双转子径向驱动式啮合电机

摘要

一种低转速、大转矩的双转子径向驱动式啮合电机，采用双转子结构的磁极，以避免各个磁极间的磁路耦合，降低磁场分析的难度；其内、外转子的相向运动既能倍增电磁力，同时能抵消惯性力和降低振动。再用多个偏心轴共同对转子、转子固定架和支架组成的平动机构产生约束作用，使其公转运行的半径得到完全限制，避免齿轮间的滑移，提高传动效率。再者，本发明电机的定子和转子分别固联外齿轮和内齿圈而形成减速器齿轮啮合传动方式实现减速，从而真正将电机与减速机融合一体。而且，转子相对于定子只有圆周切线方向的平动，没有转动，并避免了传统结构的电机转子相对定子旋转一周而造成作用距离长、响应速度慢、低速工况不稳定、输出扭矩小的弱点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双转子径向驱动式啮合电机，确切地说，涉及一种利用定子与转子之间磁阻的变化，将电能转换为机械能，再辅以偏心轴平动约束副的机构，使得转子绕定子作圆周切线方向的平动，并由转子带动内啮合齿轮减速机构输出低速、大转矩的啮合电机，属于电力驱动设备的技术领域。

背景技术

近年来，在将新型减速机构与电机进行一体化的开发研究方面，国内外都取得了很好的进展。例如，把电机与谐波减速机二者合并在一起，使得输出力矩增加而结构尺寸显著减小。日本科技人员采用基于齿轮啮合的减速传动原理，已经开发出多种不同结构类型的电机。如：压电摆线电机，它是通过一对摆线齿轮的啮合，将压电驱动器的伸缩运动转换为转子的转动，再依靠压电驱动器输出的驱动力推动摆线电机旋转而输出扭矩。压电摆线电机的减速比是其转子与定子齿数的差值与转子的齿数之比，减速比很高。同时，因齿轮啮合传动的摩擦损失小、传动效率高，因此压电摆线电机与依靠定转子之间的摩擦力来输出低转速、大扭矩的超声波与谐波电机相比较，前者效率高，使用寿命更长。

近年来，由于齿轮啮合传动的优势，先后研制成功多种将齿轮啮合与不同类型的驱动器相结合的低速大扭矩电机。例如通过橡胶变形驱动的摆线电机、通过气缸驱动的锥齿轮电机、依靠液压缸驱动的端面齿轮电机、电磁摆线电机和电磁锥齿轮电机等等。上述电机都具有效率高、精度好、磨损小、体积小、结构紧凑的优点，并在机器人的驱动装置中得到了很好的应用。

但是，上述各种电机大都是将驱动器直接与转子、定子相互连接，并未形成一体化机构，因此结构仍不紧凑。采用气缸和液压缸驱动的电机，除了需要电力驱动设备以外，还需要额外的压缩空气或液压作为动力源。压电或超磁致伸缩材料驱动的电机，则因其驱动器的作用行程太短(仅为微米级)，很难具备实用价值。为满足定子运动行程的实际需求，还要增加一套杠杆，以增大其作用行程。然而，用于低速驱动和负载较大的场合的电机都要安装减速器及其相关部件，这样就增加了驱动装置的构件和重量，结构太复杂、不实用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种双转子径向驱动式啮合电机，该电机是以电磁力作为驱动力，将齿轮内啮合传动机构作为减速输出部件的低转速、大转矩的平动式啮合电机，本发明较好地解决了现有电机存在的各种缺陷，是一种结构简单、紧凑和实用的齿轮啮合传动电机。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种双转子径向驱动式啮合电机，是将电机和减速机集成为一体的大转矩、低转速的电动机，设有：电机的定子、转子，齿轮减速机的内齿圈和外齿轮，由磁极的转子与内、外转子固定架及内、外转子支架和偏心轴构成的平动约束机构，以及机壳及其两端的端盖；其中外齿轮固装在主轴上，藉由与外齿轮啮合的内齿圈的公转运动，使得外齿轮带动主轴输出低速、大转矩的自转运动；其特征在于：

所述电机设有径向均匀分布的4个磁极，每个磁极由一个定子、位于定子中间的线圈绕组及定子左右两侧的内转子和外转子组成，四个内、外转子分别嵌装于内、外转子固定架，内、外转子固定架分别固装在两侧的内、外转子支架上，组成平动机构主体；转子支架上固装有内齿圈和4个轴承，穿过轴承的4个偏心轴两端都固装在电机两端端盖上镶嵌的轴承孔内；主轴固装于电机两端的端盖中心的轴承，固装在主轴上的外齿轮随主轴一起转动；定子上的线圈绕组加电后，其两侧的两个转子同时受到电磁力作用而分别向相对方向运动，同时带动内、外转子固定架运动；当4个定子的线圈绕组按照设定顺序加电后，就驱动其内、外转子带动内、外转子固定架及转子支架在偏心轴的约束下做径向的公转运动，与此同时，内、外转子支架的运动带动内齿圈和与其啮合的外齿轮一起转动，外齿轮带动主轴旋转而输出低速、大转矩的转动；同时，由于偏心轴的约束，内、外转子支架的运动位置始终相隔180°，使得内、外转子固定架在作高速公转运动时产生的惯性力相互抵消，从而降低电机的振动。

所述定子呈“工”型，每个定子中部装有线圈绕组，该线圈绕组通电产生的电磁力驱动位于定子左右两侧的内、外转子相向运动；且每个线圈绕组产生的磁力线流经该定子及其两侧的转子形成闭合环路，不会流经其它定子而避免出现负功磁路。

所述转子为一侧为燕尾凸块的长方体构件，分设在每个定子左右两侧的内、外两个转子藉由燕尾凸块分别嵌装于内、外两个转子固定架，该内、外两个转子固定架螺固连接其两端的内、外两个转子支架构成平动机构；两端的内、外两个转子支架安装的4个轴承与其承载的4个偏心轴构成转动约束副，偏心轴的两端固装在机壳两端的端盖上镶嵌的轴承孔内；在该4个偏心轴约束下，该平动机构在径向平面内相对于电机主轴中心作公转方向的平动而不能产生自转运动。

所述内转子固定架是其4个侧面分别设有燕尾槽的长方体构件，内转子支架呈十字形平板构件，其外侧设有4个轴承座通孔，两个内转子支架分别通过其中间螺孔中的螺钉，螺固在内转子固定架的两端。

所述外转子固定架为长方体的空心框架构件，框架四角立柱设有燕尾槽，用以嵌装外转子；外转子支架呈正方形板状构件，其四边中间位置设有4个轴承座通孔，在其四角的凸缘上设有螺孔，并藉由螺钉和外转子固定架螺固连接为一体。

所述电机轴向设置的两个内、外转子支架分别固装在磁极两端，该两个内、外转子支架分别螺接一个结构相同的内齿圈，内、外转子支架分别通过4个偏心轴及其轴承形成平动机构。

所述主轴两端固装在电机两端的端盖上的轴承孔内，该主轴中间的截面紧固装有与内齿圈啮合的外齿轮，使得外齿轮能将自身的旋转运动传递给主轴输出。

所述机壳为四方形通孔构件，其内壁设有多个其形状与定子相对应而将定子固装在机壳上的凸块，每个凸块设有安装轴承的通孔。

所述端盖为与机壳相对应的正方形板状构件，中间设有固装主轴的轴承座通孔，四周均匀分布的4个轴承座通孔，用于固装支撑偏心轴的轴承。

所述偏心轴在有8个，分别穿过内、外转子支架上的轴承而位于电机磁极的两侧各分布4个，这些偏心轴的两端分别固装在机壳两端的端盖，与其上镶嵌的轴承配合构成转动副，4个偏心轴约束内、外转子支架在径向平面内做平动而限制其自身的旋转运动。

本发明是一种低转速、大转矩的双转子径向驱动式啮合电机，该电机不但继承原来齿轮啮合传动电机的特点：将电机的定子和转子分别与外齿轮和内齿圈固联，形成减速器齿轮啮合的传动方式实现减速，从而真正将电机与减速机融合一体。而且，转子相对于定子只有圆周切线方向的平动，没有转动，从而避免了传统结构中的电机转子相对定子旋转一周而造成作用距离长、响应速度慢、低速工况不稳定、输出扭矩小的弱点。此外，本发明还具有下述创新优点：

采用双转子结构的磁极，可以避免各个磁极间的磁路耦合，降低了磁场分析的难度；内、外转子的相向运动能够倍增电磁力，同时抵消了惯性力和降低了振动。再者，利用多个偏心轴共同对转子、转子固定架和支架组成的平动机构产生约束作用，使其公转运行的半径得到完全的限制，避免了齿轮之间的滑移，提高传动效率。

附图说明

图1是本发明双转子径向驱动式啮合电机的定子与转子构成的四个磁极结构组成图。

图2(A)、(B)分别是本发明啮合电机的转子与内齿圈、外齿轮的连接方式示意图及减速机啮合传动原理图。

图3是本发明双转子径向驱动式啮合电机的轴向剖视图。

图4(A)、(B)分别是本发明啮合电机中的内齿圈的主视图和轴测图。

图5(A)、(B)分别是本发明啮合电机中的外齿轮的主视图和轴测图。

图6(A)、(B)分别是本发明啮合电机中的定子的主视图和轴测图。

图7(A)、(B)分别是本发明啮合电机中的转子的主视图和轴测图。

图8(A)、(B)分别是本发明啮合电机中的主轴的主视图和轴测图。

图9(A)、(B)分别是本发明啮合电机的内转子固定架的主视图和轴测图。

图10(A)、(B)分别是本发明啮合电机的内转子支架的主视图和轴测图。

图11(A)、(B)分别是本发明啮合电机的外转子固定架的主视图和轴测图。

图12(A)、(B)分别是本发明啮合电机的外转子支架的主视图和轴测图。

图13(A)、(B)分别是本发明啮合电机的偏心轴的主视图和轴测图。

图14(A)、(B)分别是本发明啮合电机的机壳的主视图和轴测图。

图15(A)、(B)分别是本发明啮合电机的端盖的主视图和轴测图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1～图15，介绍本发明双转子径向驱动式啮合电机的结构组成：它是将电机和减速机集成为一体而简化机械传动机构，并具有一定的自锁和制动功能和直接输出低转速、大扭矩的电动机。该电机设有：电机的定子2、转子1，齿轮减速机的内齿圈4和外齿轮3，转子1与内、外转子固定架8及内、外转子支架9和主轴5一起构成的平动约束机构，以及机壳12和两端的端盖13。其中外齿轮3固装在主轴5上，藉由与外齿轮3啮合的内齿圈4的公转运动，使得外齿轮3带动主轴5输出低速、大转矩的自转运动；该电机径向均布有四套磁极，每套磁极由定子2、位于定子中间的线圈绕组2A及定子2左右两侧的内外两个转子1所组成，四个内外转子1分别嵌装于内外两个转子固定架8，内外两个转子固定架8分别固装在两侧的内外两个转子支架9上，组成平动机构主体；转子支架9上固装有内齿圈4和4个轴承，穿过轴承的4个偏心轴7两端都固装在电机两端的端盖13；主轴5固装于电机两端的端盖13中心的轴承6，固装在主轴5上的外齿轮3随主轴5一起转动。定子2上的线圈绕组2A按照设定顺序加电后，其两侧的内外两个转子1同时受到电磁力作用而分别向相对方向运动，同时带动内、外转子固定架8及转子支架9在偏心轴7的约束下做径向的公转运动；与此同时，内、外转子支架9的运动带动内齿圈4和与其啮合的外齿轮3一起转动，外齿轮3又带动主轴5旋转而输出低速、大转矩的转动；同时，由于偏心轴7的共同约束和控制四套磁极线圈绕组的工作状态，就能驱动转子1带动主轴5在径向产生公转式的平动，内齿圈4与外齿轮3相互啮合产生的传动，带动主轴5作自转运动。而且，因内、外转子支架9的运动位置始终相隔180°，使得内、外转子固定架8在作高速公转运动时产生的惯性力相互抵消，从而降低电机的振动。

参见图1和图2，介绍本发明电机中的电磁绕组的结构组成和工作原理：

本发明电机的每个磁极设有用软磁材料制成的一个定子2(参见图6)和左右两个转子1(参见图7)，转子1上没有线圈绕组，也没有永磁体。定子2是采用硅钢片叠加而成的分布式构件，每个定子2为中间有凹陷的“工”型构件，线圈绕组2A位于定子2的凹陷中部，构成能够分别控制的感应磁极。径向均匀设置的四个磁极相互之间依次错开90度(参见图1)，当控制每个磁极上的线圈绕组的加电顺序，使得转子1按照右上→左上→左下→右下的次序循环执行吸合动作；再细分电路，就能够实现转子1绕定子2的轴线作匀速的公转运动：即在圆周径向平面内相对于电机主轴作平动。

本发明电机的转子1分别藉由其燕尾凸块分别嵌装在内转子固定架8与支架9和内齿圈4组成的内平动机构，以及嵌装在外转子固定架10与支架11和内齿圈4组成的外平动机构。当转子1在做公转运动时，将带动内、外平动机构和内齿圈4一起平移运动，外齿轮3则与内齿圈4产生啮合运动，根据齿轮啮合原理，外齿轮3将输出低速的自转运动。

参见各附图，下面具体介绍本发明电机各个零件的结构组成，其零件包括：电机的转子1、定子2，齿轮减速机的渐开线的外齿轮3和内齿圈4，主轴5，滚动轴承6，偏心轴7、内转子固定架8，内转子支架9，外转子固定架10，外转子支架11、机壳12和端盖13等。

电机的转子1为一侧设有燕尾凸块的长方体构件(参见图7和图9)，内转子固定架8是其4个侧面分别设有燕尾槽的四方体构件，分设在每个定子2左右两侧的内、外两个转子1藉由该燕尾凸块分别嵌装于内、外两个转子固定架8和10上，内转子支架9呈十字形平板构件(参见图10)，其中央通孔的四周分别设有螺孔9A，该螺孔9A用于将两个内转子支架9螺固在内转子固定架8的两端而成为一体。外侧设有4个轴承座通孔9B。外转子固定架10为长方体的空心框架构件(参见图11和图12)，框架四角立柱设有燕尾槽，用以嵌装外转子1；外转子支架11呈正方形板状构件，其四边中间位置设有4个轴承座通孔，在其四角的凸缘上设有螺孔11A，并藉由螺钉和外转子固定架10螺固连接为一体。

该内、外两个转子固定架8、10分别螺固连接其两端的内、外两个转子支架9、11设置的4个轴承座孔9A、11C与其承载的4个偏心轴7构成平动机构的转动约束副。内转子支架9、外转子固定架10和外转子支架11上分别设有轴承座孔9B、10B、11B，这些轴承座孔内穿过4个偏心轴7中间的7B部分，4个偏心轴7的两端7A则固装在机壳12和端盖13上的轴承孔12A、13A内的轴承上，4个偏心轴7又形成平动约束，在该4个偏心轴约束下，该平动机构在径向平面内相对于电机主轴轴线作公转切线方向的平动，并限制其不能作自转运动，并且，内、外平动机构的运动位置完全对称，从而抵消了惯性振动力。

因电机轴向设置的两个内、外转子支架9、11分别固装在磁极两端，该两个内、外转子支架9、11分别螺接一个结构相同的内齿圈4，并分别通过4个偏心轴7及其轴承形成平动机构。

本发明电机的齿轮减速机构中的内齿圈4和外齿轮3均为传统结构：渐开线内齿圈4为薄壁圆环状通孔构件(参见图4)，其径向均布设有4个通孔4A，紧固螺钉穿越该通孔4A与内转子支架9、外转子支架11上的孔9C、11C螺固连接在一起。外齿轮3也是薄壁圆状通孔构件(参见图5)，其中间通孔为半圆形结构3A，用于固装主轴5的中间段5A，以便将转动扭矩传递给主轴5输出。本发明电机的渐开线内齿圈4和外齿轮3组成二齿差的渐开线齿轮减速机构，其减速传动比i为：i＝-Z_i/(Z_i-Z_o)，式中，Z_i和Z_o分别为渐开线内齿圈4和外齿轮3的齿数。该对啮合齿轮将渐开线内齿圈4的公转经过减速后输出，转子1带动内齿圈3公转一周，其外齿轮3仅转动两个齿，藉此能够从主轴5输出低转速和大扭矩。

总之，本发明电机的结构特点是通过转子1上的内齿圈4与定子2上的外齿轮3在电磁驱动力作用下相互啮合，缩短定子2与转子1之间的作用距离，增大作用力，使减速机和电动机真正成为一个整体。

本发明已经研制成功了试验样机，并进行了实施试验。该试验样机的各项设计参数及实现的性能为：内齿圈齿数：26，外齿轮齿数：24，传动比：13∶1，电机宽度94mm，电机高度94mm，电机总长73.5mm，加载电压40V时实测的峰值电流为18A。该电机采用四相八拍的脉冲电信号驱动，在转速为300转/分时，输出力矩可达：5Nm。尽管试验样机仍然存在一些需要改进之处，但是，总体的试验结果是成功的，实现了发明目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。