CN111396504A - 转子结构和伺服电机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种转子结构和伺服电机。该转子结构包括转子轴(1)，转子轴(1)上沿周向设置有惯量盘(2)，惯量盘(2)沿周向分为至少两块，各块惯量盘(2)沿着转子轴(1)的径向上的位置可调，且各块惯量盘(2)能够保持在调整后的位置处。根据本申请的转子结构，能够使得电机侧惯量根据负载惯量变化而进行调节，实现最优惯量比的选择，从而抑制机械谐振，提高系统稳定性。

Description

转子结构和伺服电机
技术领域
本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种转子结构和伺服电机。
背景技术
伺服系统由于控制精度高，工作动态性能好，故在现代化工业制造领域有着非常广泛的应用。但是，伺服系统不可避免的需要使用联轴器、减速机、皮带这些连接部件，由于这些连接器具有弹性形变，因而不能视作理想的刚性连接。电机与负载的弹性连接限制了它们性能的提高；因为增大控制器增益提升电机响应的同时引起了柔性传动系统的不稳定，即产生机械谐振的现象。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种转子结构和伺服电机，能够使得电机侧惯量根据负载惯量变化而进行调节，实现最优惯量比的选择，从而抑制机械谐振，提高系统稳定性。
为了解决上述问题，本申请提供一种转子结构，包括转子轴，转子轴上沿周向设置有惯量盘，惯量盘沿周向分为至少两块，各块惯量盘沿着转子轴的径向上的位置可调，且各块惯量盘能够保持在调整后的位置处。
优选地，各惯量盘均位于径向内侧运动末端时，惯量盘拼接成一个完整的圆盘形；各惯量盘均位于径向外侧运动末端时，惯量盘呈现沿周向均匀间隔分布的多个扇形盘。
优选地，转子轴上沿周向设置有环形槽位，惯量盘设置在环形槽位内，并由环形槽位形成轴向限位。
优选地，环形槽位内还设置有驱动件，驱动件上设置有驱动部，惯量盘上设置有从动部，驱动件通过驱动部与惯量盘上的从动部驱动连接，驱动惯量盘沿径向运动。
优选地，驱动件包括螺盘，螺盘能够相对于转子轴转动，螺盘朝向惯量盘的一侧设置有驱动螺纹，惯量盘朝向螺盘的一侧设置有从动螺纹，驱动螺纹与从动螺纹啮合传动。
优选地，各惯量盘远离螺盘的一侧与环形槽位的第一槽壁之间形成径向导向结构。
优选地，径向导向结构包括设置在惯量盘上的径向导条和设置在第一槽壁上的径向导槽；和/或，径向导向结构包括设置在惯量盘上的径向导槽和设置在第一槽壁上的径向导条。
优选地，螺盘为分块式结构，分块式结构套设在环形槽位内后固定连接在一起。
优选地，相邻的分块式结构上之间通过螺钉固定连接或者焊接固定。
优选地，驱动螺纹和从动螺纹均为等速螺纹。
优选地，螺盘远离惯量盘的一侧设置有沿周向排布的径向齿，环形槽位靠近螺盘的第二槽壁上设置有避让槽，径向齿伸入避让槽内，避让槽的凹槽壁上设置有径向贯穿凹槽壁的定位孔，定位孔内设置有驱动杆，驱动杆包括柱套和齿轮部，柱套设置在定位孔内，齿轮部与径向齿啮合。
优选地，螺盘的直径等于或小于凹槽壁的直径，螺盘的端面与凹槽壁的端面相贴合。
优选地，柱套的外端面上设置有用于控制驱动杆转动的操作结构。
优选地，定位孔为中间小两端大的台阶孔，柱套与齿轮部分开成型后固定连接在一起。
根据本申请的另一方面，提供了一种伺服电机，包括转子结构，该转子结构为上述的转子结构。
本申请提供的转子结构，包括转子轴，转子轴上沿周向设置有惯量盘，惯量盘沿周向分为至少两块，各块惯量盘沿着转子轴的径向上的位置可调，且各块惯量盘能够保持在调整后的位置处。该转子结构的惯量盘沿周向分成至少两块，并且各惯量盘沿着径向位置可调，因此能够使得电机侧惯量根据负载惯量变化而进行调节，实现最优惯量比的选择，从而抑制机械谐振，提高系统稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例的转子结构的剖视结构示意图；
图2为本申请实施例的转子结构的转子轴的结构示意图；
图3为本申请实施例的转子结构的转子轴的剖视结构示意图；
图4为本申请实施例的转子结构的惯量盘的结构示意图；
图5为本申请实施例的转子结构的惯量盘的右视结构示意图；
图6为本申请实施例的转子结构的螺盘的结构示意图；
图7为本申请实施例的转子结构的螺盘的左视结构示意图；
图8为本申请实施例的转子结构的螺盘的右视结构示意图；
图9为本申请实施例的转子结构的驱动杆的结构示意图；
图10为本申请实施例的转子结构的驱动杆的右视结构示意图。
附图标记表示为：
1、转子轴；2、惯量盘；3、螺盘；4、驱动螺纹；5、从动螺纹；6、径向导条；7、径向导槽；8、径向齿；9、避让槽；10、驱动杆；11、定位孔；12、柱套；13、齿轮部；14、凹槽壁；15、操作结构。
具体实施方式
结合参见图1至图10所示，根据本申请的实施例，转子结构包括转子轴1，转子轴1上沿周向设置有惯量盘2，惯量盘2沿周向分为至少两块，各块惯量盘2沿着转子轴1的径向上的位置可调，且各块惯量盘2能够保持在调整后的位置处。
该转子结构的惯量盘2沿周向分成至少两块，并且各惯量盘2沿着转子轴1的径向方向位置可调，因此能够使得电机侧惯量根据负载惯量变化而进行调节，实现最优惯量比的选择，从而抑制机械谐振，提高系统稳定性。
同时，由于转子结构的惯量可以调节，因此使得一种转子结构能够匹配多种惯量的负载，工作范围更广，还可以减少电机开发周期，节约系统维护成本。
根据公式J＝m*r2可知，旋转刚体的半径增大1倍，其转动惯量增大3倍，因此该结构可显著改变电机的转动惯量，进而使电机输出转矩与负载转矩达到最优匹配，提升系统可靠性。
在本实施例中，结合参见图2所示，转子轴1从右到左分别包括轴伸位、油封位、轴承位、惯量盘及螺盘位、铁芯位、制动器位、后轴承位。
各惯量盘2均位于径向内侧运动末端时，惯量盘2拼接成一个完整的圆盘形；各惯量盘2均位于径向外侧运动末端时，惯量盘2呈现沿周向均匀间隔分布的多个扇形盘。
当各惯量盘2沿转子轴1的径向运动至最内侧时，所有的惯量盘2拼接在一起，形成一个完整的圆盘结构，此时惯量盘2的转动惯量最小。当各惯量盘2沿转子轴1的径向运动至最外侧时，所有的惯量盘2相互分开，形成辐射状分布结构，相邻的惯量盘之间的周向间隙最大，此时惯量盘2的转动惯量最大。
在本申请中，惯量盘2的数量为4个，也可以为2个、3个、5个及以上。
转子轴1上沿周向设置有环形槽位，惯量盘2设置在环形槽位内，并由环形槽位形成轴向限位。
环形槽位内还设置有驱动件，驱动件上设置有驱动部，惯量盘2上设置有从动部，驱动件通过驱动部与惯量盘2上的从动部驱动连接，驱动惯量盘2沿径向运动。驱动件本身可以被操作，实现某些特定运动，然而其本身的结构并不能将这种运动传递至惯量盘2，因此，如果要实现对惯量盘2的径向位置调整，还需要在驱动件和惯量盘2上分别设置传动结构，来实现力的传递。上述的驱动部和从动部可以为任何能够实现将驱动件上的作用力转换为惯量盘2的径向运动作用力的结构。
在本实施例中，驱动件包括螺盘3，螺盘3能够相对于转子轴1转动，螺盘3朝向惯量盘2的一侧设置有驱动螺纹4，惯量盘2朝向螺盘3的一侧设置有从动螺纹5，驱动螺纹4与从动螺纹5啮合传动。在需要调整转子结构的转动惯量时，可以调节螺盘3沿着所需方向转动，此时，在螺盘3上的驱动螺纹4的驱动作用下，惯量盘2上的从动螺纹5能够径向外扩或者径向内缩，进而带动惯量盘2径向向内或者径向向外运动，实现对惯量盘2的径向位置的调节。
为了保证驱动螺纹4对惯量盘2的径向位置调节的有效性，还可以在转子轴1上设置限制惯量盘2周向运动的周向限位件，从而保证惯量盘2不会随螺盘3一通转动，使得螺盘3的转动能够转化为惯量盘2的径向运动，实现对惯量盘2的径向位置的有效调节。
在本实施例中，各惯量盘2远离螺盘3的一侧与环形槽位的第一槽壁之间形成径向导向结构。径向导向结构既能够对惯量盘2形成周向限位，防止惯量盘2相对于转子轴1发生周向运动，保证惯量盘2径向运动的有效性，又能够对惯量盘2的径向运动形成导向，保证惯量调节的准确性和可靠性。
径向导向结构包括设置在惯量盘2上的径向导条6和设置在第一槽壁上的径向导槽7；和/或，径向导向结构包括设置在惯量盘2上的径向导槽7和设置在第一槽壁上的径向导条6。
在本实施例中，径向导条为截面矩形的长条形，径向导槽7为截面矩形的凹槽，径向导条的形状和大小与径向导槽7的形状和大小相适配，从而保证惯量盘2与转子轴1之间的配合精度。
螺盘3为分块式结构，分块式结构套设在环形槽位内后固定连接在一起。相邻的分块式结构上之间通过螺钉固定连接或者焊接固定。在本实施例中，整体螺盘3由2块分块螺盘拼接而成，每块分块螺盘上有两个螺纹孔，两个分块螺盘之间采用螺钉连接。在其他的实施例中，分块螺盘之间也可以采用焊接等方式固定连接。
优选地，驱动螺纹4和从动螺纹5均为等速螺纹。
螺盘3远离惯量盘2的一侧设置有沿周向排布的径向齿8，环形槽位靠近螺盘3的第二槽壁上设置有避让槽9，径向齿8伸入避让槽9内，避让槽9的凹槽壁14上设置有径向贯穿凹槽壁14的定位孔11，定位孔11内设置有驱动杆10，驱动杆10包括柱套12和齿轮部13，柱套12设置在定位孔11内，齿轮部13与径向齿8啮合。
在需要对螺盘3进行操作时，可以不直接对螺盘3进行操控，而是通过操作柱套12，使得柱套12发生转动，此时齿轮部13随着柱套12发生转动，拨动螺盘3相对于转子轴1转动，螺盘3转动时，其上的驱动螺纹4驱动从动螺纹5运动，由于分块惯量盘2与转子轴1之间有径向导条6与径向导槽7定位，因此分块惯量盘2受螺盘3驱动时只可以沿转子轴1径向运动，实现对惯量盘2的径向位置调节。
优选地，螺盘3的直径等于或小于凹槽壁14的直径，螺盘3的端面与凹槽壁14的端面相贴合，惯量盘2的端面与第一槽壁贴合，从而使得螺盘3和惯量盘2的组合结构能够被环形槽位的两个槽壁进行轴向限位，结构更加紧凑，而且保证了转子结构的稳定性。
柱套12的外端面上设置有用于控制驱动杆10转动的操作结构15。该操作结构15例如为一字型槽、十字槽、多边形孔等。在本实施例中，操作结构15为六边形孔，可以通过六角扳手扳动。
在其他实施例中，也可以不设置驱动杆10，直接在螺盘3的外周壁上开设操作孔，直接对螺盘3进行操作，驱动螺盘3转动。操作孔可以为盲孔，也可以为通孔。
定位孔11为中间小两端大的台阶孔，柱套12与齿轮部13分开成型后固定连接在一起。柱套12可以直接从定位孔11的径向外侧装入定位孔11内，齿轮部13可以从避让槽处进入到凹槽壁14的径向内侧，然后沿径向由内向外安装入定位孔11内。优选地，柱套12包括一部分小径段，齿轮部13也包括一部分小径段，小径段安装在台阶孔的颈部，在进行安装时，可以先将柱套12上的小径段和齿轮部13的小径段均装入到定位孔11内，使得柱套12与齿轮部13能够对齐，然后再将两者固定连接在一起，能够降低柱套12与齿轮部13的安装难度，提高安装效率。
柱套12与齿轮部13之间可以直接通过螺钉固定连接，也可以铆接固定，或者是采用螺钉与销钉相配合的方式进行固定。
在其他的实施例中，柱套12与齿轮部13也可以一体成型，定位孔11可以沿轴向贯穿凹槽壁14，使得凹槽壁14的端部开口，一体结构的驱动杆10可以直接从该端部开口处装入到定位孔11内，然后通过螺盘3对驱动杆10形成轴向限位。
转子结构的装配过程如下：
将四个驱动杆10分别安装在转子轴1的四个定位孔11中；将2个分块螺盘3安装在该转子轴1上，拼接后用2个螺钉进行紧固；此时，螺盘侧面的齿与四个驱动杆10的齿轮部13啮合；安装4个分块惯量盘2，惯量盘2的径向导条6与转子轴1上的径向导槽7配合，惯量盘2上的等速螺纹与螺盘3上的等速螺纹配合。
用六角扳手逆时针旋转驱动杆10时，螺盘3沿轴向逆时针旋转，螺盘3驱动惯量盘2沿径向向内运动，质量分布半径减小，根据J＝m*r2，此时惯量减小；当顺时针旋转驱动杆10时，螺盘3沿轴向逆时针旋转，螺盘3驱动惯量盘2沿径向向外运动，质量分布半径增大，此时惯量增大。
电机与负载传动关系方程如下所示：
Figure BDA0002414216280000061
其中，Jm电机转动惯量，JL为负载转动惯量，Ts为弹性阻尼矩，Tω为黏性阻尼矩，T′s为弹性阻尼动力矩，T′ω为黏性阻尼动力矩，ωm、ωL分别为电机侧及负载侧转速，R为系统的惯量比。由上式得出：
Tm＝TL+Jmωm+JLωL (2)
ωm＝iωL (3)
电机设计过程中会根据负载转矩与负载惯量确定电机侧惯量，使电机与负载匹配至最优惯量比R。当负载惯量变化较大时根据公式(2)调节电机电磁转矩Tm可满足转矩平衡，但增大电磁转矩即增大控制器增益提升电机响应就会造成柔性传动系统的机械谐振。
而通过调节电机侧惯量Jm可维持转矩平衡需求，同时保持系统的最优惯量比状态，从而抑制机械谐振，提升系统的可靠性与稳定性。
根据本申请的实施例，伺服电机包括转子结构，该转子结构为上述的转子结构。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种转子结构，其特征在于，包括转子轴(1)，所述转子轴(1)上沿周向设置有惯量盘(2)，所述惯量盘(2)沿周向分为至少两块，各块所述惯量盘(2)沿着所述转子轴(1)的径向上的位置可调，且各块所述惯量盘(2)能够保持在调整后的位置处。
2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，各所述惯量盘(2)均位于径向内侧运动末端时，所述惯量盘(2)拼接成一个完整的圆盘形；各所述惯量盘(2)均位于径向外侧运动末端时，所述惯量盘(2)呈现沿周向均匀间隔分布的多个扇形盘。
3.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述转子轴(1)上沿周向设置有环形槽位，所述惯量盘(2)设置在所述环形槽位内，并由所述环形槽位形成轴向限位。
4.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述环形槽位内还设置有驱动件，所述驱动件上设置有驱动部，所述惯量盘(2)上设置有从动部，所述驱动件通过驱动部与所述惯量盘(2)上的从动部驱动连接，驱动所述惯量盘(2)沿径向运动。
5.根据权利要求4所述的转子结构，其特征在于，所述驱动件包括螺盘(3)，所述螺盘(3)能够相对于所述转子轴(1)转动，所述螺盘(3)朝向所述惯量盘(2)的一侧设置有驱动螺纹(4)，所述惯量盘(2)朝向所述螺盘(3)的一侧设置有从动螺纹(5)，所述驱动螺纹(4)与所述从动螺纹(5)啮合传动。
6.根据权利要求5所述的转子结构，其特征在于，各所述惯量盘(2)远离所述螺盘(3)的一侧与所述环形槽位的第一槽壁之间形成径向导向结构。
7.根据权利要求6所述的转子结构，其特征在于，所述径向导向结构包括设置在所述惯量盘(2)上的径向导条(6)和设置在所述第一槽壁上的径向导槽(7)；和/或，所述径向导向结构包括设置在所述惯量盘(2)上的径向导槽(7)和设置在所述第一槽壁上的径向导条(6)。
8.根据权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述螺盘(3)为分块式结构，所述分块式结构套设在所述环形槽位内后固定连接在一起。
9.根据权利要求8所述的转子结构，其特征在于，相邻的所述分块式结构上之间通过螺钉固定连接或者焊接固定。
10.根据权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述驱动螺纹(4)和所述从动螺纹(5)均为等速螺纹。
11.根据权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述螺盘(3)远离所述惯量盘(2)的一侧设置有沿周向排布的径向齿(8)，所述环形槽位靠近所述螺盘(3)的第二槽壁上设置有避让槽(9)，所述径向齿(8)伸入所述避让槽(9)内，所述避让槽(9)的凹槽壁(14)上设置有径向贯穿所述凹槽壁(14)的定位孔(11)，所述定位孔(11)内设置有驱动杆(10)，所述驱动杆(10)包括柱套(12)和齿轮部(13)，所述柱套(12)设置在所述定位孔(11)内，所述齿轮部(13)与所述径向齿(8)啮合。
12.根据权利要求11所述的转子结构，其特征在于，所述螺盘(3)的直径等于或小于所述凹槽壁(14)的直径，所述螺盘(3)的端面与所述凹槽壁(14)的端面相贴合。
13.根据权利要求11所述的转子结构，其特征在于，所述柱套(12)的外端面上设置有用于控制所述驱动杆(10)转动的操作结构(15)。
14.根据权利要求11所述的转子结构，其特征在于，所述定位孔(11)为中间小两端大的台阶孔，所述柱套(12)与所述齿轮部(13)分开成型后固定连接在一起。
15.一种伺服电机，包括转子结构，其特征在于，所述转子结构为权利要求1至14中任一项所述的转子结构。
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