CN207200476U - 一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，包括：永磁伺服电机：包括转子，以及安装在所述转子外部的定子，在定子的内圆面上还开设有多个定子槽，每个定子槽内均设置由线圈组成并由外部供电形成旋转磁场的定子绕组；行星滚柱丝杠副：包括啮合的行星滚柱、行星丝杠和行星螺母，其中，行星螺母作为所述永磁伺服电机的转子，其外表面上嵌入有提供转子磁场的永磁体，在行星螺母两端还安装有与定子连接的轴承组件。与现有技术相比，本实用新型实现了机械传动装置与电力驱动系统最大程度的融合，将永磁同步电机转子与行星滚柱丝杠副螺母的集成，实现线性执行器由永磁同步伺服系统直接驱动，传动效率以及响应速度高，重复定位精度高。

Description

一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统

技术领域

本实用新型涉及一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，尤其是涉及一种基于行星滚柱丝杠副与永磁同步电机的机电一体化直线作动系统。

背景技术

机电一体化的直线作动系统，通常都是以电机提供动力，经减速传动装置、将扭矩传递到执行机构，最终将旋转运动转化为直线运动，将扭矩转化为直线推力。现有技术如实用新型专利号ZL03249715.6提出的机电作动器，总体是以普通的伺服电机为动力源，以两级齿轮减速，将电机扭矩输出至行星滚柱丝杠副的丝杠轴，以丝杠的旋转运动带动行星螺母往复运动，并实现将电机扭矩转换为直线推力来输出。该机电一体直线传动装置，传动级数较多，对传动齿轮的精度要求较高，必须通过在线性执行器上安装伺服闭环定位控制系统才能满足高定位精度要求；另外速度响应由于齿轮传动系统存在间隙等因素的影响存在一定的延迟；各传动组件的空间布置存在一定的局限型，不能充分发挥行星滚柱丝杠副结构紧凑、响应速度快的优点，力的输出点也只有一处，系统应用柔性较差。其他的以行星滚柱丝杠副为核心执行器的线性作动系统，同样采用类似的原理，中间的齿轮减速传动系统多以同步带轮以及行星减速器代替，同样未能充分发回行星滚柱丝杠副传动性能的潜力。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，包括：

永磁伺服电机：包括转子，以及安装在所述转子外部的定子，在定子的内圆面上还开设有多个定子槽，每个定子槽内均设置由线圈组成并由外部供电形成旋转磁场的定子绕组；

行星滚柱丝杠副：包括啮合的行星滚柱、行星丝杠和行星螺母，其中，行星螺母作为所述永磁伺服电机的转子，其外表面上嵌入有提供转子磁场的永磁体，在行星螺母两端还安装有与定子连接的轴承组件。

优选的，所述的行星螺母的一端还安装有感知转子内永磁体位置的霍尔感应磁铁，所述的定子上还固定有霍尔传感器；

转子与定子发生相对旋转时，霍尔感应磁铁掠过霍尔传感器，霍尔传感器产生电平时序，即可判断当前转子的位置。

优选的，所述的行星螺母的外圆表面上还加工有多个扇形开口槽，在所述扇形开口槽内镶嵌有所述永磁体。

更优选的，所述的扇形开口槽与永磁体的数量为偶数个。

优选的，所述的行星螺母的外表面呈台阶状，其台阶端面抵住所述轴承组件的一端，所述轴承组件的另一端通过固定设置在定子端部的锁紧螺母锁住限定。

优选的，所述的轴承组件包括依次抵接的第一轴承件、垫片和第二轴承件，其中，第一轴承件的端部还抵接所述行星螺母，第二轴承件的端部还抵接所述锁紧螺母。

与现有技术相比，本实用新型实现了机械传动装置与电力驱动系统最大程度的融合，通过将永磁同步电机转子与行星滚柱丝杠副的行星螺母的集成，实现了线性执行器由永磁同步伺服系统直接驱动的过程，传动效率以及响应速度高，重复定位精度高。

附图说明

图1为本实用新型的轴向剖面示意图；

图2为本实用新型的径向剖面示意图；

图3为本实用新型的一种单作用输出运作方式；

图4为本实用新型的另一种单作用输出运作方式；

图5为本实用新型的双作用输出运作方式；

图中，1-行星丝杠，2-行星滚柱，3-行星螺母，4-永磁体，5-定子，6-第一轴承件，7-第二轴承件，8-锁紧螺母，9-霍尔传感器，10-霍尔感应磁铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型将伺服驱动系统与高传动性能的行星滚柱丝杠副最大程度的集成为一体，将电机的旋转运动转化成直线往复运动。其结构特点为：行星滚柱丝杠副的行星螺母3作为永磁同步电机的转子，其外表面嵌入永磁体4，外部安装有永磁伺服电机的定子5。定子5除了提供旋转磁场与转子磁场耦合产生扭矩输出以外，还通过安装在行星螺母3两端的轴承组件将行星滚柱丝杠副螺旋传动转化过来的直线推力由此输出。

行星滚柱丝杠副本身是一种行星传动与螺旋传动相耦合的机械传动转置，不同于普通的滚珠丝杠副，其螺母外圆上不需要安装循环返向装置，在行星螺母3上嵌入永磁体4可以将整个线性执行器的空间尺寸压缩，充分体现了行星滚柱丝杠副结构紧凑的优点。

永磁同步电机是现代伺服电机系统的核心。与传统的电励磁电机相比，安装有稀土永磁体4的永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样的显著优点。因为不同与一般的感应电机且无须转子定子绕组，因此可以将电机转子空心化，以此来满足不同驱动系统的安装需求。永磁同步电机的定子5内圆开有多个定子槽、每个槽内都有一定的线圈组成了定子绕组，这一点与普通感应电机的定子5类似，不过在定子绕组的分布上存在一定的差别，大多数永磁同步电机的定子5上有3个呈星形排列的定子绕组，每个定子绕组又由多个内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个定子绕组分布在定子5 的周围组成了偶数个磁极。定子绕组可以分为梯形和正弦两种定子绕组，它们的根本区别在于由于定子绕组的不同连接方式是他们产生的反电动势不同，分别呈现梯形和正弦波形。此外，可以根据不同的电压范围选用不同的永磁同步电机系统：48V 及其以下应用的电压可以用在阀门执行器、机器人、小型机械臂等方面；100V及其以上的电机可以应用在专用装置、自动控制以及工业伺服领域。与有刷直流驱动系统不同，永磁同步电机使用的是电子换向方式换向。永磁同步电机的高精度运转必须按照一定的顺序给定子绕组通电，而这个过程必须检测转子(行星螺母3)转过的角度，以便按照通电次序给相应的定子绕组线圈通电。检测转子的位置是由安装在定子5上的几组霍尔传感器9感知的，当镶嵌在转子上的磁极(即霍尔感应磁铁10)掠过霍尔元器件(即霍尔传感器9)时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高低电平，以此根据霍尔元器件组产生的电平时序就可以判断当前转子的位置，并相应的而对定子绕组进行通电。本实用新型在作为转子的行星螺母3 的一端安装有霍尔感应磁铁10，在定子5上安装霍尔传感器9。该方式降低了外部驱动系统的复杂程度，但由于其对安装精度有较高的要求，今年来主流伺服控制系统除了采用霍尔元器件来实现永磁伺服电机的换相过程以外，也出现了一种采用“反电势过零检测法”的无位置传感器控制方法，本实用新型可将线性作动系统两端的霍尔位置传感器去除，通过外部驱动系统算法来实现永磁同步电机的换相过程。

图1、2描述的是基于行星滚柱丝杠副与永磁同步电机的机电一体化直线作动系统的内部结构：其中行星螺母3、行星滚柱2、行星螺母3是行星滚柱丝杠副的三种基本的组成部件；在行星螺母3的外圆表面加工一定数目的扇形开口槽，用以镶嵌永磁体4，永磁体4的数目一般为偶数，用以形成转子耦合磁场；永磁同步电机的定子5可作为线性执行器的推力输出部分，其内圆表面开有一定数目的定子绕组槽，用以镶嵌定子绕组。在转子螺母的一端可镶嵌磁铁，配合安装在定子5上的霍尔传感器9，实现永磁同步电机的电子换向。作为永磁同步电机的转子的行星滚珠丝杠副螺母与永磁同步电机的定子5通过轴承组件连接以实现旋转运动以及推力的稳定输出。

图3至图5说明的是基于行星滚柱丝杠副与永磁同步电机的机电一体化直线作动系统的可应用的运作方式；

图3描述的是一种单作用推力输出方式，其中的行星滚柱丝杠副的丝杠是固定不动的，而行星螺母3作为整个线性执行器的转子，既做旋转运动又做轴向的线性移动，当然其转速与轴向移动速度是存在一定的倍率关系的，通过永磁同步电机的定子5座将轴向推力输出。

图4描述的也是一种单作用推力输出方式，不同与图3运作方式的是行星滚柱丝杠副的丝杠不可旋转但是可轴向移动，行星螺母3作为整个线性执行器的转子，仅做旋转运动不做轴向的线性移动，推力输出端是行星滚柱丝杠副的丝杠，其移动速度与永磁同步电机的转子的旋转速度存在一定的倍率关系。

图5描述的是一种双(多)作用推力输出方式，之所以称之为双作用，是因为其在一根行星滚柱丝杠副的丝杠上安装有两套甚至多套的永磁同步电机伺服系统，几段丝杠的导程与公称直径可不同，因此其输出的推力也可不同；多套永磁同步电机各自独立运作，负载能力强，可灵活实现多种运作方式，该种线性作动器在航空航天、实验检测装置、智能运动系统可以得到很广泛的应用。

实施例1

一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，其结构参见图1和图2，包括：

永磁伺服电机：包括转子，以及安装在转子外部的定子5，在定子5的内圆面上还开设有多个定子槽，每个定子槽内均设置由线圈组成并由外部供电形成旋转磁场的定子绕组；转子的一端还安装有感知转子内永磁体4位置的霍尔感应磁铁10，定子5上还固定有霍尔传感器9；转子与定子5发生相对旋转时，霍尔感应磁铁10 掠过霍尔传感器9，霍尔传感器9产生电平时序，即可判断当前转子的位置。

行星滚柱丝杠副：包括啮合的行星滚柱2、行星丝杠1和行星螺母3，其中，行星螺母3作为永磁伺服电机的转子，其外表面上嵌入有提供转子磁场的永磁体4，在行星螺母3两端还安装有与定子5连接的轴承组件。行星螺母3的外圆表面上还加工有偶数个扇形开口槽，在扇形开口槽内镶嵌有永磁体4。行星螺母3的外表面呈台阶状，其台阶端面抵住轴承组件的一端，轴承组件的另一端通过固定设置在定子5端部的锁紧螺母8锁住限定。轴承组件包括依次抵接的第一轴承件6、垫片和第二轴承件7，其中，第一轴承件6的端部还抵接行星螺母3，第二轴承件7的端部还抵接锁紧螺母8。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，其特征在于，包括：

永磁伺服电机：包括转子，以及安装在所述转子外部的定子(5)，在定子(5)的内圆面上还开设有多个定子槽，每个定子槽内均设置由线圈组成并由外部供电形成旋转磁场的定子绕组；

行星滚柱(2)丝杠副：包括啮合的行星滚柱(2)、行星丝杠(1)和行星螺母(3)，其中，行星螺母(3)作为所述永磁伺服电机的转子，其外表面上嵌入有提供转子磁场的永磁体(4)，在行星螺母(3)两端还安装有与定子(5)连接的轴承组件。

2.根据权利要求1所述的一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，其特征在于，所述的行星螺母(3)的一端还安装有感知转子内永磁体(4)位置的霍尔感应磁铁(10)，所述的定子(5)上还固定有霍尔传感器(9)；

转子与定子(5)发生相对旋转时，霍尔感应磁铁(10)掠过霍尔传感器(9)，霍尔传感器(9)产生电平时序，即可判断当前转子的位置。

3.根据权利要求1所述的一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，其特征在于，所述的行星螺母(3)的外圆表面上还加工有多个扇形开口槽，在所述扇形开口槽内镶嵌有所述永磁体(4)。

4.根据权利要求3所述的一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，其特征在于，所述的扇形开口槽与永磁体(4)的数量为偶数个。

5.根据权利要求1所述的一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，其特征在于，所述的行星螺母(3)的外表面呈台阶状，其台阶端面抵住所述轴承组件的一端，所述轴承组件的另一端通过固定设置在定子(5)端部的锁紧螺母(8)锁住限定。

6.根据权利要求5所述的一种行星滚柱丝杠副机电一体化直线作动系统，其特征在于，所述的轴承组件包括依次抵接的第一轴承件(6)、垫片和第二轴承件(7)，其中，第一轴承件(6)的端部还抵接所述行星螺母(3)，第二轴承件(7)的端部还抵接所述锁紧螺母(8)。