CN114499091A - 一种紧凑型机器人关节电机总成 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种紧凑型机器人关节电机总成，包括安装在机壳内的转子总成和分别设置在转子总成两侧的第一定子和第二定子；其特征在于：所述机壳的上端面连接有前端盖，下端面连接有后端盖和与后端盖连接的轴承盖；所述第一定子的一侧为齿和槽，另一侧与机壳接触，第二定子的一侧为齿和槽，另一侧与后端盖接触。本发明采用轴向磁通电机，电机转矩密度更高，再通过合理布局两级行星减速器，轴向不占用空间，非常有利于机器人关节布置，通过两级减速后，电机输出扭矩成倍增大；能完全解决现有关节电机输出扭矩小和电机发热问题，同时电机占用空间小、重量轻，非常适合应用在机器人等对电机空间体积、转矩密度要求高的场合。

Description

一种紧凑型机器人关节电机总成
技术领域
本发明涉及一种紧凑型机器人关节电机总成，属于电机技术领域。
背景技术
随着经济社会的快速发展，自动化、智能化”将越发成为主旋律，机器人、机器臂在各行各业应用越来越广泛。
更快的动作响应速度、更轻的装备重量，更趋多样化的机器人关节应用，一系列新的需求将催生出关节动力结构进一步发展。其中更强的输出能力，更小的安装空间，是关节电机的发展的关键技术方向。机器人执行各种复杂的动作主要依靠关节上安装的电机驱动实现，因此关节电机是机器人最核心的部件，要求具有空间体积小、输出转矩大、重量轻、控制精度高等特点。
现有技术方案中，为了输出更大的转矩，通常采用电机加减速器方案，电机与减速器分体安装或采用电机与减速器集成，减速器布置在电机的侧面，导致电机体积较大，电机总成的转矩密度低，非常不利于机器人的整体布局，因此一定程度上影响了机器人的工作性能和可靠性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种紧凑型机器人关节电机总成，该紧凑型机器人关节电机总成提高了机器人关节电机的转矩密度和可靠性。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种紧凑型机器人关节电机总成，包括安装在机壳内的转子总成和分别设置在转子总成两侧的第一定子和第二定子；其特征在于：所述机壳的上端面连接有前端盖，下端面连接有后端盖和与后端盖连接的轴承盖；所述第一定子的一侧为齿和槽，另一侧与机壳接触，第二定子的一侧为齿和槽，另一侧与后端盖接触；所述转子总成由磁钢和转子支架组成，磁钢按N、S极交叉安装在转子支架上；所述第二定子的内侧安装有一级行星减速器总成，一级行星减速器总成包括第一行星架，第一行星架的一侧通过第一星齿轮轴连接有第一星齿轮，第一星齿轮通过第一齿圈固定在后端盖上，第一行星架的另一侧通过第一太阳轮固定在转子支架上；所述第一定子的内侧安装有二级行星减速器总成，二级行星减速器总成包括第二行星架，第二行星架通过第二行星齿轮轴连接有第二行星齿轮，第二行星齿轮通过第二齿圈与机壳固定；所述第一行星架穿过转子支架的中心孔，并通过第二太阳轮与第二行星架连接；所述后端盖的安装面设有输入位置传感器，输入位置传感器包括输入位置传感器定子和输入位置传感器转子，输入位置传感器定子与后端盖的安装面连接，输入位置传感器转子与转子支架连接；所述前端盖的安装面设有输出位置传感器，输出位置传感器包括输出位置传感器定子和输出位置传感器转子，输出位置传感器定子与前端盖的安装面连接，输出位置传感器转子与第二行星架连接。
所述转子总成、第一定子、第二定子构成双定子、单转子的轴向磁通电机。
所述第一定子和第二定子的结构、尺寸参数相同；第一定子和第二定子的槽数为9、12或其倍数。
所述第一定子与机壳接触的部分为磁轭，第二定子与后端盖接触的部分为磁轭。
所述二级行星减速器总成和一级行星减速器总成为NGW型行星减速结构，二级行星减速器总成减速比为i1，一级行星减速器总成减速比为i2，总减速比为i1·i2。
所述第一定子由绕组和绕组组成，定子铁心采用硅钢片卷绕而成，绕组由漆包线组成；
所述磁钢为扇形结构，采用钕铁硼材料，磁钢的总数为6、8、10、12或其倍数；转子支架采用不导磁的不锈钢材料。
所述转子总成与第二定子之间留有距离L1，转子总成与第一定子之间留有距离L2，且L1＝L2。
所述磁钢的圆弧内外径与定子铁心的内外径相同；所述转子支架为空心结构。
所述转子总成分别通过第二轴承和第三轴承支撑在机壳和后端盖上，第一行星架分别通过第一轴承和第四轴承支撑在轴承盖和机壳上，第二行星架分别通过第五轴承和第六轴承支撑在前端盖和第一行星架上。
所述转子支架的运行转速与第一行星架的运行转速不一致，转子支架内孔直径D1与第一行星架外径D2的关系为D1≥D2+mm。
本发明的有益效果在于：采用轴向磁通电机，电机转矩密度更高，再通过合理布局两级行星减速器，轴向不占用空间，非常有利于机器人关节布置，通过两级减速后，电机输出扭矩成倍增大；能完全解决现有关节电机输出扭矩小和电机发热问题，同时电机占用空间小、重量轻，非常适合应用在机器人等对电机空间体积、转矩密度要求高的场合。
附图说明
图1是本发明的结构示意图A；
图2是本发明的结构示意图B；
图3是本发明的的结构示意图C；
图中：1-转子总成，110-磁钢，120-转子支架，2-前端盖，3-输出位置传感器，31-输出位置传感器定子，32-输出位置传感器转子，4-二级行星减速器总成，41-第二齿圈，42-第二行星齿轮，43-第二行星齿轮轴，44-第二太阳轮，45-第二行星架，5-第一定子，51-定子铁心，52-绕组，6-机壳，7-第二定子，8-后端盖，9-输入位置传感器，91-输入位置传感器定子，92-输入位置传感器转子，10-一级行星减速器总成，101-第一齿圈，102-第一星齿轮，103-第一星齿轮轴，104-第一行星架，105-第一太阳轮，11-轴承盖，12-第一轴承，13-第二轴承，14-第三轴承，15-第四轴承，16-第五轴承，17-第六轴承。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1～3所示的一种紧凑型机器人关节电机总成，包括安装在机壳6内的转子总成1和分别设置在转子总成1两侧的第一定子5和第二定子7；其特征在于：所述机壳6的上端面连接有前端盖2，下端面连接有后端盖8和与后端盖8连接的轴承盖11；所述第一定子5的一侧为齿和槽，另一侧与机壳6接触，第二定子7的一侧为齿和槽，另一侧与后端盖8接触；所述转子总成1由磁钢110和转子支架120组成，磁钢110按N、S极交叉安装在转子支架120上；所述第二定子7的内侧安装有一级行星减速器总成10，一级行星减速器总成10包括第一行星架104，第一行星架104的一侧通过第一星齿轮轴103连接有第一星齿轮102，第一星齿轮102通过第一齿圈101固定在后端盖8上，第一行星架104的另一侧通过第一太阳轮105固定在转子支架120上；所述第一定子5的内侧安装有二级行星减速器总成4，二级行星减速器总成4包括第二行星架45，第二行星架45通过第二行星齿轮轴43连接有第二行星齿轮42，第二行星齿轮42通过第二齿圈41与机壳6固定；所述第一行星架104穿过转子支架120的中心孔，并通过第二太阳轮44与第二行星架45连接；所述后端盖8的安装面设有输入位置传感器9，输入位置传感器9包括输入位置传感器定子91和输入位置传感器转子92，输入位置传感器定子91与后端盖8的安装面连接，输入位置传感器转子92与转子支架120连接；所述前端盖2的安装面设有输出位置传感器3，输出位置传感器3包括输出位置传感器定子31和输出位置传感器转子32，输出位置传感器定子31与前端盖2的安装面连接，输出位置传感器转子32与第二行星架45连接。
所述转子总成1、第一定子5、第二定子7构成双定子、单转子的轴向磁通电机。
所述第一定子5和第二定子7的结构、尺寸参数相同；第一定子5和第二定子7的槽数为9、12或其倍数。
所述第一定子5与机壳6接触的部分为磁轭，第二定子7与后端盖8接触的部分为磁轭。
所述二级行星减速器总成4和一级行星减速器总成10为NGW型行星减速结构，二级行星减速器总成4减速比为i1，一级行星减速器总成10减速比为i2，总减速比为i1·i2。
所述第一定子5由绕组52和绕组52组成，定子铁心51采用硅钢片卷绕而成，绕组52由漆包线组成；
所述磁钢110为扇形结构，采用钕铁硼材料，磁钢110的总数为6、8、10、12或其倍数；转子支架120采用不导磁的不锈钢材料。
所述转子总成1与第二定子7之间留有距离L1，转子总成1与第一定子5之间留有距离L2，且L1＝L2。
所述磁钢110的圆弧内外径与定子铁心51的内外径相同；所述转子支架120为空心结构，内孔直径为D1。
所述转子总成1分别通过第二轴承13和第三轴承14支撑在机壳6和后端盖8上，第一行星架104分别通过第一轴承12和第四轴承15支撑在轴承盖11和机壳6上，第二行星架45分别通过第五轴承16和第六轴承17支撑在前端盖2和第一行星架104上。
所述转子支架120的运行转速与第一行星架104的运行转速不一致，转子支架120内孔直径D1与第一行星架104外径D2的关系为D1≥D2+1～2mm。
本发明将两级行星减速器布置在电机内侧，电机转子端和减速器输出端均布置了位置传感器，合理利用了轴向磁通电机内侧空间，同时电机采用高转矩密度的轴向磁通电机结构，电机输出的转矩通过一级行星减速器总成和二级行星减速器总成减速后转矩成倍增加(电机输出转矩×总减速比)，电机体积更小，转矩密度更高，结构可靠，易于实施。
实施例
如上所述，转子总成1、第一定子5、第二定子7组成了双定子单转子的轴向磁通电机，第一定子5、第二定子7结构尺寸参数完全一致，且第一定子5的左侧为齿和槽，右侧与所述机壳6接触部分为磁轭，第二定子7的右侧为齿和槽，左侧与所述后端盖8接触部分为磁轭；第一定子5与机壳6固定，第二定子7与后端盖8固定，前端盖2与所述机壳6固定。
优选地，第一定子5、第二定子7的槽数通常有9、12及其倍数，具体还需结合所述转子总成1的极数综合确定。
进一步的，定子铁心51采用一定厚度的硅钢片卷绕而成，其目的是降低定子铁心损耗；绕组52由一定线径规格的漆包线组成，漆包线绝缘等级根据电机绝缘等级选型。
转子总成1左端面与第二定子7的右端面的距离为L1，转子总成1右端面与第一定子5的左端面的距离为L2，为了保证电机受力均衡，工作平稳，在设计时需要保证L1＝L2。
优选地，转子总成1由磁钢110和转子支架120组成，所述磁钢110通常选用磁性能优良的钕铁硼材料，所述转子支架120选用不导磁的不锈钢材料。
具体的，磁钢110通常为扇形结构，按N、S极交叉安装在所述转子支架120上，圆周方向均匀分布，其总数可选择6、8、10、12及这几个数的倍数，具体还需结合所述第一定子5、第二定子7确定的槽数综合选择。
进一步的，第一齿圈101固定在所述后端盖8上，所述第一行星齿轮102通过第一行星齿轮轴103固定在第一行星架104上，所述第一太阳轮105固定在所述转子支架120上；第二齿圈41固定在所述机壳6上，所述第二行星齿轮42通过第二行星齿轮轴43固定在第二行星架45上，所述第二太阳轮44固定在所述第一行星架104上。
具体的，转子支架120的运行转速与所述第一行星架104的运行转速不一致，为了防止运动干涉，所述转子支架120内孔直径D1与所述第一行星架104外径D2的关系通常为D1≥D2+(1～2)mm，具体需根据零件刚度、运行转速等综合确定。
进一步的，所述转子总成1通过所述轴承13和轴承14分别支撑在所述机壳6和所述后端盖8上；所述第一行星架104通过所述轴承12和所述轴承15分别支撑在所述轴承盖11和所述机壳6上，所述轴承盖11与所述后端盖8连接固定；所述第二行星架45通过所述轴承16和所述轴承17分别支撑在所述前端盖2和所述第一行星架104上。
如图2所示，输入位置传感器9由输入位置传感器定子91和输入位置传感器转子92组成，所述输入位置传感器定子91固定在所述后端盖8端面，所述输入位置传感器转子92固定在所述转子支架120端面，随转子支架120一起旋转，电机运行时，所述转子总成1的位置信息可以通过输入位置传感器9读取，位置信息反馈给电机控制器后，电机控制器向所述第一定子5、第二定子7的绕组通电，保证电机运行在高效区域；
所述输出位置传感器3由输出位置传感器定子31和输出位置传感器转子32组成，所述输出位置传感器定子31固定在所述前端盖2端面，所述输出位置传感器转子32固定在所述输出行星架45端面，随输出行星架45一起旋转，电机运行时，输出行星架45的位置信息可以通过输出位置传感器3读取，进而精确控制被驱动机构的位置。
综上所述，本发明采用双定子单转子的轴向磁通电机加两级行星减速方案，两级行星减速器布置在定子内侧，不占用电机的轴向空间，通过两级减速后，总成有效输出扭矩变大，有效地解决了电机输出扭矩小和电机发热问题，提高了电机的可靠性；同时电机转子侧和输出端都布置了感应式的磁编码器，电机运行时分别可以检测到电机转子侧和输出端的位置信息，进一步提高了电机的控制精度，保证机器人执行各项动作精准、可靠。

Claims (10)

1.一种紧凑型机器人关节电机总成，包括安装在机壳(6)内的转子总成(1)和分别设置在转子总成(1)两侧的第一定子(5)和第二定子(7)；所述机壳(6)的上端面连接有前端盖(2)，下端面连接有后端盖(8)和与后端盖(8)连接的轴承盖(11)，其特征在于：所述第一定子(5)的一侧为齿和槽，另一侧与机壳(6)接触，第二定子(7)的一侧为齿和槽，另一侧与后端盖(8)接触；所述转子总成(1)由磁钢(110)和转子支架(120)组成，磁钢(110)按N、S极交叉安装在转子支架(120)上；所述第二定子(7)的内侧安装有一级行星减速器总成(10)，一级行星减速器总成(10)包括第一行星架(104)，第一行星架(104)的一侧通过第一星齿轮轴(103)连接有第一星齿轮(102)，第一星齿轮(102)通过第一齿圈(101)固定在后端盖(8)上，第一行星架(104)的另一侧通过第一太阳轮(105)固定在转子支架(120)上；所述第一定子(5)的内侧安装有二级行星减速器总成(4)，二级行星减速器总成(4)包括第二行星架(45)，第二行星架(45)通过第二行星齿轮轴(43)连接有第二行星齿轮(42)，第二行星齿轮(42)通过第二齿圈(41)与机壳(6)固定；所述第一行星架(104)穿过转子支架(120)的中心孔，并通过第二太阳轮(44)与第二行星架(45)连接；所述后端盖(8)的安装面设有输入位置传感器(9)，输入位置传感器(9)包括输入位置传感器定子(91)和输入位置传感器转子(92)，输入位置传感器定子(91)与后端盖(8)的安装面连接，输入位置传感器转子(92)与转子支架(120)连接；所述前端盖(2)的安装面设有输出位置传感器(3)，输出位置传感器(3)包括输出位置传感器定子(31)和输出位置传感器转子(32)，输出位置传感器定子(31)与前端盖(2)的安装面连接，输出位置传感器转子(32)与第二行星架(45)连接。
2.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述转子总成(1)、第一定子(5)、第二定子(7)构成双定子、单转子的轴向磁通电机。
3.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述第一定子(5)和第二定子(7)的结构、尺寸参数相同；第一定子(5)和第二定子(7)的槽数为9、12或其倍数。
4.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述第一定子(5)与机壳(6)接触的部分为磁轭，第二定子(7)与后端盖(8)接触的部分为磁轭。
5.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述二级行星减速器总成(4)和一级行星减速器总成(10)为NGW型行星减速结构，二级行星减速器总成(4)减速比为i1，一级行星减速器总成(10)减速比为i2，总减速比为i1·i2。
6.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述第一定子(5)由绕组(52)和绕组(52)组成，定子铁心(51)采用硅钢片卷绕而成，绕组(52)由漆包线组成；
所述磁钢(110)为扇形结构，采用钕铁硼材料，磁钢(110)的总数为6、8、10、12或其倍数；转子支架(120)采用不导磁的不锈钢材料。
7.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述转子总成(1)与第二定子(7)之间留有距离L1，转子总成(1)与第一定子(5)之间留有距离L2，且L1＝L2。
8.如权利要求6所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述磁钢(110)的圆弧内外径与定子铁心(51)的内外径相同；所述转子支架(120)为空心结构。
9.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述转子总成(1)分别通过第二轴承(13)和第三轴承(14)支撑在机壳(6)和后端盖(8)上，第一行星架(104)分别通过第一轴承(12)和第四轴承(15)支撑在轴承盖(11)和机壳(6)上，第二行星架(45)分别通过第五轴承(16)和第六轴承(17)支撑在前端盖(2)和第一行星架(104)上。
10.如权利要求1所述的紧凑型机器人关节电机总成，其特征在于：所述转子支架(120)的运行转速与第一行星架(104)的运行转速不一致，转子支架(120)内孔直径D1与第一行星架(104)外径D2的关系为D1≥D2+1～2mm。
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