上固装的轴套内，偏心轴前、后端部分别装入前转盘和后支撑盘的上安装的轴套孔内，两个内齿圈在三个偏心轴的约束下能够围绕机壳几何对称中心在径向上作公转运动；前转盘外缘装入机壳上固定的轴承孔内，前转盘中心孔内固装入一轴承，该轴承内圈穿入一外齿轮轴，前转盘相对于外齿轮轴可自由转动，两者形成转动副连接，外齿轮轴的另一末端截面为椭圆形，装入后盖上的椭圆形孔内，并通过螺钉与后盖固定；外齿轮轴中部设有两个盘型外齿轮，轴向位置与前、后内齿圈在轴向上的安装位置对应；每相绕组加电时，圆筒形内、外转子都将受到电磁力作用而同时产生相反方向的运动趋势，由于内、外转子与后、前内齿圈固装在一起受到三个偏心轴的约束，则内、外转子只能在以偏心轴偏心距为半径的范围内做公转运动，当三个定子绕组按照设定顺序和方向加电后，内、外转子将在三个偏心轴约束和电磁力的联合作用下在径向上作公转运动，同时带动前、后内齿圈与固联在后盖上的外齿轮轴上的外齿轮相啮合，由于外齿轮轴被固定在后盖上，则根据一齿差机构啮合原理，前、后内齿圈在与固定的外齿轮轴啮合后将发生自转运动，并带动三个偏心轴围绕机壳几何对称中心公转，由于三个偏心轴的端部装入前转盘，则将这种公转运动传递给前转盘输出低速、大转矩的自转运动。

2.根据权利要求1所述的双啮合永磁式电动机，其特征在于：所述定子采用硅钢材料，形状为圆环盘形结构，圆环盘形结构的一端面上设有六个凸台，六个凸台顶部各设有一个梯形凸起结构，在梯形凸起结构与圆环盘形结构之间的凸台上安装绕组。

3.根据权利要求1所述的双啮合永磁式电动机，其特征在于：所述前内齿圈为圆盘形，中间设有内齿廓的孔，圆盘沿圆周方向设有半圆槽，槽两侧的凸起的边缘上沿圆周方向对称分布有六个螺纹孔，用以固定外转子。

4.根据权利要求1所述的双啮合永磁式电动机，其特征在于：所述后内齿圈为中心设有内齿廓孔的圆柱体结构，圆柱体外侧的圆周方向对称设有三个半圆形槽，半圆形槽在轴向不通透，半圆形槽的轴向末端的底部设有孔，孔内用来穿过螺钉与内转子固联，圆柱体端面上未开槽部分对称设有三个孔，用以装入滑动轴套。

5.根据权利要求1所述的双啮合永磁式电动机，其特征在于：所述外齿轮轴的轴向上中间两段处分别设有一个盘型外齿轮，外齿轮轴末端为椭圆形，用以装入后盖中心处的椭圆形孔内固定。

6.根据权利要求4所述的双啮合永磁式电动机，其特征在于：所述内转子为圆筒形，筒内壁圆周方向对称设有三个半圆形凸起，凸起截面形状尺寸与圆柱体结构的内齿圈外壁上均匀分布的半圆形槽的形状相同，凸起长度略短于圆筒的轴向长度，每个半圆形凸起中心设有螺纹孔，用以旋入螺钉和内齿圈固定。