平动式啮合电机的结构设计与基本特性研究

摘要

为了满足机器人系统对续航能力和空间适应性的要求，本文提出了一种新结构、新原理的机器人关节用低速大扭矩电动机—平动式啮合电动机．它是一种通过定转子间磁阻的变化将电能转化为机械能，在平行四边形结构的约束下使转子绕定子作圆周平动，进而可直接由转子带动摆线机构，利用摆线机构的减速作用输出大扭矩的高集成度电动机。由于该电机通过摆线齿轮啮合机构带动负载，避免了直接驱动电机受负载不稳影响较大的缺点，同时由于齿轮啮合传动，摩擦损失小、传动效率高，因此该结构较依靠定转子之间的摩擦力输出低转速、大扭矩的超声波及谐波减速电机有更高的效率和使用寿命。在本文中对该新型电机的运行机理、设计特点、磁场分布、稳态运行性能及启动特性进行了系统的理论分析，设计制造了原理样机并进行了样机试验。 文中在对平动式啮合电机的结构特点和运行原理进行详细阐述的基础上，将平动式啮合电机的基本电磁原理与磁阻电机进行了比较，从能量转换角度对平动式啮合电机的基本性能和特点进行了分析。将平动式啮合电机依据其功能分四大部分作了较详细的分析，列举了四大机构演化出的具有实用前景的可选结构，并进行了结构间的性能比较。最终归纳出了实用性强，并具有理论研究价值的两种具有典型平动式啮合电机特征的结构组合，分别命名为平动电机和柔性平动电机，同时确立了平动式啮合电机驱动电路的基本形式。 考虑到平动电机原理样机的独特结构，沿用磁阻电机的研究思路，采用有限元方法建立了该电机的二维磁场模型，对电机磁场分布和磁路特点进行了初步分析。通过获得的不同转角下磁化曲线簇，并借助磁共能方法获得了电机矩角特性。探讨了电机的气隙长度，定子极弧角度、定子轭厚等结构参数对电机转矩特性的影响。最后采用非线性磁参数法建立了电机动态分析模型，并利用建立的磁参数库和矩角特性曲线，对平动电机的稳态和启动特性进行了分析。 为了满足电机优化设计和实时控制的需要，针对平动电机的特殊结构建立了便于计算的等效磁路模型。该模型是在对平动电机二维磁场进行深入分析的基础上，借用磁力线和等磁位线互换的方法，将磁力线分布不均匀的磁通管引入到分析模型中，采用等效磁路法建立了非线性分析模型。该模型对电机磁场分布不均和磁路局部饱和现象进行有效处理，减少了模型中磁通管单元的数量，使模型简化并兼顾了求解精度。在该分析模型的基础上，推导出了电机绕组满足的以绕组磁链为状态变量的微分方程，建立了电机稳态运行分析的数学模型。对电机单相导通状态下的稳态运行特性进行了仿真分析，其结果与非线性磁参数法所得结果相吻合。 为避免平动电机中转子平动所引发的惯性力以及由其定转子结构特点所决定的磁路耦合现象，本文通过引入柔性机构，将定转子磁极分开，避免了不同磁极磁路的耦合，在简化结构的同时实现了定转子相向运动，弱化了惯性力对电机整体运行的不良影响。使该类电机采用解析方法便可对磁路进行分析，柔性电机的有限元分析结果也表明该电机所用的解析方法在一定参数范围内具有较好的准确性。 柔性机构的加入，也使电机的机械部分的分析变得复杂，需要充分考虑柔性机构对电机整体性能的影响。因此本文着重对柔性铰链在转子运动过程中所产生的弹性变形对电磁转矩输出的影响进行了分析，建立了计入柔性铰链静刚度和导向框架引起的x，y向运动质量不等以及柔性轴径向刚度后的电机振动模型，并讨论了电机振动的影响因素。 最后，在理论分析的基础上，作者研制了平动式啮合电机的原理样机，样机实验证明了该电机结构新颖合理，实现了设计初衷。同时理论分析和样机实验均表明定子相对电机机架浮动的结构能够较好地抵消转子偏心运动带来的振动，体现该类型电机具有较高的研究价值和较好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的目的和意义

1.2机器人用电机国内外研究概况

1.2.1直接驱动低速同步电动机

1.2.2新原理、新结构电动机

1.3齿形结构马达的国内外研究

1.3.1静电力马达

1.3.2液压驱动马达

1.3.3气缸驱动的滚切马达

1.3.4电磁滚切马达

1.4平动式啮合电动机的提出

1.5磁阻电机磁场分析方法

1.5.1路方法

1.5.2场方法

1.5.3场路结合的方法

1.6电机动态特性的几种典型非线性分析方法

1.6.1非线形磁参数法

1.6.2快速非线性法

1.6.3电感参数法

1.6.4等效磁网络法

1.7本文研究内容

第二章平动式啮合电机的运行原理与结构演化

2.1引言

2.2平动式啮合电机的电磁原理与特点

2.2.1机电能量转换

2.2.2电磁转矩

2.2.3启动特性

2.3平动式啮合电机的电磁结构

2.3.1集中磁极

2.3.2分布式磁极

2.3.3永磁磁极

2.4平动式啮合电机的驱动原理

2.5齿轮减速机构

2.5.1齿轮传动方式

2.5.2摆线齿廓方程

2.6约束机构

2.7输出机构

2.8平动式啮合电机的两种典型结构

2.8.1平动电机

2.8.2柔性平动电机

2.9本章总结

第三章平动电机的磁场分布及其动态特性的非线性分析

3.1引言

3.2平动电机磁场分析理论基础

3.2.1平动电机磁场的基本方程

3.2.2平动电机磁场的位函数与边值问题

3.2.3平动电机磁场边值问题的有限元原理

3.3平动电机的磁场

3.3.1平动电机的二维场矢量位分析模型

3.3.2平动电机的磁场分布

3.4平动电机的静态电磁参数

3.4.1电磁力的推导

3.4.2平动电机的电感曲线

3.4.3平动电机的磁化曲线

3.4.4平动电机的矩角特性

3.5结构参数对电磁转矩的影响

3.6平动电机稳态性能

3.6.1稳态电流与感应电势

3.6.2稳态转矩

3.6.3效率转速曲线

3.6.4恒转矩时的驱动电压

3.7平动电机启动性能

3.8本章总结

第四章平动电机的等效磁路模型及稳态特性分析

4.1引言

4.2平动电机的磁通管单元

4.2.1磁通管单元

4.2.2平动电机的磁通管单元

4.3磁导的推导

4.3.1未饱和混合单元的磁导

4.3.2饱和混合单元的磁导

4.3.3气隙磁导的修正

4.3.4铁芯单元的磁导

4.4平动电机等效磁路模型

4.5平动电机静态仿真

4.6平动电机稳态模型

4.7平动电机稳态仿真

4.8本章总结

第五章柔性平动电机静态性能与振动特性

5.1引言

5.2柔性平动电机数学模型

5.2.1电磁力

5.2.2运行方程组

5.3柔性机构静态性能

5.3.1柔性机构的静刚度

5.3.2柔性铰链的强度

5.3.3柔性机构对静态转矩的影响

5.4柔性平动电机的振动特性

5.4.1柔性平动电机模型

5.4.2振动方程求解

5.4.3柔性平动电机振动的影响因素

5.5柔性平动电机的有限元分析

5.5.1柔性平动电机的静态转矩

5.5.2柔性平动电机的铰链刚度

5.6本章总结

第六章样机设计与试验

6.1平动电机样机设计与试验

6.1.1样机设计

6.1.2样机试验

6.2柔性平动电机样机设计与试验

6.2.1柔性平动电机样机

6.2.2柔性铰链强度校核

6.2.3样机试验

6.3本章总结

第七章总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录1平动式啮合电机样机视频

攻读博士期间发表的论文

致谢