CN116191767A - 一种能强制对流散热的关节电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能强制对流散热的关节电机，包括壳体，所述壳体内设置有外转子电机以及与所述外转子电机依次传动连接的一级行星减速机构、二级行星减速机构，所述一级行星减速机构的一级中心轮与所述二级行星减速机构的二级中心轮轴孔连通且与外界相通，所述二级中心轮上套设有叶轮，沿所述叶轮周向开设有贯穿所述叶轮及所述二级中心轮的第一径向气孔，所述外壳沿周向对应所述第一径向气孔的位置开设有第二径向气孔。本发明能够强制驱离关节电机内部较高温气体，并使外部较低温气体加速进入关节电机内部，加强对流交换，提高关节电机的强制对流散热性能。

Description

一种能强制对流散热的关节电机
技术领域
本发明涉及关节电机技术领域，具体涉及一种能强制对流散热的关节电机。
背景技术
目前，在足式机器人领域，关节电机由于重载低速的应用场景，内部的定、转子工作效率低、发热功率大，进一步导致关节电机的电气特性下降；关节电机温升高之后，亦会影响润滑脂的润滑效果、精密件的配合情况等，引起摩擦、振动及噪音的增大，进一步降低关节电机的机械特性。目前常用的解决办法是选用高性能定转子和驱动器，或者外部增加散热结构并辅以轴流风扇等强制换热。
公告号为CN112003421B的专利说明书中公开了一种高性能定子永磁式无轴承电机，通过设置的隔离环和导管的配合使用，可以将电机本体两端的轴承取消，避免转柱转动时与轴承之间产生摩擦，达到提高无轴承电机性能的目的；转柱贯穿隔离环的内部靠近中间的位置，若干个导管固定连接在第二连接轴环的内表面，使得转柱转动时不与隔离环直接接触，转子铁芯、定子铁芯和定子绕组工作时产生第一热量，通过若干个散热扇叶的转动，第一热量通过散热网传送至电机本体的外部。
公告号为CN214674758U的专利说明书中公开了一种机器人电机智能散热装置，包括机器人电机，所述机器人电机经通气管与空气压缩机连接；所述机器人电机设有与所述通气管相连的进气嘴及排气口，所述空气压缩机设有与高速风扇连通的分气室，所述分气室设有与所述通气管相连的出气嘴；还包括计算机，所述计算机与所述机器人电机内设有的传感器相连，依据所述传感器传输的信息控制所述高速风扇的运转。
上述现有技术中，方法一是通过提升电气性能提高电机工作效率，高性能电气元件会大幅度提升关节电机的成本，并使关节电机的设计严重受限于电气元件的结构；方法二实现结构简单、成熟，但对于结构紧凑性要求极高的足式机器人而言，由于关节电机数量多，安装难度极大，会造成机器人整机重量和体积的大幅度上升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能强制对流散热的关节电机，能够强制驱离关节电机内部较高温气体，并使外部较低温气体加速进入关节电机内部，加强对流交换，提高关节电机的强制对流散热性能。
一种能强制对流散热的关节电机，包括壳体，所述壳体内设置有外转子电机以及与所述外转子电机依次传动连接的一级行星减速机构、二级行星减速机构，所述一级行星减速机构的一级中心轮与所述二级行星减速机构的二级中心轮轴孔连通且与外界相通，所述二级中心轮上套设有叶轮，沿所述叶轮周向开设有贯穿所述叶轮及所述二级中心轮的第一径向气孔，所述外壳沿周向对应所述第一径向气孔的位置开设有第二径向气孔。
本方案中，关节电机内部有贯穿关节电机的中心轴向气路，周向开设了径向气路，中心轴向气路与径向气路相连形成散热气路，通过内置叶轮的转动，将关节电机运行产生的热量通过空气对流带出，实现对关节电机的降温，提升关节电机工作效率和使用寿命，降低运行噪音。
作为优选，所述外转子电机包括电机转子支撑架、外转子电机转子和外转子电机定子，所述外转子电机定子同轴设置于所述外转子电机转子内侧，所述外转子电机转子与所述电机转子支撑架的外圈同轴固结，所述一级中心轮与所述电机转子支撑架的内圈同轴固结。
作为优选，所述一级中心轮的两端分别与所述壳体及所述二级中心轮的端部转动连接，所述一级行星减速机构还包括同轴固结于所述壳体内的一级齿圈、若干周向均布于所述一级中心轮与所述一级齿圈之间且分别与所述一级齿圈及所述一级中心轮上齿轮啮合的一级行星轮以及用于将所述一级行星轮限位于所述二级中心轮的端部上的一级行星轮压紧端盖组件。
进一步优选，所述一级行星轮压紧端盖组件包括固定在所述二级中心轮的端部上的一级行星轮压紧端盖以及与各所述一级行星轮对应的第一转轴，所述一级行星轮转动设置于所述第一转轴上，所述第一转轴的两端分别与所述一级行星轮压紧端盖和所述二级中心轮固连。
作为优选，所述二级行星减速机构还包括同轴转动设置于壳体内的二级行星轮架、同轴固结于所述壳体内的二级齿圈、若干周向均布于所述二级中心轮与所述二级齿圈之间且分别与所述二级齿圈及所述二级中心轮上齿轮啮合的二级行星轮以及用于将所述二级行星轮限位于所述二级行星轮架上的二级行星轮压紧端盖组件，所述二级中心轮的两端分别与所述壳体及所述二级行星轮架转动连接。
进一步优选，所述二级行星轮压紧端盖组件包括固定在所述二级行星轮架上的二级行星轮压紧端盖及与各所述二级行星轮对应的第二转轴，所述二级行星轮转动设置于所述第二转轴上，所述第二转轴的两端分别与所述二级行星轮压紧端盖和所述二级行星轮架固连。
作为优选，所述壳体靠近所述一级行星减速机构侧的端部上设置有凹槽，所述凹槽内设置有与所述一级中心轮同轴固连的绝对值编码器动盘安装座、固定在所述绝对值编码器动盘安装座上的绝对值编码器动盘以及与所述绝对值编码器动盘间隔设置的绝对值编码器静盘；所述绝对值编码器动盘安装座的中心孔与所述一级中心轮及所述二级中心轮的轴孔连通。
本方案中，绝对值编码器动盘通过绝对值编码器动盘安装座与一级中心轮同轴固连并随动，绝对值编码器动盘和绝对值编码器静盘保持一定范围内的距离，实现关节电机转动位置及速度信息的上报。
作为优选，所述叶轮采用直叶叶轮。
本发明的有益效果：
(1)利用轴向和径向气孔，通过内置叶轮的转动，将关节电机运行产生的热量通过空气对流带出，实现对关节电机的降温，提升关节电机工作效率和使用寿命，降低运行噪音。
(2)两级行星减速机构的中心轮和行星轮都采用两端支撑结构，保证行星轮轴心与中心轮轴心的平行度，提高运动平稳性。
(3)直叶叶轮为随动结构，无需额外驱动电路，结构紧凑。
附图说明
图1为本发明的剖视图；
图2为本发明散热气路的结构示意图；
图3为两级行星减速机构的结构示意图；
图4为一级中心轮与二级中心轮配合的结构示意图；
图5为直叶叶轮结构示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
如图1、3和4所示，一种能强制对流散热的关节电机，包括壳体，壳体具体包括依次连接的输入端端盖1、齿圈支撑18及输出端端盖20；壳体内设置有外转子电机以及与外转子电机依次传动连接的一级行星减速机构、二级行星减速机构，具体地，一级行星减速机构包括一级中心轮7，二级行星减速机构包括二级中心轮25，外转子电机依次与一级中心轮7、二级中心轮25传动连接。
外转子电机包括电机转子支撑架14、外转子电机转子15和外转子电机定子16，外转子电机定子16与齿圈支撑18同轴固结，具体地，齿圈支撑18靠近一级行星减速机构侧设置有凸环，外转子电机定子16套设在凸环上，外转子电机定子16同轴设置于外转子电机转子15内侧，外转子电机转子15与电机转子支撑架14的外圈同轴固结，电机转子支撑架14的内圈与一级中心轮7同轴螺钉固结。通电后，外转子电机转子15带动与电机转子支撑架14固结的一级中心轮7高速低扭矩转动，一级中心轮7的转动通过两级行星减速，最终完成低速高扭矩输出。
一级行星减速机构还包括同轴固结于齿圈支撑18内的一级齿圈13、三个周向均布于一级中心轮7与一级齿圈13之间且分别与一级齿圈13及一级中心轮7上齿轮啮合的一级行星轮10以及用于将一级行星轮10限位于二级中心轮25的端部上的一级行星轮压紧端盖组件。
具体地，一级中心轮7两端分别通过61800轴承6和6705轴承9转动设置于齿圈支撑18内以及二级中心轮25的端部内形成双点支撑；一级行星轮压紧端盖组件包括固定在二级中心轮25的端部上的一级行星轮压紧端盖8以及与三个一级行星轮10对应的第一转轴11，一级行星轮10通过两个4x8x3微型轴承12转动设置于第一转轴11上，第一转轴11的一端通过螺钉固定在二级中心轮25端部上，另一端通过螺钉固定在一级行星轮压紧端盖8上。
二级行星减速机构还包括同轴转动设置于输出端端盖20内的二级行星轮架27、同轴固结于齿圈支撑18内的二级齿圈21、三个周向均布于二级中心轮25与二级齿圈21之间且分别与二级齿圈21及二级中心轮25上齿轮啮合的二级行星轮22以及用于将二级行星轮22限位于二级行星轮架27上的二级行星轮压紧端盖组件。
具体地，二级中心轮25的两端分别通过6707轴承17和7000C轴承26转动设置于齿圈支撑18内及二级行星轮架17上形成双点支撑；二级行星轮架27通过交叉滚子轴承19转动设置于输出端端盖20内，具体地，交叉滚子轴承19内圈与二级行星轮架27配合，外圈与输出端端盖20配合并被轴向压紧，提高二级行星轮架27在输出扭矩过程中的抗弯矩能力，也即最终由二级行星轮架27完成低速高扭矩输出；二级行星轮压紧端盖组件包括固定在二级行星轮架27上的二级行星轮压紧端盖24及与三个二级行星轮22对应的第二转轴，第二转轴具体为一体成型于二级行星轮架27上的凸轴2711，二级行星轮通过两个6x12x4微型轴承23转动设置于凸轴2711上，凸轴2711的另一端通过螺钉固定在二级行星轮压紧端盖24上。二级行星轮压紧端盖24上还设置有6710轴承28，具体地，6710轴承28的内圈与二级行星轮压紧端盖24配合，外圈与齿圈支撑18配合并被轴向压紧。
上述中心轮和行星轮都采用两端支撑结构，保证行星轮轴心与中心轮轴心的平行度，提高运动平稳性，同时61800轴承6和7000C轴承26保证一级中心轮7、二级中心轮25和二级行星轮架27之间的差速运动并填充间隙，有利于空气在轴心孔内流动。
本实施例中，输入端端盖1远离一级行星减速机构侧的端部上设置有凹槽，凹槽内设置有与一级中心轮7同轴固连的绝对值编码器动盘安装座5、固定在绝对值编码器动盘安装座5上的绝对值编码器动盘3以及与绝对值编码器动盘3间隔设置的绝对值编码器静盘4；具体地，输入端端盖1的凹槽内设置有凸台，绝对值编码器静盘4位于凸台上并与输入端端盖1固连，从而实现和齿圈支撑18同轴固连，输入端端盖1上还安装有用于封装凹槽的编码器保护盖2，用于对绝对值编码器静盘4的保护；绝对值编码器动盘3通过绝对值编码器动盘安装座5与一级中心轮7同轴固连并随动，绝对值编码器动盘3和绝对值编码器静盘4保持一定范围内的距离，实现关节电机转动位置及速度信息的上报。
二级中心轮25上套设有直叶叶轮29，直叶叶轮29具体由对称分布的两部分构成且与二级中心轮25共轴心固连；沿直叶叶轮29周向开设有贯穿直叶叶轮29及二级中心轮25的第一径向气孔，第一径向气孔具体为轴向设置在直叶叶轮29及二级中心轮25上的径向腰孔2911；如图5所示，径向腰孔2911有多个，用于气体的对流进出，直叶叶轮29的直叶2912有多个，二级中心轮25正转或者反转时，可以保证被扰动的气体沿径向流动；直叶叶轮29具体通过其上的多个安装孔2913与二级中心轮25固连。
此外，绝对值编码器动盘安装座5、一级中心轮7、二级中心轮25以及二级行星轮架27上均具有中心孔，绝对值编码器动盘安装座中心孔511、一级中心轮中心孔711、二级中心轮中心孔2511与二级行星轮架中心孔2712同轴连通构成中心轴向气路，且均与径向腰孔2911(第一径向气孔)连通，如图2所示；齿圈支撑18沿周向对应径向腰孔2911的位置开设有第二径向气孔1811。直叶叶轮29随二级中心轮25转动，扰动中心轴向气路内的热气体，加强对流效果，实现强制对流散热；
齿圈支撑18与关节电机的主要发热元件外转子电机定子16固连，通过热传导吸收热量后升温，由于温度梯度，中心轴向气路内的热气体通过第二径向气孔1811流出，较低温气体通过径向腰孔2911流入，实现对流散热。
需要注意的是，本发明关节电机，由于散热气路的存在，不适宜用于多粉尘工况下，否则粉尘侵入行星齿轮的啮合面后会引起摩擦力的增加，关节电机传动效率下降。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种能强制对流散热的关节电机，包括壳体，其特征在于，所述壳体内设置有外转子电机以及与所述外转子电机依次传动连接的一级行星减速机构、二级行星减速机构，所述一级行星减速机构的一级中心轮与所述二级行星减速机构的二级中心轮轴孔连通且与外界相通，所述二级中心轮上套设有叶轮，沿所述叶轮周向开设有贯穿所述叶轮及所述二级中心轮的第一径向气孔，所述外壳沿周向对应所述第一径向气孔的位置开设有第二径向气孔。
2.根据权利要求1所述的关节电机，其特征在于，所述外转子电机包括电机转子支撑架、外转子电机转子和外转子电机定子，所述外转子电机定子同轴设置于所述外转子电机转子内侧，所述外转子电机转子与所述电机转子支撑架的外圈同轴固结，所述一级中心轮与所述电机转子支撑架的内圈同轴固结。
3.根据权利要求1所述的关节电机，其特征在于，所述一级中心轮的两端分别与所述壳体及所述二级中心轮的端部转动连接，所述一级行星减速机构还包括同轴固结于所述壳体内的一级齿圈、若干周向均布于所述一级中心轮与所述一级齿圈之间且分别与所述一级齿圈及所述一级中心轮上齿轮啮合的一级行星轮以及用于将所述一级行星轮限位于所述二级中心轮的端部上的一级行星轮压紧端盖组件。
4.根据权利要求3所述的关节电机，其特征在于，所述一级行星轮压紧端盖组件包括固定在所述二级中心轮的端部上的一级行星轮压紧端盖以及与各所述一级行星轮对应的第一转轴，所述一级行星轮转动设置于所述第一转轴上，所述第一转轴的两端分别与所述一级行星轮压紧端盖和所述二级中心轮固连。
5.根据权利要求1所述的关节电机，其特征在于，所述二级行星减速机构还包括同轴转动设置于壳体内的二级行星轮架、同轴固结于所述壳体内的二级齿圈、若干周向均布于所述二级中心轮与所述二级齿圈之间且分别与所述二级齿圈及所述二级中心轮上齿轮啮合的二级行星轮以及用于将所述二级行星轮限位于所述二级行星轮架上的二级行星轮压紧端盖组件，所述二级中心轮的两端分别与所述壳体及所述二级行星轮架转动连接。
6.根据权利要求5所述的关节电机，其特征在于，所述二级行星轮压紧端盖组件包括固定在所述二级行星轮架上的二级行星轮压紧端盖及与各所述二级行星轮对应的第二转轴，所述二级行星轮转动设置于所述第二转轴上，所述第二转轴的两端分别与所述二级行星轮压紧端盖和所述二级行星轮架固连。
7.根据权利要求1所述的关节电机，其特征在于，所述壳体靠近所述一级行星减速机构侧的端部上设置有凹槽，所述凹槽内设置有与所述一级中心轮同轴固连的绝对值编码器动盘安装座、固定在所述绝对值编码器动盘安装座上的绝对值编码器动盘以及与所述绝对值编码器动盘间隔设置的绝对值编码器静盘；所述绝对值编码器动盘安装座的中心孔与所述一级中心轮及所述二级中心轮的轴孔连通。
8.根据权利要求1所述的关节电机，其特征在于，所述叶轮采用直叶叶轮。
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