CN114884235A - 一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，涉及机器人技术领域，采用了更多的永磁体，并且通过磁场调制产生了更多的谐波磁场，谐波磁场虽然看不到，但是却实际产生了电磁转矩参与了机电能量转换过程，此处的谐波包括3次，5次，7次，…2k+1次谐波，谐波的产生实际上使得电机的等效极数增加，从而实现了转速降低，因此可以将传统伺服电机实现电磁减速，电机转子轴输出转速降低，扭矩大幅度提高，这样可以取消减速器或者大幅度降低减速器速比，从而降低机械制造的技术门槛，实现电机的低速直驱和大扭矩输出，大幅度简化传动结构，降低传动结构重量，提高系统动态响应能力和控制精度。

Description

一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构。
背景技术
工业机器人作为机器人行业的重要分支，具有技术要求高，应用场景广泛，成熟度高，增长速度快的特点，机器人关节驱动的伺服电机系统，作为机器人的核心部件，其性能决定了机器人动作的稳定性和精确性，通常要求关节伺服电机响应速度快、起动转矩惯量比大、调速范围宽且平滑、效率高、结构紧凑、可靠性高、稳定性以及较大的短时过载能力。
在机器人关节手臂动力解决方案方面，目前行业主流的技术方案仍然是采用高速伺服电机配合谐波减速器的方法，这是因为在有限的空间内，传统伺服电机无法提供足够的扭矩而必须通过减速器来实现降速增扭，从而满足终端机械臂的动力要求，如图1所示为目前主流的机器人关节手臂及其驱动系统，该机械手臂需要5套关节驱动系统分别控制髋关节、肩关节、肘关节、腕关节以及指关节，每个关节都具备一个轴向旋转的自由度，这样通过髋关节伺服电机4、肩关节伺服电机5、肘关节伺服电机6、腕关节伺服电机7以及指关节伺服电机8的联动配合即可实现工件的任意动作。
对于每个关节的驱动系统大多是采用一个高速伺服电机通过谐波减速器带动负载结构，高速伺服电机一般需要2000rpm到5000rpm的转速，伺服电机的额定扭矩从2Nm到30Nm不等，对于中小型机械手臂，以上动力配置基本可以满足需求，对于机械臂的每个关节驱动伺服电机，一般采用如图2所示的磁路结构，伺服电机一般采用双层集中绕组，定子采用12块独立的定子铁芯进行集中绕组的绕制，然后通过伺服电机机壳把分块的定子铁芯绕组单元进行整合，得到一体结构，伺服电机转子一般采用10极，也就是N/S磁钢交替排列成10极。
对于传统永磁伺服电机来说，电机永磁体N/S极的数量等于电机的极数，由于同步电机转速反比于电机极数，这就意味着在有限的空间内，当永磁体的数量无法增加的时候，伺服电机的转速就无法降低，扭矩增加也达到极限，所以通过高速伺服电机配合谐波减速器的方法，存在传动结构复杂、体积更大、重量更大以及传动效率较低等弊端。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，包括同轴设置的外定子铁芯、内转子铁芯以及n极定子绕组，内转子铁芯嵌入至外定子铁芯中，且两者之间留有气隙，外定子铁芯沿自身圆周方向的内壁上等距间隔设有3n个外定子齿，相邻外定子齿之间形成供定子绕组安装的外定子槽；内转子铁芯沿自身圆周方向的外壁上等距间隔设置有k*n个凸片，k设置为大于1的整数，相邻凸片之间形成供磁钢安装的装配腔，相邻装配腔内磁钢的磁极相反。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，定子绕组设置为8极，外定子槽的数量设置为24个。
前所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，定子绕组设置为8极，凸片的数量设置为40个。
前所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，外定子齿的宽度与外定子铁芯的轭部宽度的比值设置为1。
前所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，外定子齿的宽度与外定子槽的宽度的比值设置为0.1-0.5。
前所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，外定子齿的宽度与外定子槽的宽度的比值设置为0.1。
前所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，凸片设置为硅钢片。
前所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，内转子铁芯上沿自身圆周方向等距间隔开设有若干减重孔。
前所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，减重孔的数量设置为m个，且m为凸片总数量k*n的约数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中，采用了更多的永磁体，并且通过磁场调制产生了更多的谐波磁场，谐波磁场虽然看不到，但是却实际产生了电磁转矩参与了机电能量转换过程，此处的谐波包括3次，5次，7次，…2k+1次谐波，谐波的产生实际上使得电机的等效极数增加，从而实现了转速降低，传统电机只有基波磁场也就是永磁体物理极数对应的磁场产生扭矩，而本发明中谐波也产生了扭矩，因此可以将传统伺服电机实现电磁减速，电机转子轴输出转速降低，扭矩大幅度提高，这样可以取消减速器或者大幅度降低减速器速比，从而降低机械制造的技术门槛，实现电机的低速直驱和大扭矩输出，大幅度简化传动结构，降低传动结构重量，提高系统动态响应能力和控制精度；
(2)本发明中，现有技术都是通过大速比谐波减速器实现降速增扭，只有这样才能满足机器人关节手臂的动力需求，而本发明通过新的磁路结构，实现电磁降速增扭，彻底取消大速比谐波减速器或者把减速需求大大降低，仅使用单级传统减速器即可，具体取决于关节手臂的扭矩需求。这样就可以大幅度简化传动结构；
(3)本发明中，现有伺服电机一般采用12槽10极的磁路结构，而本发明所提出的磁路结构采用外定子铁芯24槽8极绕组，内转子铁芯40极的磁路结构，从而实现5倍的电磁减速，在此基础上，还可以进一步采用更加灵活的极槽配合，并且通过磁场谐波调制的方法，得到比永磁体物理磁极数更多的等效电磁极数，从而实现转速降低；
(4)本发明中，现有伺服电机为了保证能够持续输出稳定电磁转矩，必须保证定转子双边磁场的极数相同，也就是外定子铁芯和绕组产生的磁场极数等于转子永磁体的极数，但是本发明所提磁路结构可以实现定子绕组极数不等于转子永磁体极数，而可以根据实际转速需要灵活设计转子磁极数，这样就规避了由于空间尺寸约束导致的定子绕组极数无法持续增加的弊端；
(5)本发明中，现有伺服电机一般采用瓦片式磁钢的表贴磁路结构，而本发明采用了一种瓦片嵌入式磁路结构，由于磁钢的磁阻近似等于空气，磁阻较大，而硅钢片的磁阻很小，这样就可以实现转子侧的磁导调制；凸片设置为硅钢片，一方面是可以作为磁钢装配过程的定位结构，另一方面可以实现转子磁导的调制，因为内转子铁芯的磁导远大于磁钢的磁导；减重孔的设置则在不影响内转子铁芯正常工作的情况下大大降低了自身重量，一方面提高了结构强度，另一方面也降低了制造成本；
(6)本发明中，外定子齿的宽度、外定子铁芯的轭部宽度以及外定子槽的宽度设置，由于采用磁场调制后，电机极数大幅度增加，每个磁极的磁通降低，磁场分布更加均匀，因此可以用较小的齿轭尺寸就可以实现磁力线的流通，而不会发生磁场饱和问题；
(7)本发明中，机器人关节手臂传动结构更加简化，整机重量更低，体积更小，系统惯量更小，动态响应能力更好；系统控制精度更高，传统技术路线的大减速比机械减速器国内制造技术落后，传动精度不高，且存在齿轮啮合间隙较大的弊端，控制精度不高，而本发明中，电机直接驱动关节手臂，齿轮啮合误差大幅度降低，伺服电机自带的高精度编码器可以直接反馈得到关节手臂的精确位置，因此在位置控制和速度控制方面准确性更高；系统传动效率更高，传统技术路线在齿轮啮合过程中存在摩擦损耗，而本发明提出的方法大幅度降低了齿轮啮合损耗，从而提高了系统传动效率。
附图说明
图1为背景技术中常规机械臂及其驱动结构的整体示意图；
图2为背景技术中常规伺服电机的电磁结构示意图；
图3为本发明的整体结构示意图；
图4为本发明中内转子铁芯的整体结构示意图；
图5为本发明中外定子铁芯的整体结构示意图。
其中：1、外定子铁芯；11、定子绕组；12、外定子齿；13、外定子槽；2、内转子铁芯；21、凸片；22、装配腔；23、减重孔；3、磁钢；4、髋关节伺服电机；5、肩关节伺服电机；6、肘关节伺服电机；7、腕关节伺服电机；8、指关节伺服电机。
具体实施方式
本实施例提供的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，结构如图3至5所示，包括同轴设置的外定子铁芯1、内转子铁芯2以及8极定子绕组11，内转子铁芯2嵌入至外定子铁芯1中，且两者之间留有气隙，外定子铁芯1沿自身圆周方向的内壁上等距间隔设有24个外定子齿12，相邻外定子齿12之间形成供定子绕组11安装的外定子槽13，外定子齿12的宽度与外定子铁芯1的轭部宽度的比值设置为1，外定子齿12的宽度与外定子槽13的宽度的比值设置为0.1。
内转子铁芯2沿自身圆周方向的外壁上等距间隔设置有40个凸片21，凸片21设置为硅钢片，相邻凸片21之间形成供磁钢3安装的装配腔22，相邻装配腔22内磁钢3的磁极相反，内转子铁芯2上沿自身圆周方向等距间隔开设有若干减重孔23，减重孔23的数量设置为10个。
凸片21设置为硅钢片，一方面是可以作为磁钢3装配过程的定位结构，另一方面可以实现转子磁导的调制，因为内转子铁芯2的磁导远大于磁钢3的磁导；减重孔23的设置则在不影响内转子铁芯2正常工作的情况下大大降低了自身重量，一方面提高了结构强度，另一方面也降低了制造成本。
外定子齿12的宽度、外定子铁芯1的轭部宽度以及外定子槽13的宽度设置，由于采用磁场调制后，电机极数大幅度增加，每个磁极的磁通降低，磁场分布更加均匀，因此可以用较小的齿轭尺寸就可以实现磁力线的流通，而不会发生磁场饱和问题。
对电机定转子之间的气隙磁场进行调制，经过调制后的磁场可以实现比传统永磁电机更多的极数，以及更低的转速和更大的扭矩，对于传统永磁伺服电机来说，电机永磁体N/S极的数量等于电机的极数，由于同步电机转速反比于电机极数，这就意味着在有限的空间内，当永磁体的数量无法增加的时候，伺服电机的转速就无法降低，扭矩增加也达到极限，但是本发明通过磁场调制的方式，可以在有限的空间内，调制出更多的磁场谐波，而这些谐波同样可以实现扭矩的输出，这样就突破了电机的物理极数限制导致的扭矩提升瓶颈，实现更低的转速和更大的扭矩输出，具有体积更小、效率更高、控制性能更好以及集成化和一体化程度更高的优点。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：包括同轴设置的外定子铁芯(1)、内转子铁芯(2)以及n极定子绕组(11)，内转子铁芯(2)嵌入至外定子铁芯(1)中，且两者之间留有气隙，外定子铁芯(1)沿自身圆周方向的内壁上等距间隔设有3n个外定子齿(12)，相邻外定子齿(12)之间形成供定子绕组(11)安装的外定子槽(13)；内转子铁芯(2)沿自身圆周方向的外壁上等距间隔设置有k*n个凸片(21)，k设置为大于1的整数，相邻凸片(21)之间形成供磁钢(3)安装的装配腔(22)，相邻装配腔(22)内磁钢(3)的磁极相反。
2.根据权利要求1所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述定子绕组(11)设置为8极，外定子槽(13)的数量设置为24个。
3.根据权利要求1所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述定子绕组(11)设置为8极，凸片(21)的数量设置为40个。
4.根据权利要求1所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述外定子齿(12)的宽度与外定子铁芯(1)的轭部宽度的比值设置为1。
5.根据权利要求4所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述外定子齿(12)的宽度与外定子槽(13)的宽度的比值设置为0.1-0.5。
6.根据权利要求5所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述外定子齿(12)的宽度与外定子槽(13)的宽度的比值设置为0.1。
7.根据权利要求3所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述凸片(21)设置为硅钢片。
8.根据权利要求1所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述内转子铁芯(2)上沿自身圆周方向等距间隔开设有若干减重孔(23)。
9.根据权利要求8所述的一种机器人手臂关节用磁场调制电机磁路结构，其特征在于：所述减重孔(23)的数量设置为m个，且m为凸片总数量k*n的约数。
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