雙轉子徑向驅動式嚙合電機的製作方法

2023-12-10 07:03:22 4

專利名稱：雙轉子徑向驅動式嚙合電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙轉子徑向驅動式嚙合電機，確切地說，涉及一種利用定子與轉 子之間磁阻的變化，將電能轉換為機械能，再輔以偏心軸平動約束副的機構，使得轉子繞定 子作圓周切線方向的平動，並由轉子帶動內嚙合齒輪減速機構輸出低速、大轉矩的嚙合電 機，屬於電力驅動設備的技術領域。
背景技術：
近年來，在將新型減速機構與電機進行一體化的開發研究方面，國內外都取得了 很好的進展。例如，把電機與諧波減速機二者合併在一起，使得輸出力矩增加而結構尺寸顯 著減小。日本科技人員採用基於齒輪嚙合的減速傳動原理，已經開發出多種不同結構類型 的電機。如壓電擺線電機，它是通過一對擺線齒輪的嚙合，將壓電驅動器的伸縮運動轉換 為轉子的轉動，再依靠壓電驅動器輸出的驅動力推動擺線電機旋轉而輸出扭矩。壓電擺線 電機的減速比是其轉子與定子齒數的差值與轉子的齒數之比，減速比很高。同時，因齒輪齧 合傳動的摩擦損失小、傳動效率高，因此壓電擺線電機與依靠定轉子之間的摩擦力來輸出 低轉速、大扭矩的超聲波與諧波電機相比較，前者效率高，使用壽命更長。近年來，由於齒輪嚙合傳動的優勢，先後研製成功多種將齒輪嚙合與不同類型的 驅動器相結合的低速大扭矩電機。例如通過橡膠變形驅動的擺線電機、通過氣缸驅動的錐 齒輪電機、依靠液壓缸驅動的端面齒輪電機、電磁擺線電機和電磁錐齒輪電機等等。上述電 機都具有效率高、精度好、磨損小、體積小、結構緊湊的優點，並在機器人的驅動裝置中得到 了很好的應用。但是，上述各種電機大都是將驅動器直接與轉子、定子相互連接，並未形成一體化 機構，因此結構仍不緊湊。採用氣缸和液壓缸驅動的電機，除了需要電力驅動設備以外，還 需要額外的壓縮空氣或液壓作為動力源。壓電或超磁致伸縮材料驅動的電機，則因其驅動 器的作用行程太短(僅為微米級)，很難具備實用價值。為滿足定子運動行程的實際需求， 還要增加一套槓桿，以增大其作用行程。然而，用於低速驅動和負載較大的場合的電機都要 安裝減速器及其相關部件，這樣就增加了驅動裝置的構件和重量，結構太複雜、不實用。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種雙轉子徑向驅動式嚙合電機，該電機是以電 磁力作為驅動力，將齒輪內嚙合傳動機構作為減速輸出部件的低轉速、大轉矩的平動式齧 合電機，本發明較好地解決了現有電機存在的各種缺陷，是一種結構簡單、緊湊和實用的齒 輪嚙合傳動電機。為了達到上述發明目的，本發明提供了一種雙轉子徑向驅動式嚙合電機，是將電 機和減速機集成為一體的大轉矩、低轉速的電動機，設有電機的定子、轉子，齒輪減速機的 內齒圈和外齒輪，由磁極的轉子與內、外轉子固定架及內、外轉子支架和偏心軸構成的平動 約束機構，以及機殼及其兩端的端蓋；其中外齒輪固裝在主軸上，藉由與外齒輪嚙合的內齒圈的公轉運動，使得外齒輪帶動主軸輸出低速、大轉矩的自轉運動；其特徵在於所述電機設有徑向均勻分布的4個磁極，每個磁極由一個定子、位於定子中間的 線圈繞組及定子左右兩側的內轉子和外轉子組成，四個內、外轉子分別嵌裝於內、外轉子固 定架，內、外轉子固定架分別固裝在兩側的內、外轉子支架上，組成平動機構主體；轉子支架 上固裝有內齒圈和4個軸承，穿過軸承的4個偏心軸兩端都固裝在電機兩端端蓋上鑲嵌的 軸承孔內；主軸固裝於電機兩端的端蓋中心的軸承，固裝在主軸上的外齒輪隨主軸一起轉 動；定子上的線圈繞組加電後，其兩側的兩個轉子同時受到電磁力作用而分別向相對方向 運動，同時帶動內、外轉子固定架運動；當4個定子的線圈繞組按照設定順序加電後，就驅 動其內、外轉子帶動內、外轉子固定架及轉子支架在偏心軸的約束下做徑向的公轉運動，與 此同時，內、外轉子支架的運動帶動內齒圈和與其嚙合的外齒輪一起轉動，外齒輪帶動主軸 旋轉而輸出低速、大轉矩的轉動；同時，由於偏心軸的約束，內、外轉子支架的運動位置始終 相隔180°，使得內、外轉子固定架在作高速公轉運動時產生的慣性力相互抵消，從而降低 電機的振動。所述定子呈「工」型，每個定子中部裝有線圈繞組，該線圈繞組通電產生的電磁力 驅動位於定子左右兩側的內、外轉子相向運動；且每個線圈繞組產生的磁力線流經該定子 及其兩側的轉子形成閉合環路，不會流經其它定子而避免出現負功磁路。所述轉子為一側為燕尾凸塊的長方體構件，分設在每個定子左右兩側的內、外兩 個轉子藉由燕尾凸塊分別嵌裝於內、外兩個轉子固定架，該內、外兩個轉子固定架螺固連接 其兩端的內、外兩個轉子支架構成平動機構；兩端的內、外兩個轉子支架安裝的4個軸承與 其承載的4個偏心軸構成轉動約束副，偏心軸的兩端固裝在機殼兩端的端蓋上鑲嵌的軸承 孔內；在該4個偏心軸約束下，該平動機構在徑向平面內相對於電機主軸中心作公轉方向 的平動而不能產生自轉運動。所述內轉子固定架是其4個側面分別設有燕尾槽的長方體構件，內轉子支架呈十 字形平板構件，其外側設有4個軸承座通孔，兩個內轉子支架分別通過其中間螺孔中的螺 釘，螺固在內轉子固定架的兩端。所述外轉子固定架為長方體的空心框架構件，框架四角立柱設有燕尾槽，用以嵌 裝外轉子；外轉子支架呈正方形板狀構件，其四邊中間位置設有4個軸承座通孔，在其四角 的凸緣上設有螺孔，並藉由螺釘和外轉子固定架螺固連接為一體。所述電機軸向設置的兩個內、外轉子支架分別固裝在磁極兩端，該兩個內、外轉子 支架分別螺接一個結構相同的內齒圈，內、外轉子支架分別通過4個偏心軸及其軸承形成 平動機構。所述主軸兩端固裝在電機兩端的端蓋上的軸承孔內，該主軸中間的截面緊固裝有 與內齒圈嚙合的外齒輪，使得外齒輪能將自身的旋轉運動傳遞給主軸輸出。所述機殼為四方形通孔構件，其內壁設有多個其形狀與定子相對應而將定子固裝 在機殼上的凸塊，每個凸塊設有安裝軸承的通孔。所述端蓋為與機殼相對應的正方形板狀構件，中間設有固裝主軸的軸承座通孔， 四周均勻分布的4個軸承座通孔，用於固裝支撐偏心軸的軸承。所述偏心軸在有8個，分別穿過內、外轉子支架上的軸承而位於電機磁極的兩側 各分布4個，這些偏心軸的兩端分別固裝在機殼兩端的端蓋，與其上鑲嵌的軸承配合構成轉動副，4個偏心軸約束內、外轉子支架在徑向平面內做平動而限制其自身的旋轉運動。本發明是一種低轉速、大轉矩的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，該電機不但繼承原 來齒輪嚙合傳動電機的特點將電機的定子和轉子分別與外齒輪和內齒圈固聯，形成減速 器齒輪嚙合的傳動方式實現減速，從而真正將電機與減速機融合一體。而且，轉子相對於定 子只有圓周切線方向的平動，沒有轉動，從而避免了傳統結構中的電機轉子相對定子旋轉 一周而造成作用距離長、響應速度慢、低速工況不穩定、輸出扭矩小的弱點。此外，本發明還 具有下述創新優點採用雙轉子結構的磁極，可以避免各個磁極間的磁路耦合，降低了磁場分析的難 度；內、外轉子的相向運動能夠倍增電磁力，同時抵消了慣性力和降低了振動。再者，利用多 個偏心軸共同對轉子、轉子固定架和支架組成的平動機構產生約束作用，使其公轉運行的 半徑得到完全的限制，避免了齒輪之間的滑移，提高傳動效率。


圖1是本發明雙轉子徑向驅動式嚙合電機的定子與轉子構成的四個磁極結構組 成圖。圖2(A)、⑶分別是本發明嚙合電機的轉子與內齒圈、外齒輪的連接方式示意圖 及減速機嚙合傳動原理圖。圖3是本發明雙轉子徑向驅動式嚙合電機的軸向剖視圖。圖4(A)、⑶分別是本發明嚙合電機中的內齒圈的主視圖和軸測圖。圖5(A)、(B)分別是本發明嚙合電機中的外齒輪的主視圖和軸測圖。圖6(A)、(B)分別是本發明嚙合電機中的定子的主視圖和軸測圖。圖7(A)、(B)分別是本發明嚙合電機中的轉子的主視圖和軸測圖。圖8(A)、(B)分別是本發明嚙合電機中的主軸的主視圖和軸測圖。圖9(A)、(B)分別是本發明嚙合電機的內轉子固定架的主視圖和軸測圖。圖10㈧、⑶分別是本發明嚙合電機的內轉子支架的主視圖和軸測圖。圖11 (A)、(B)分別是本發明嚙合電機的外轉子固定架的主視圖和軸測圖。圖12㈧、⑶分別是本發明嚙合電機的外轉子支架的主視圖和軸測圖。圖13㈧、⑶分別是本發明嚙合電機的偏心軸的主視圖和軸測圖。圖14㈧、⑶分別是本發明嚙合電機的機殼的主視圖和軸測圖。圖15㈧、⑶分別是本發明嚙合電機的端蓋的主視圖和軸測圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發明 作進一步的詳細描述。參見圖1 圖15，介紹本發明雙轉子徑向驅動式嚙合電機的結構組成它是將電 機和減速機集成為一體而簡化機械傳動機構，並具有一定的自鎖和制動功能和直接輸出低 轉速、大扭矩的電動機。該電機設有電機的定子2、轉子1，齒輪減速機的內齒圈4和外齒 輪3，轉子1與內、外轉子固定架8及內、外轉子支架9和主軸5 —起構成的平動約束機構， 以及機殼12和兩端的端蓋13。其中外齒輪3固裝在主軸5上，藉由與外齒輪3嚙合的內齒圈4的公轉運動，使得外齒輪3帶動主軸5輸出低速、大轉矩的自轉運動；該電機徑向均布 有四套磁極，每套磁極由定子2、位於定子中間的線圈繞組2A及定子2左右兩側的內外兩 個轉子1所組成，四個內外轉子1分別嵌裝於內外兩個轉子固定架8，內外兩個轉子固定架 8分別固裝在兩側的內外兩個轉子支架9上，組成平動機構主體；轉子支架9上固裝有內齒 圈4和4個軸承，穿過軸承的4個偏心軸7兩端都固裝在電機兩端的端蓋13 ；主軸5固裝 於電機兩端的端蓋13中心的軸承6，固裝在主軸5上的外齒輪3隨主軸5 —起轉動。定子 2上的線圈繞組2A按照設定順序加電後，其兩側的內外兩個轉子1同時受到電磁力作用而 分別向相對方向運動，同時帶動內、外轉子固定架8及轉子支架9在偏心軸7的約束下做徑 向的公轉運動；與此同時，內、外轉子支架9的運動帶動內齒圈4和與其嚙合的外齒輪3 — 起轉動，外齒輪3又帶動主軸5旋轉而輸出低速、大轉矩的轉動；同時，由於偏心軸7的共同 約束和控制四套磁極線圈繞組的工作狀態，就能驅動轉子1帶動主軸5在徑向產生公轉式 的平動，內齒圈4與外齒輪3相互嚙合產生的傳動，帶動主軸5作自轉運動。而且，因內、外 轉子支架9的運動位置始終相隔180°，使得內、外轉子固定架8在作高速公轉運動時產生 的慣性力相互抵消，從而降低電機的振動。參見圖1和圖2，介紹本發明電機中的電磁繞組的結構組成和工作原理本發明電機的每個磁極設有用軟磁材料製成的一個定子2 (參見圖6)和左右兩個 轉子1 (參見圖7)，轉子1上沒有線圈繞組，也沒有永磁體。定子2是採用矽鋼片疊加而成 的分布式構件，每個定子2為中間有凹陷的「工」型構件，線圈繞組2A位於定子2的凹陷中 部，構成能夠分別控制的感應磁極。徑向均勻設置的四個磁極相互之間依次錯開90度(參 見圖1)，當控制每個磁極上的線圈繞組的加電順序，使得轉子1按照右上一左上一左下一 右下的次序循環執行吸合動作；再細分電路，就能夠實現轉子1繞定子2的軸線作勻速的公 轉運動即在圓周徑向平面內相對於電機主軸作切線方向的平動。本發明電機的轉子1分別藉由其燕尾凸塊分別嵌裝在內轉子固定架8與支架9和 內齒圈4組成的內平動機構，以及嵌裝在外轉子固定架10與支架11和內齒圈4組成的外 平動機構。當轉子1在做公轉運動時，將帶動內、外平動機構和內齒圈4 一起平移運動，外 齒輪3則與內齒圈4產生嚙合運動，根據齒輪嚙合原理，外齒輪3將輸出低速的自轉運動。參見各附圖，下面具體介紹本發明電機各個零件的結構組成，其零件包括電機的 轉子1、定子2，齒輪減速機的漸開線的外齒輪3和內齒圈4，主軸5，滾動軸承6，偏心軸7、 內轉子固定架8，內轉子支架9，外轉子固定架10，外轉子支架11、機殼12和端蓋13等。電機的轉子1為一側設有燕尾凸塊的長方體構件(參見圖7和圖9)，內轉子固定 架8是其4個側面分別設有燕尾槽的四方體構件，分設在每個定子2左右兩側的內、外兩個 轉子1藉由該燕尾凸塊分別嵌裝於內、外兩個轉子固定架8和10上，內轉子支架9呈十字 形平板構件(參見圖10)，其中央通孔的四周分別設有螺孔9A，該螺孔9A用於將兩個內轉 子支架9螺固在內轉子固定架8的兩端而成為一體。外側設有4個軸承座通孔9B。外轉子 固定架10為長方體的空心框架構件(參見圖11和圖12)，框架四角立柱設有燕尾槽，用以 嵌裝外轉子1 ；外轉子支架11呈正方形板狀構件，其四邊中間位置設有4個軸承座通孔，在 其四角的凸緣上設有螺孔11A，並藉由螺釘和外轉子固定架10螺固連接為一體。該內、外兩個轉子固定架8、10分別螺固連接其兩端的內、外兩個轉子支架9、11設 置的4個軸承座孔9A、11C與其承載的4個偏心軸7構成平動機構的轉動約束副。內轉子支架9、外轉子固定架10和外轉子支架11上分別設有軸承座孔9B、10B、11B，這些軸承座孔 內穿過4個偏心軸7中間的7B部分，4個偏心軸7的兩端7A則固裝在機殼12和端蓋13上 的軸承孔12A、13A內的軸承上，4個偏心軸7又形成平動約束，在該4個偏心軸約束下，該平 動機構在徑向平面內相對於電機主軸軸線作公轉切線方向的平動，並限制其不能作自轉運 動，並且，內、外平動機構的運動位置完全對稱，從而抵消了慣性振動力。因電機軸向設置的兩個內、外轉子支架9、11分別固裝在磁極兩端，該兩個內、外 轉子支架9、11分別螺接一個結構相同的內齒圈4，並分別通過4個偏心軸7及其軸承形成 平動機構。本發明電機的齒輪減速機構中的內齒圈4和外齒輪3均為傳統結構漸開線內齒 圈4為薄壁圓環狀通孔構件(參見圖4)，其徑向均布設有4個通孔4A，緊固螺釘穿越該通 孔4A與內轉子支架9、外轉子支架11上的孔9C、11C螺固連接在一起。外齒輪3也是薄壁 圓狀通孔構件(參見圖5)，其中間通孔為半圓形結構3A，用於固裝主軸5的中間段5A，以 便將轉動扭矩傳遞給主軸5輸出。本發明電機的漸開線內齒圈4和外齒輪3組成二齒差的 漸開線齒輪減速機構，其減速傳動比i為i = -ZiAZi-ZJ，式中，Zi和Z。分別為漸開線內 齒圈4和外齒輪3的齒數。該對嚙合齒輪將漸開線內齒圈4的公轉經過減速後輸出，轉子 1帶動內齒圈3公轉一周，其外齒輪3僅轉動兩個齒，藉此能夠從主軸5輸出低轉速和大扭 矩。總之，本發明電機的結構特點是通過轉子1上的內齒圈4與定子2上的外齒輪3 在電磁驅動力作用下相互嚙合，縮短定子2與轉子1之間的作用距離，增大作用力，使減速 機和電動機真正成為一個整體。本發明已經研製成功了試驗樣機，並進行了實施試驗。該試驗樣機的各項設計參 數及實現的性能為內齒圈齒數26，外齒輪齒數24，傳動比13 1，電機寬度94mm，電機 高度94mm，電機總長73. 5mm，加載電壓40V時實測的峰值電流為ISA0該電機採用四相八拍 的脈衝電信號驅動，在轉速為300轉/分時，輸出力矩可達5Nm。儘管試驗樣機仍然存在一 些需要改進之處，但是，總體的試驗結果是成功的，實現了發明目的。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的範圍之內。
權利要求
一種雙轉子徑向驅動式嚙合電機，是將電機和減速機集成為一體的大轉矩、低轉速的電動機，設有電機的定子、轉子，齒輪減速機的內齒圈和外齒輪，由磁極的轉子與內、外轉子固定架及內、外轉子支架和主軸構成的平動約束機構，以及機殼及其兩端的端蓋；其中外齒輪固裝在主軸上，藉由與外齒輪嚙合的內齒圈的公轉運動，使得外齒輪帶動主軸輸出低速、大轉矩的自轉運動；其特徵在於所述電機設有徑向均勻分布的4個磁極，每個磁極由一個定子、位於定子中間的線圈繞組及定子左右兩側的內轉子和外轉子組成，四個內、外轉子分別嵌裝於內、外轉子固定架，內、外轉子固定架分別固裝在兩側的內、外轉子支架上，組成平動機構主體；轉子支架上固裝有內齒圈和4個軸承，穿過軸承的4個偏心軸兩端都固裝在電機兩端的端蓋；主軸固裝於電機兩端的端蓋中心的軸承，固裝在主軸上的外齒輪隨主軸一起轉動；定子上的線圈繞組加電後，其兩側的兩個轉子同時受到電磁力作用而分別向相對方向運動，同時帶動內、外轉子固定架運動；當4個定子的線圈繞組按照設定順序加電後，就驅動其內、外轉子帶動內、外轉子固定架及轉子支架在偏心軸的約束下做徑向的公轉運動，與此同時，內、外轉子支架的運動帶動內齒圈和與其嚙合的外齒輪一起轉動，外齒輪帶動主軸旋轉而輸出低速、大轉矩的轉動；同時，由於偏心軸的約束，內、外轉子支架的運動位置始終相隔180°，使得內、外轉子固定架在作高速公轉運動時產生的慣性力相互抵消，從而降低電機的振動。
2.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述定子呈「工」 型，每個定子中部裝有線圈繞組，該線圈繞組通電產生的電磁力驅動位於定子左右兩側的 內、外轉子相向運動；且每個線圈繞組產生的磁力線流經該定子及其兩側的轉子形成閉合 環路，不會流經其它定子而避免出現負功磁路。
3.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述轉子為一側 為燕尾凸塊的長方體構件，分設在每個定子左右兩側的內、外兩個轉子藉由燕尾凸塊分別 嵌裝於內、外兩個轉子固定架，該內、外兩個轉子固定架螺固連接其兩端的內、外兩個轉子 支架構成平動機構；兩端的內、外兩個轉子支架安裝的4個軸承與其承載的4個偏心軸構成 轉動約束副，偏心軸的兩端固裝在機殼兩端的端蓋；在該4個偏心軸約束下，該平動機構在 徑向平面內相對於電機主軸中心作公轉運動而不能產生自轉運動。
4.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述內轉子固定 架是其4個側面分別設有燕尾槽的長方體構件，內轉子支架呈十字形平板構件，其外側設 有4個軸承座通孔，兩個內轉子支架分別通過其中間螺孔中的螺釘，螺固在內轉子固定架 的兩端。
5.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述外轉子固定 架為長方體的空心框架構件，框架四角立柱設有燕尾槽，用以嵌裝外轉子；外轉子支架呈正 方形板狀構件，其四邊中間位置設有4個軸承座通孔，在其四角的凸緣上設有螺孔，並藉由 螺釘和外轉子固定架螺固連接為一體。
6.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述電機軸向設 置的兩個內、外轉子支架分別固裝在磁極兩端，該兩個內、外轉子支架分別螺接一個結構相 同的內齒圈，並分別通過4個偏心軸及其軸承形成平動機構。
7.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述主軸兩端固 裝在電機兩端的端蓋上的軸承孔內，該主軸中間的截面緊固裝有與內齒圈嚙合的外齒輪，2使得外齒輪能將自身的旋轉運動傳遞給主軸輸出。
8.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述機殼為四方 形通孔構件，其內壁設有多個其形狀與定子相對應而將定子固裝在機殼上的凸塊，每個凸 塊設有安裝軸承的通孔。
9.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述端蓋為與機 殼相對應的正方形板狀構件，中間設有固裝主軸的軸承座通孔，四周均勻分布的4個軸承 座通孔，用於固裝支撐偏心軸的軸承。
10.根據權利要求1所述的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，其特徵在於所述偏心軸有4 個，分別穿過內、外轉子支架上的軸承而位於電機磁極的兩側，這些偏心軸的兩端分別固裝 在機殼兩端的端蓋，與軸承配合構成轉動副，4個偏心軸約束內、外轉子支架在徑向平面內 做平動而限制其自身的旋轉運動。
全文摘要
一種低轉速、大轉矩的雙轉子徑向驅動式嚙合電機，採用雙轉子結構的磁極，以避免各個磁極間的磁路耦合，降低磁場分析的難度；其內、外轉子的相向運動既能倍增電磁力，同時能抵消慣性力和降低振動。再用多個偏心軸共同對轉子、轉子固定架和支架組成的平動機構產生約束作用，使其公轉運行的半徑得到完全限制，避免齒輪間的滑移，提高傳動效率。再者，本發明電機的定子和轉子分別固聯外齒輪和內齒圈而形成減速器齒輪嚙合傳動方式實現減速，從而真正將電機與減速機融合一體。而且，轉子相對於定子只有圓周切線方向的平動，沒有轉動，並避免了傳統結構的電機轉子相對定子旋轉一周而造成作用距離長、響應速度慢、低速工況不穩定、輸出扭矩小的弱點。
文檔編號H02K5/04GK101888157SQ201010230109
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者廖啟徵, 李瑞華, 魏世民 申請人:北京郵電大學