CN112713737A - 一种面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于，电机包括隔磁固定环，隔磁固定环外周设置游标电机部件，隔磁固定环内周设置磁齿轮部件，游标电机部件包括定子绕组，定子绕组外周设置游标电机转子，定子绕组内周设置游标电机定子铁芯。本发明的有益效果如下：1.面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机将磁齿轮的减速传动特性、本质柔顺性和固有过载保护特性拓展到人机共融领域，为新型机器人一体化关节的设计与应用奠定基础；2.面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机将磁齿轮和游标电机复合成一个结构紧凑的整体，具有大传动比特征，在不使用机械齿轮减速器的情况下，实现降速、提高转矩的目的，达到直接驱动效果。

Description

一种面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机

技术领域

本发明属于人机共融机器人技术领域，涉及面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机。

背景技术

目前，机器人关节由电机和减速器通过轴联接实现传动。一方面，关节的结构、体积和质量受非功能件的制约，体积大、质量重；另一方面，减速器采用传统的机械齿轮制造而成，机械齿轮接触式啮合不可避免地产生摩擦、发热、振动和噪声等问题，需要定期进行润滑和维护。

相比于机械齿轮，磁齿轮具有明显的优势:（1）磁齿轮具有传动比，可代替机械齿轮，实现低速、大转矩传动；（2）磁齿轮的输入和输出轴相互隔离，通过磁力耦合传递速度和转矩，属于非接触、无摩擦传动，传动效率高，噪声低，免润滑，维护少；（3）磁齿轮兼具柔顺性和过载保护特性，符合人机共融机器人本质安全的要求，碰撞时，磁齿轮能够靠本质柔顺性缓解冲击强度；（4）同轴磁齿轮易于同永磁无刷电机耦合，形成高度集成的磁齿轮复合电机，符合轻量一体化关节结构紧凑的要求。

然而，对于传统单级磁齿轮，其传动比较小，一般为2-12。面向机器人关节应用，要求磁齿轮具有大传动比。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，结合磁齿轮结构优点，提出一种面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，满足大传动比磁齿轮应用。

按照本发明提供的技术方案：一种面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于，所述电机包括隔磁固定环，所述隔磁固定环外周设置游标电机部件，所述隔磁固定环内周设置磁齿轮部件。

作为本发明的进一步改进，所述游标电机部件包括游标电机定子铁芯，所述游标电机定子铁芯定子槽内设置定子绕组，所述游标电机定子铁芯外周设置游标电机转子。

作为本发明的进一步改进，所述磁齿轮部件包括高速转子，所述高速转子外周由内至外依次设置调磁环转子、定子永磁环和定子永磁环背铁。

作为本发明的进一步改进，游标电机转子由游标电机转子铁芯和游标电机转子永磁体组成，所述游标电机转子永磁体采用相同极性永磁体内嵌形式，嵌于所述游标电机转子铁芯铁芯极之间的空隙。

作为本发明的进一步改进，所述游标电机部件采用外转子形式，定子齿采用开口槽结构。

作为本发明的进一步改进，所述高速转子为所述磁齿轮部件的内转子，所述调磁环转子为低速转子，输出转矩和转速，所述定子永磁环胶黏于所述定子永磁环背铁内表面，构成磁齿轮部件的固定外转子。

作为本发明的进一步改进，所述游标电机转子和所述高速转子固连。

作为本发明的进一步改进，所述游标电机定子铁芯和所述定子永磁环背铁固连于所述隔磁固定环，构成定子铁芯。

作为本发明的进一步改进，永磁体材料采用钕铁硼，转子永磁体铁芯和定子铁芯材料采用硅钢片。

本申请的积极进步效果在于：

本发明的有益效果如下： 1、所述面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机将磁齿轮的减速传动特性、本质柔顺性和固有过载保护特性拓展到人机共融领域，为新型机器人一体化关节的设计与应用奠定基础；2、所述面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机将磁齿轮和游标电机复合成一个结构紧凑的整体，在不使用机械齿轮减速器的情况下，实现降速、提高转矩的目的，达到直接驱动效果；3、所述面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机克服了现有单级磁齿轮（电机）传动比小的缺点，采用二级磁齿轮传动形式，具有低速、大转矩特征，满足人机共融机器人要求。

附图说明

图1为二级磁齿轮电机截面图。

图2为二级磁齿轮电机共用转子。

图3为二级磁齿轮电机定子。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1-3中，包括游标电机转子1、定子绕组2、定子铁芯3、定子永磁环4、调磁环转子5、高速转子6、游标电机转子铁芯101、游标电机转子永磁体102、游标电机定子铁芯301、隔磁固定环302、定子永磁环背铁303、高速转子永磁体601、高速转子永磁体背铁602等。

如图1-3所示，本发明是一种面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，包括外部游标电机部件、隔磁固定环302、内部磁齿轮部件，为单定子、三转子和三层气隙形式。

面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机的磁齿轮部件包括高速转子6、调磁环转子5、定子永磁环4和定子永磁环背铁303。高速转子6外周由内至外依次设置调磁环转子5、定子永磁环4和定子永磁环背铁303。其中，高速转子6由高速转子永磁体601和高速转子永磁体背铁602组成，高速转子永磁体601胶黏于高速转子永磁体背铁602外表面；定子永磁环4胶黏于定子永磁环背铁303的内表面，构成磁齿轮部件的固定外转子。高速转子6的极对数P6，调磁环转子5的极块数N5和定子永磁环4的极对数P4结构上满足：

P6 + P4 = N5

调磁环转子5用作磁齿轮部件的低速输出转子。磁齿轮部件的传动比为：

Gmg = N5 / P6

高速转子6和调磁环转子5的转动方向相同。

面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机的游标电机部件包括游标电机转子1、定子绕组2和游标电机定子铁芯301。

游标电机定子铁芯301定子槽内设置定子绕组2，游标电机定子铁芯301外周设置游标电机转子1。其中，游标电机转子1由游标电机转子铁芯101和游标电机转子永磁体102组成，游标电机转子永磁体102采用相同极性永磁体内嵌形式，嵌于游标电机转子铁芯101铁芯极之间的空隙。三相定子绕组2绕于游标电机定子铁芯301的齿槽内。游标电机转子1的极对数P1、游标电机定子铁芯301的定子齿数N3和定子绕组2的极对数P2结构上满足：

P1 + P2 = N3

游标电机部件的传动比为：

Gvm = – P1 / P2

负号表示游标电机转子1与定子旋转磁场方向相反。

如图2所示，面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机的游标电机转子1和磁齿轮部件的高速转子6固连。如图3所示，面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机的定子永磁环背铁303和游标电机定子铁芯301固连于隔磁固定环302，构成定子铁芯3。面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机的传动比为：

Gr = Gmg ∙ Gvm = – N5 ∙ P1 / (P6 ∙ P2)

从而实现二级磁齿轮传动。

面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机的工作原理为，定子铁芯3上的定子绕组2通以频率为f的三相交变电流，从而产生转速为Ve=60f/P2的旋转磁场，驱动游标电机转子1以转速Vh=Ve/Gvm转动，游标电机转子1产生的电磁转矩为Th。由于游标电机转子1与高速转子6固连，高速转子6的转速为Vh=Ve/Gvm。受磁齿轮部件的作用，调磁环转子5的输出速度为Vo=Vh/Gmg= Ve/Gr，输出转矩为To=GmgTh。

面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机可在高速转子6的一端配置编码器实现伺服控制或直接采用无传感器控制方式。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于，所述电机包括隔磁固定环（302），所述隔磁固定环（302）外周设置游标电机部件，所述隔磁固定环（302）内周设置磁齿轮部件。

2.根据权利要求1所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：所述游标电机部件包括游标电机定子铁芯（301），所述游标电机定子铁芯（301）定子槽内设置定子绕组（2），所述游标电机定子铁芯（301）外周设置游标电机转子（1）。

3.根据权利要求1所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：所述磁齿轮部件包括高速转子（6），所述高速转子（6）外周由内至外依次设置调磁环转子（5）、定子永磁环（4）和定子永磁环背铁（303）。

4.根据权利要求2所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：游标电机转子（1）由游标电机转子铁芯（101）和游标电机转子永磁体（102）组成，所述游标电机转子永磁体（102）采用相同极性永磁体内嵌形式，嵌于所述游标电机转子铁芯（101）铁芯极之间的空隙。

5.根据权利要求1-2所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：所述游标电机部件采用外转子形式，定子齿采用开口槽结构。

6.根据权利要求3所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：所述高速转子（6）为所述磁齿轮部件的内转子，所述调磁环转子（5）为低速转子，输出转矩和转速，所述定子永磁环（4）胶黏于所述定子永磁环背铁（303）内表面，构成磁齿轮部件的固定外转子。

7.根据权利要求1-3所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：所述游标电机转子（1）和所述高速转子（6）固连。

8.根据权利要求1-3所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：所述游标电机定子铁芯（301）和所述定子永磁环背铁（303）固连于所述隔磁固定环（302），构成定子铁芯（3）。

9.根据权利要求1-3所述的面向机器人关节的二级磁齿轮传动电机，其特征在于：永磁体材料采用钕铁硼，转子永磁体铁芯和定子铁芯材料采用硅钢片。

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