CN1564435A - 机电集成超环面动力传动装置 - Google Patents

Abstract

一种机电集成超环面动力传动装置，是空间机械传动原理和电磁驱动原理的有机结合，集传动、驱动和控制于一体的机电集成装置。其环面蜗杆(2)是机电集成结构的主动零件，行星轮(1)的轮齿由永磁体(5)构成，加在环面蜗杆(2)两端的电压周期性变化形成环面旋转磁场以驱动行星轮(1)作空间行星运动，从而带动行星架(4)绕环面轴(11)转动，产生速度可调的大扭矩动力输出。机电集成超环面动力传动装置，加工容易、无接触、无磨损、无需润滑；结构紧凑、输出转矩和转速可控、而且响应速度快，可以取代伺服系统，使现有机电系统的结构组成大为简化。除要求结构紧凑的领域外，尚可用于控制精度要求高的技术领域。

Description

机电集成超环面动力传动装置

技术领域

本发明涉及一种动力传动原理及装置，尤其是机电结构集成一体化的动力传动原理及装置。

背景技术

超环面行星蜗杆传动将滚动接触技术与行星蜗杆传动技术融为一体，而兼有两者的优势，具有传动比大、噪音小、效率高和承载能力大等优点，该传动结构非常紧凑，可以在很小的空间内传递大扭矩，特别适于航空和航天等尖端技术领域。随着电子和控制等技术向机械领域的不断渗透，跨越传统机构组成概念，实现机、电与控制有机结合的广义复合传动已成为机械科学领域的国际性前沿课题。现有的广义复合传动机构还非常有限，具有结构集成特征的广义复合传动的种类则更少。其中电磁谐波传动和压电谐波传动以电磁力和压电力取代机械力控制柔轮和刚轮啮合，实现了驱动和传动的结构集成，属有源传动；永磁齿轮传动具有机械零件和磁性元件结构集成的特点，属无源传动，其显著特点是无接触啮合。

发明内容

本发明提出一种有源、无接触广义复合传动：机电集成超环面传动。给出一种集传动、驱动和控制于一体的机电集成方案，实现传统超环面行星蜗杆传动技术、驱动技术和控制技术的有机结合，给出一种新概念的机电集成广义复合传动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将电磁线圈装入环面蜗杆的螺旋槽中形成机电集成主动零件，以永久磁体代替行星轮轮齿形成集机械和电磁驱动于一体的传动零件，加在电磁线圈两端的电压周期性变化形成环面旋转磁场以驱动行星轮绕环形轴转动，进而驱动和环形轴固联为一体的行星架绕环面轴转动，从而实现运动和动力输出，产生可调的低速大扭矩的动力输出。

本发明的有益效果是：机电集成超环面传动加工容易，无接触、无磨损、无需润滑；由于机、电和控制集成结构的实现，结构更为紧凑、输出转矩和转速可控、而且响应速度快，可以取代伺服系统，使现有机电系统的结构组成大为简化。除上述航空、航天、军事和车辆等要求结构紧凑的领域外，尚可用于机器人控制和飞行器制导等控制精度要求高的技术领域，具有更为广阔的应用前景。

附图说明

图1是机电集成超环面动力传动原理图；

图1(a)是机电集成超环面动力传动啮合点A处法向展开图；

图1(b)是机电集成超环面动力传动啮合点B处切向展开图；

图1(c)是机电集成超环面动力传动啮合点B处法向展开图；

图2是机电集成超环面动力传动装置行星轮结构图；

图3是机电集成超环面动力传动装置环面蜗杆结构图；

图4是机电集成超环面动力传动装置定子的展开图；

图5是机电集成超环面动力传动装置定子的展开图；

图6是机电集成超环面动力传动装置结构图。

在图1、2、3、4、5、6中，1.行星轮，2.环面蜗杆，3.定子，4.行星架，5.永磁体，6.极间隔磁材料，7.转轴，8.不导磁紧圈，9.冲压硅钢片，10.下线槽，11.中心轴，12.非导磁材料圆柱体，13.螺旋形永磁体，14.非导磁圆环，15.非导磁圆环，16.左大端盖，17.轴承，18.旋转圆盘，19.螺钉，20.横梁，21.螺钉，22.右大端盖，  23.轴承，24.螺钉，25.端盖，26.螺钉，27.机架，25.端盖，26.导线孔，27.螺钉，28.机架，29.组合磁体。

在图1中，该传动由行星轮1、环面蜗杆2、定子3和行星架4等组成，环面蜗杆2固定不动，在其表面螺旋槽中布置若干电磁线圈；行星轮1以N极和S极相间的永磁体为轮齿；定子3则以N极和S极相间的磁性螺旋槽取代传统超环面传动的螺旋形齿槽。如果行星轮1的节距、定子3的螺旋槽数及其螺旋角、环面蜗杆2的旋转磁场极对数及其螺旋角之间满足一定关系，则在工作过程中将始终保持N极和S极相对，即可以通过行星轮与定子以及行星轮与环面蜗杆上N极和S极的相互吸引进行驱动，实现无齿啮合。当环面蜗杆2上的电磁线圈通入交流电时，将形成环面旋转磁场，驱动以永磁体5为轮齿的多个行星轮1转动，并通过行星轮永磁轮齿与定子上磁性螺旋槽的磁力啮合，驱动支撑行星轮1的行星架4转动，从而获得低速大扭距的动力输出。由基本电磁关系知电磁力F计算公式如下：

$F=\frac{1}{2}i{F}_g^2\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{d\ζ}}----\left(1\right)$

式中F_g表示磁势，F_g＝Ni；i表示流强度；N表示线圈匝数；Δζ表示磁极相互位移；Λ表示气隙比磁导。

由电磁理论知：如果定转子之间气隙大小不均匀，则气隙小处磁导大，气隙磁导在空间的分布是波动的，每经过一个磁极，气隙磁导分布变化一个周期。对于机电集成超环面传动而言，电磁场沿着环面蜗杆的环面螺旋线方向做周期性空间旋转，其与行星轮轮齿之间的气隙磁导也沿着该方向做周期性变化(见图1)。在行星轮轮齿与定子啮合处，沿着定子螺旋槽的垂直相切方向，由于气隙的周期性变化，气隙磁导分布也呈周期性变化；而沿着与定子螺旋槽的平行的相切方向，由于气隙保持为恒定，气隙磁导不变，保持为一恒定值。结合公式(1)和图1可知，当环面蜗杆2环面线圈中通以三相交流电时，环面蜗杆2与行星轮1之间气隙磁导的周期性变化将导致电磁力，此电磁力的合力可以驱使行星轮1随环面旋转磁场而旋转，见图1(a)；行星轮1轮齿与定子3沿定子螺旋槽垂直相切方向气隙磁导的周期性变化将限制行星轮1轮齿偏离螺旋槽，见图1(b)；而沿定子螺旋槽平行相切方向气隙磁导保持恒定则表明行星轮轮齿可以沿着该方向运动，见图1(c)；即行星轮轮齿将沿着定子螺旋槽做空间超环面运动。

行星轮1有一转轴7，永磁体5和极间隔磁材料6沿行星轮1的圆周相间隔布置，在行星轮的外表面套一个高强度不导磁紧圈8，以保证行星轮1高速运转(见图2)。极间隔磁材料6可采用铝、铜、热固性环氧胶等。

机电集成超环面动力传动装置的环面蜗杆2由冲压硅钢片9叠成，为了有更好的力能效果，尽可能的多地包容行星轮的齿数，环面蜗杆2做成圆环状。在环面蜗杆2圆周冲有下线槽10，在下线槽内分布线圈。为了使行星轮1能在其环面轴与环面蜗杆的中心轴11交错的位置下连续转动，要将安装线圈后的叠压硅钢片拧转一定角度(见图3)。

定子3有两种结构方案(见图4和图5)：机电集成超环面动力传动装置的定子3主要是为了通过在其内圆柱面上均匀分布的螺旋形永磁体引导行星轮转子有序公转的同时，给行星轮转子一个磁场力。环面蜗杆2接通三相交流点之后就会产生旋转磁场，这个旋转磁场与行星轮转子上的永磁体会有磁场力。这两个磁场力会对中心轴11形成一个平衡的力矩，这个力矩就推动行星轮转子连续公转。图4是在一个非导磁材料圆柱体12的内表面上，等距的安置N、S极交错的螺旋形磁体13，永磁体的磁化方向应该是在圆柱体的径向方向上。考虑到行星轮转子与定子之间没有接触，只需保证在一定的气隙范围内有足够的磁场力就可以了，就有了如图5所示的第二种结构。该结构是在两个尺寸一样的圆环14和圆环15之间联结N极S极相间的条状螺旋组合磁体29，这与图4所示结构相比，节省了材料，简洁了结构，不足之处在于降低了刚度。对于尺寸较大，形状不规则的永磁体制作起来比较困难，可以用高强度的导磁材料钢加工成螺旋条状，连接上下圆环之后，在它们外面相间均匀的贴上N极S极永磁体。这样，这些螺旋条就起到了螺旋条永磁体的作用。

具体实施方式

行星轮1支撑于行星架4上，行星架由借助于螺钉19固联于一体的横梁20和旋转圆盘18组成；由硅钢片和电磁线圈组成的环面蜗杆2支撑于一固定轴11上，并由螺钉27将中心轴11固联于端盖25上，端盖25由螺钉24固联于右大端盖22上，左大端盖16和右大端盖22分别由螺钉21固联于定子3上；定子3兼作机壳与机架28固联；中心轴11的右侧设有导线孔26，蜗杆线圈的三相交流电由此通入，机体内将形成空间旋转电磁场，驱动行星轮1转动，由于定子磁场对行星轮轮齿运动轨迹的限制，行星轮将作超环面运动，驱使行星架4绕环面轴转动，轴承17和23对于行星架的旋转起支承作用，从而由行星架4实现动力输出(见图6)。

如果行星轮1的节距、定子3的螺旋槽数及其螺旋角、环面蜗杆2的旋转磁场极对数及其螺旋角之间满足一定关系，则在工作过程中将始终保持N极和S极相对，即可以通过不同零件上N极和S极的相互吸引进行驱动，实现无齿啮合，并输出确定的转数而实现要求的传动比。

Claims (7)

1、一种机电集成超环面动力传动装置，其特征是：将空间机械传动原理和电磁驱动原理有机结合，集传动、驱动和控制于一体的机电集成装置，该装置的环面蜗杆(2)是主动零件，行星轮(1)的轮齿由永磁体(5)构成，加在环面蜗杆(2)两端的电压周期性变化形成环面旋转磁场以驱动行星轮(1)作空间行星运动，从而带动行星架(4)绕中心轴(11)转动，产生速度可调的大扭矩动力输出。

2、根据权利要求1所述的动力传动装置，其特征是：所述行星架(4)上安装行星轮(1)，螺钉(19)将行星架(4)安装在固联于一体的横梁(20)和旋转圆盘(18)上；所述环面蜗杆(2)由轴承支撑在固定轴(11)上，螺钉(27)将轴(11)固联于端盖(25)，端盖(25)由螺钉(24)固联在右大端盖(22)上，左大端盖(16)和右大端盖(22)分别由螺钉(21)固联在定子(3)上；定子(3)与机架(28)固联；固定轴(11)的右侧设有导线孔(26)，环面蜗杆(2)的线圈的三相交流电由此通入。

3、根据权利要求1所述的动力传动装置，其特征是：环面蜗杆(2)由硅钢片(9)叠成为圆环状，在环面蜗杆(2)圆周冲有螺旋分布的下线槽(10)，在其下线槽内布置线圈。

4、根据权利要求1所述的动力传动装置，其特征是：行星轮(1)有一转轴(7)，永磁体(5)和极间隔磁材料(6)沿行星轮(1)的圆周相间布置，其外表面套一个高强度不导磁紧圈(8)，以保证行星轮高速运转。

5、根据权利要求1所述的动力传动装置，其特征是：极间隔磁材料(6)可采用铝、铜和热固性环氧胶材料。

6、根据权利要求1所述的动力传动装置，其特征是：在定子(3)非导磁材料圆柱体(12)的内表面上，等距离布置N、S极交错的螺旋形永磁体(13)，螺旋形永磁体(13)的磁化方向在圆柱体的径向上。

7、根据权利要求1所述的动力输出装置，其特征是：定子(3)由两个尺寸一样的上圆环(14)和下圆环(15)之间联结N极S极相间的条状螺旋形组合磁体(29)组成，将高强度的导磁材料钢加工成螺旋条状，连接上圆环(14)、下圆环(15)之后，在它们外面相间均匀的贴上N极S极永磁体(15)。

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