CN115102310B - 一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机，包括外壳，所述外壳的后端固定安装有后端盖，贯穿后端盖设置有转轴，并且转轴穿过外壳的内侧，所述转轴的外表面固定套装有转子，所述外壳的内壁上固定连接有若干个环形阵列排布的定子，所述定子的端部开设有气隙调制槽，且所述定子的外表面设置有绕组，本方案运用在机械臂上可以取消谐波减速器，采用直接驱动的传动结构，大大简化了系统复杂度，关节结构更加紧凑，成本更低；并且基于此，也具备较好的散热效果，克服传统伺服电机难以进行散热的问题。

Description

一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机。

背景技术

随着国内用工成本提高，以及机器人技术的不断成熟，国内各行业对机器换人的需求愈发强烈。具权威机构统计，机器人的使用密度在2021年突破130台/万人，我国工业机器人应用发展速度，位居全球首位。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。

其中，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、并具有较高的可靠性、稳定性和较大的短时过载能力。在伺服系统领域，尽管国产伺服电机和驱动系统取得了一定突破，但国外产品依然占据并主导产业中高端，伺服电机系统作为机器人的核心零部件，已经成为制约我国机器人产业发展的主要瓶颈。机器人用伺服系统备受关注，也在一定程度上推动了相关企业在伺服系统领域的研究和发展。

国内外伺服电机产品中，欧系产品高度集成化，体积普遍较日系和国产的产品更小。在运动控制性能方面，西门子产品速度环频率响应为2kHz，安川为1.5kHz，多摩川为1.2kHz。总体上，欧系产品在高端应用领域更具优势，日系产品在小功率应用领域更具优势。另外，为提升机器人整体性能，提高关键部件的制造精度以及核心零部件集成化的趋势也十分明显，伴随而来的机电一体化设计和制造技术成为业界研究热点。日本哈默纳科提出“整体运动控制”，将谐波减速器与电机和传感器等进行组合集成；科尔摩根的RGM机器人关节模组，高度集成了无框力矩电机、专用谐波减速机、双反馈系统等功能模块，实现一步到位的机器人关节解决方案。总体来说，在高端伺服产品方面，国产与欧日产品差距仍然较大，主要体现在设计落后、制造工艺差、控制精度低、尺寸大及应用成本高、集成度不高。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+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。而国产谐波减速器受限于各方面原因，目前的技术成熟度有限，成本较高。为此，本发明提出一种采用磁场调制电机直驱机器人关节手臂的方法，取消减速器或者大幅度降低减速器速比，从而降低了机械制造的技术门槛，一方面降低了系统成本，另一方面使得关节手臂的传动系统更加简化，系统惯量降低，动态响应能力更好。由于取消或者大幅度简化了传动结构，使得系统传动误差降低，因为传统传动系统在齿轮啮合的过程中不可避免的存在机械公差和啮合间隙的问题，而采用直驱或者半直驱的技术路线以后，机械传递误差被大幅度降低了。综上，采用磁场调制直驱电机的技术路线，可以解决目前国内机器人行业在高精度谐波减速器领域的技术壁垒问题，具有明显的经济和社会意义。

目前机械臂的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。这里的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3Nm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。谐波减速器固然能够实现降速增扭的作用，但是也不可避免的增加了系统传动结构的复杂度。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中存在的缺点，而提出的一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机，包括外壳，所述外壳的后端固定安装有后端盖，贯穿后端盖设置有转轴，并且转轴穿过外壳的内侧，所述转轴的外表面固定套装有转子，所述外壳的内壁上固定连接有若干个环形阵列排布的定子，所述定子的端部开设有气隙调制槽，且所述定子的外表面设置有绕组；

所述转轴的外表面靠近后端盖的前方处设置有叶片组件，所述后端盖的侧表面设置有弹性密封件；

所述叶片组件在转轴正反转过程中均使得空气从前至后流动，后端盖内壁受气流冲击顶开弹性密封件后气流流出。

优选的，所述外壳的前端固定安装有法兰，所述转轴穿过法兰且相转动配合。

优选的，所述叶片组件包括固定套设在转轴外表面的内环、套设在内环外侧的外环、固定连接在内环与外环后边的连接架，所述内环与外环之间转动连接有若干个摆片，所述摆片的前端固定连接有连接轴，所述连接轴的上下端分别与外环以及内环转动配合，所述摆片远离转轴的一边固定连接有加重边。

优选的，所述连接轴穿出外环的一端固定连接有限位头，所述限位头的后表面延伸出连接块，所述外环的外表面对应连接块的两侧凸设有限位块。

优选的，所述后端盖的前表面设置有若干个导流弧板，所述导流弧板将气流引导至吹向弹性密封件。

优选的，所述弹性密封件包括插壳，所述后端盖的侧表面开设有插槽，所述插壳滑动插装至插槽的内侧，所述插壳的内侧固定连接有引导斜板，所述插壳的拐角处开设有圆角面，所述插壳的后表面开设有排出口，所述插壳上下边分别固定连接有凸出边，所述后端盖的外表面固定连接有凹型架，所述凸出边滑动插入至凹型架的内侧且之间设置有弹性机构。

优选的，所述弹性机构包括固定连接在凸出边侧表面的导柱、套设在导柱外侧的复位弹簧，所述导柱的端部滑动穿过凹型架的侧表面。

优选的，所述后端盖的后表面固定安装有罩壳，所述罩壳的内侧设置有编码器与抱闸，所述转轴的后端穿过抱闸的内侧。

优选的，所述罩壳的上表面开设有外接口，所述后端盖的后表面贯穿开设有过线孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、该技术通过电机内部的气隙调制槽、定子等技术手段，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，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，由于电机转子输出的转速能够直接满足机器人关节手臂的负载需求，因此就可以取消谐波减速器，采用直接驱动的传动结构，大大简化了系统复杂度，关节结构更加紧凑，成本更低。

2、在转轴工作即转动的过程中，由于气隙调制槽的存在，增加了内侧气流的流动的空间，此时摆片会发生转动，由于加重边的存在，使得摆片以连接轴为轴进行转动，倾斜的摆片转动时，将会使得气流朝向后方推动，推动的气流经过导流弧板的引导，吹向弹性密封件处，顶开后，弹性密封件将气流吹出，达到较好的散热效果。

3、在气流吹动时，气流进入至插壳的内侧，推动引导斜板，将插壳外顶，进而使得排出口移动至外部，此时，气流经过圆角面的引导，从排出口处排出，达到将热量排出的目的，而在内侧转轴停止工作中，在复位弹簧的作用下，使得插壳向着插槽的内侧移动，此时排出口不再暴露在外部，即保证了灰尘等不会渗入至插壳的内侧，保证单向排气，具备较好的散热效果，并且不会出现杂质进入电机内部的问题发生，确保正常工作的进行。

附图说明

图1为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的结构示意图；

图2为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的剖视图；

图3为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的局部结构图；

图4为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的局部正剖图；

图5为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的后端盖示意图；

图6为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的后端盖局部图；

图7为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的图6中A处放大图；

图8为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的插壳剖视图；

图9为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的另一视角的插壳剖视图；

图10为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的摆片处示意图；

图11为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的摆片处剖视图；

图12为本发明一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机的侧剖图。

1、外壳；2、后端盖；3、罩壳；4、法兰；5、转轴；6、转子；7、定子；8、气隙调制槽；9、绕组；10、外环；11、内环；12、连接架；13、摆片；14、连接轴；15、限位头；16、连接块；17、限位块；18、加重边；19、导流弧板；20、插槽；21、插壳；22、引导斜板；23、圆角面；24、排出口；25、凸出边；26、导柱；27、凹型架；28、复位弹簧；29、抱闸；30、编码器；31、外接口；32、过线孔。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

如图1-图12所示的一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机，包括外壳1，外壳1的后端固定安装有后端盖2，贯穿后端盖2设置有转轴5，并且转轴5穿过外壳1的内侧，转轴5的外表面固定套装有转子6，外壳1的内壁上固定连接有若干个环形阵列排布的定子7，定子7的端部开设有气隙调制槽8，且定子7的外表面设置有绕组9；

转轴5的外表面靠近后端盖2的前方处设置有叶片组件，后端盖2的侧表面设置有弹性密封件；

叶片组件在转轴5正反转过程中均使得空气从前至后流动，后端盖2内壁受气流冲击顶开弹性密封件后气流流出。

后端盖2的后表面固定安装有罩壳3，罩壳3的内侧设置有编码器30与抱闸29，转轴5的后端穿过抱闸29的内侧，均为电机中常见结构，不过多赘述。

罩壳3的上表面开设有外接口31，用来将接线引入，后端盖2的后表面贯穿开设有过线孔32，用来为定子7处的绕组9供电。

本方案运用在机械臂上可以取消谐波减速器，采用直接驱动的传动结构，大大简化了系统复杂度，关节结构更加紧凑，成本更低；并且基于此，也具备较好的散热效果，克服传统伺服电机难以进行散热的问题。

外壳1的前端固定安装有法兰4，转轴5穿过法兰4且相转动配合，法兰4便于与机械人关节动力安装面进行连接。

叶片组件包括固定套设在转轴5外表面的内环11、套设在内环11外侧的外环10、固定连接在内环11与外环10后边的连接架12，内环11与外环10之间转动连接有若干个摆片13，摆片13的前端固定连接有连接轴14，连接轴14的上下端分别与外环10以及内环11转动配合，连接轴14穿出外环10的一端固定连接有限位头15，限位头15的后表面延伸出连接块16，外环10的外表面对应连接块16的两侧凸设有限位块17，在摆片13摆动的过程中，连接块16转动后被限位块17挡住后就停止转动，所述摆片13远离转轴5的一边固定连接有加重边18，加重边18保证再外环10与内环11转动时，摆片13会绕着转轴5摆动。

后端盖2的前表面设置有若干个导流弧板19，导流弧板19将气流引导至吹向弹性密封件，起到引导气流流动的作用，显然，导流弧板19避开过线孔32位置设置，不得阻碍内部线路的布置。

弹性密封件包括插壳21，后端盖2的侧表面开设有插槽20，插壳21滑动插装至插槽20的内侧，插壳21的内侧固定连接有引导斜板22，插壳21的拐角处开设有圆角面23，插壳21的后表面开设有排出口24，插壳21上下边分别固定连接有凸出边25，后端盖2的外表面固定连接有凹型架27，凸出边25滑动插入至凹型架27的内侧且之间设置有弹性机构弹性机构包括固定连接在凸出边25侧表面的导柱26、套设在导柱26外侧的复位弹簧28，导柱26的端部滑动穿过凹型架27的侧表面，导柱26起到引导凸出边25移动的作用。

该技术通过电机内部的气隙调制槽8、定子7等技术手段，对电机定转子6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。由于电机转子6输出的转速能够直接满足机器人关节手臂的负载需求，因此就可以取消谐波减速器，采用直接驱动的传动结构，大大简化了系统复杂度，关节结构更加紧凑，成本更低。

在转轴5工作即转动的过程中，由于气隙调制槽8的存在，增加了内侧气流的流动的空间，此时摆片13会发生转动，由于加重边18的存在，使得摆片13以连接轴14为轴进行转动，倾斜的摆片13转动时，将会使得气流朝向后方推动，推动的气流经过导流弧板19的引导，吹向弹性密封件处，顶开后，弹性密封件将气流吹出，达到较好的散热效果。在气流吹动时，气流进入至插壳21的内侧，推动引导斜板22，将插壳21外顶，进而使得排出口24移动至外部，此时，气流经过圆角面23的引导，从排出口24处排出，达到将热量排出的目的，而在内侧转轴5停止工作中，在复位弹簧28的作用下，使得插壳21向着插槽20的内侧移动，此时排出口24不再暴露在外部，即保证了灰尘等不会渗入至插壳21的内侧，保证单向排气，具备较好的散热效果，并且不会出现杂质进入电机内部的问题发生，确保正常工作的进行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机，包括外壳（1），其特征在于：所述外壳（1）的后端固定安装有后端盖（2），贯穿后端盖（2）设置有转轴（5），并且转轴（5）穿过外壳（1）的内侧，所述转轴（5）的外表面固定套装有转子（6），所述外壳（1）的内壁上固定连接有若干个环形阵列排布的定子（7），所述定子（7）的端部开设有气隙调制槽（8），且所述定子（7）的外表面设置有绕组（9）；

所述转轴（5）的外表面靠近后端盖（2）的前方处设置有叶片组件，所述后端盖（2）的侧表面设置有弹性密封件；

所述叶片组件在转轴（5）正反转过程中均使得空气从前至后流动，后端盖（2）内壁受气流冲击顶开弹性密封件后气流流出；

所述叶片组件包括固定套设在转轴（5）外表面的内环（11）、套设在内环（11）外侧的外环（10）、固定连接在内环（11）与外环（10）后边的连接架（12），所述内环（11）与外环（10）之间转动连接有若干个摆片（13），所述摆片（13）的前端固定连接有连接轴（14），所述连接轴（14）的上下端分别与外环（10）以及内环（11）转动配合，所述摆片（13）远离转轴（5）的一边固定连接有加重边（18）；

所述连接轴（14）穿出外环（10）的一端固定连接有限位头（15），所述限位头（15）的后表面延伸出连接块（16），所述外环（10）的外表面对应连接块（16）的两侧凸设有限位块（17）；

所述后端盖（2）的前表面设置有若干个导流弧板（19），所述导流弧板（19）将气流引导至吹向弹性密封件；

所述弹性密封件包括插壳（21），所述后端盖（2）的侧表面开设有插槽（20），所述插壳（21）滑动插装至插槽（20）的内侧，所述插壳（21）的内侧固定连接有引导斜板（22），所述插壳（21）的拐角处开设有圆角面（23），所述插壳（21）的后表面开设有排出口（24），所述插壳（21）上下边分别固定连接有凸出边（25），所述后端盖（2）的外表面固定连接有凹型架（27），所述凸出边（25）滑动插入至凹型架（27）的内侧且之间设置有弹性机构；

所述弹性机构包括固定连接在凸出边（25）侧表面的导柱（26）、套设在导柱（26）外侧的复位弹簧（28），所述导柱（26）的端部滑动穿过凹型架（27）的侧表面。

2.根据权利要求1所述的一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机，其特征在于：所述外壳（1）的前端固定安装有法兰（4），所述转轴（5）穿过法兰（4）且相转动配合。

3.根据权利要求1所述的一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机，其特征在于：所述后端盖（2）的后表面固定安装有罩壳（3），所述罩壳（3）的内侧设置有编码器（30）与抱闸（29），所述转轴（5）的后端穿过抱闸（29）的内侧。

4.根据权利要求3所述的一种机器人关节手臂磁场调制直驱电机，其特征在于：所述罩壳（3）的上表面开设有外接口（31），所述后端盖（2）的后表面贯穿开设有过线孔（32）。

Images