CN203339909U

CN203339909U - 一种三相内滚动式啮合电动机

Info

Publication number: CN203339909U
Application number: CN2013201164137U
Authority: CN
Inventors: 赵忠彪; 丁瑞华; 李瑞华; 葛新锋; 张元敏
Original assignee: SCHOOL OF ELECTRICAL ENGINEERING XUCHANG UNVERSITY
Current assignee: Xuchang University
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2023-03-14

Abstract

本实用新型公开了一种三相内滚动式啮合电动机，采用三个定子驱动一个转子的磁极结构，在每个定子上设置一个绕组，三个定子及绕组在径向上对称布置，中间为转子，转子中心固装一个芯轴，芯轴后端连接十字滑块机构约束转子的自转运动，前端通过滚动轴承与外齿轮连接；适当控制绕组的通电时间和电流方向可以驱动转子在径向平面内作公转运动，同时带动外齿轮与固定在机壳上的内齿圈啮合，再通过孔销约束机构由外齿轮带动输出轴输出自转运动。本实用新型电动机的结构简单，零件数量少，装配容易，输出转矩大。

Description

一种三相内滚动式啮合电动机

技术领域

本实用新型涉及一种三相内滚动式啮合电动机，确切地说，涉及一种利用定、转子之间产生的磁场力，将电能转换为机械能，并通过内啮合齿轮减速机构输出转矩的啮合电机，属于电力驱动设备的技术领域。

背景技术

工业应用中的轻型机器人关节驱动机构中普遍由伺服电机与谐波减速器构成，体积较大，成本较高。近年来，国内外学者将减速机构与电机进行一体化的研究，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；采用基于齿轮啮合的减速传动原理的压电摆线电机，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。同时，由于齿轮啮合传动的优势，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先后研制成功：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。

综上，上述各种电机大都并未形成一体化机构，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。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种三相内滚动式啮合电动机，将齿轮内啮合传动机构作为减速输出部件的低转速、大转矩的滚动式啮合电机，是一种结构简单、紧凑和实用的齿轮啮合传动电机，适用于机器人关节等对安装空间有限制的场合。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，一种三相内滚动式啮合电动机，是将电机和减速机集成为一体的大转矩、低转速的电动机，

所述电机在径向上对称设有三个定子，三个定子中间布置一个转子，定、转子皆由软磁材料构成；转子形状为三叉型，中心有半圆型孔，孔内穿过一芯轴，芯轴轴后端的凸台和前端的挡圈将转子轴向固定；芯轴的后端凸台上开有槽，与一个圆形十字滑块上的凸起部分相配合，十字滑块另一侧的凸起部分与滑块支架上的凹槽相配合，滑块支架通过螺钉固联在滑块后盖上；芯轴与转子在十字滑块及滑块支架的约束下，只能在径向上作平面运动，而不能作自传运动；芯轴的前端固装在1个滚动轴承的内孔中，轴承外圈固装在外齿轮后端中心孔中，外齿轮上开有4个孔，每个孔内穿过一个输出轴后端面上固定的圆柱销，两者形成孔销约束机构，外齿轮可以相对于输出轴作公转运动而不能做自转运动；定子为半环形中间凸起结构，每两个定子间穿过一长圆柱销钉，每个销钉同时穿过内齿圈端面上半圆孔，销钉两端安装在电机前后端盖上的盲孔中；定子中间凸起部分安装有绕组，当绕组加电后，转子受到电磁力作用而运动，同时带动芯轴及外齿轮运动；当三个定子绕组按照设定顺序和电流方向加电后，转子将在十字滑块的约束下在径向平面内作公转运动，与此同时，转子带动外齿轮与固联在机壳上的内齿圈相啮合，外齿轮通过孔销约束机构带动输出轴输出低速、大转矩的转动。

优选地，所述定子为半环形中间带凸起结构，环形两末端各有一个半圆凹槽，中间凸起上安装绕组，当绕组通电后，产生的电磁力驱动转子在电机径向上运动。

优选地，所述转子为三叉形状，由硅钢片叠压构成，转子中心设有半圆型孔。

优选地，所述芯轴与转子配合段径向截面为半圆型，靠近电机后部一端设有凸台，并在台面上开有直槽。

优选地，所述外齿轮轴向后端一侧中心有孔，孔内安装滚动轴承与芯轴前端配合形成转动副连接。

优选地，外齿轮轴一端有圆柱凸台，凸台端面上有环形槽，用于储存润滑油。

优选地，所述机壳外侧为四方形，内侧为圆形的通孔构件，内壁轴向上有3个半圆槽与3个圆柱销钉配合。

优选地，前、后端盖内侧各有3个盲孔，孔内装入圆柱销钉。

优选地，输出轴的后端为盘型，上设置4个圆柱销。

优选地，内齿圈端面上边缘部分均布有3个半圆孔，孔内装入长圆柱销钉，用于内齿圈的径向固定。

本实用新型的三相内滚动式啮合电动机设有：电机的定子、绕组、转子，内齿圈和外齿轮，由芯轴、十字滑块、滑块支架和滑块后盖构成的平动约束机构，由输出轴与外齿轮构成的孔销机构，以及机壳、圆柱销钉与两端的端盖；其中外齿轮通过轴承与芯轴连接，藉由转子带动芯轴及外齿轮啮合公转运动并与内齿圈啮合，使得外齿轮输出自转运动，并通过孔销机构带动输出轴输出自转运动，

所述电机设有径向上对称3个定子、绕组和1个转子，转子中心固装一芯轴，芯轴前端固装在外齿轮上镶嵌的轴承内孔中，另一端设有凸台，凸台上的凹槽与十字滑块上的凸起相配合，十字滑块另一端的凸起装入滑块支架上的凹槽内，滑块支架则螺固滑块后盖上，转子在芯轴、十字滑块和滑块端盖的约束下只能作公转运动，而不能自转；当3个定子线圈绕组按照设定顺序加电后，就驱动转子在十字滑块约束下做径向的公转运动，与此同时，转子带动外齿轮一起转动，外齿轮与内齿圈啮合后输出低速、大转矩的转动，同时利用输出轴与外齿轮之间的孔销机构，带动输出轴输出转动。

所述电机设有3个定子，3个定子对称布置，并且两端的半圆槽两两相对，中间穿过圆柱销钉形成定子的径向固定，轴向上依靠机壳内壁上的凸起及后端盖上的轴肩形成定位。

所述电机设有一个转子，转子中间有半圆形通孔，孔内固装一半圆形载面的芯轴，芯轴一端设有凸台，另一端安装轴用挡圈固定转子。

所述电机芯轴后端凸台设有凹槽，凹槽与一个十字滑块上的凸起相配合，十字滑块另一端上的凸起装入滑块支架上的凹槽内，滑块支架螺固于滑块后盖上；芯轴、十字滑块、滑块支架与滑块后盖形成十字滑块机构，使得转子只能径向移动而不能自转运动；芯轴的前端装入外齿轮上安装的轴承内孔中。

所述输出轴一端固装电机前端盖上的轴承孔内，该输出轴后端盘面上均布有4个圆柱销，分别装入外齿轮上的4个孔内，孔与圆柱销的半径差等于外齿轮的公转半径，使得外齿轮能将自身的旋转运动传递给输出轴能够输出，而输出轴不会限制外齿轮的公转运动。

所述机壳为外侧四方形内侧圆形通孔构件，其内壁设有3个半圆形凹槽，圆柱销钉固装在凹槽内。

所述端盖为与机壳相对应的正方形板状构件，内侧有圆形凸台与机壳内壁配合，中间设有固装输出轴的轴承座通孔，四周均匀分布3个盲孔，用于固装圆柱销钉。

所述圆柱销钉有3个，分别穿过3个定子与内齿圈上的半圆形孔，这些圆柱销钉的两端分别固装在机壳两端的端盖上的盲孔内，3个圆柱销钉固定了定子及内齿圈在径向平面内的位置。

所述外齿轮一端为凸台结构，凸台端面设有环形槽，另一端为通孔，内部固装轴承。

所述内齿圈四周均布3个半圆孔，分别固装3个圆柱销对内齿圈径向定位。

本实用新型是一种低转速、大转矩的三相内滚动式啮合电动机，真正将电机与减速机融合一体，而且还具有下述创新优点：

电机结构及其简单，平动构件只有4个，大大减小了惯量，精简了机构，降低了加工与装配难度。

附图说明

图1是本实用新型三相内滚动式啮合电动机的内部组成结构图；

图2、3、4(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的磁极吸合方式及减速机啮合传动原理图；

图5是本实用新型三相内滚动式啮合电动机的轴向剖视图；

图6(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机中的内齿圈的主视图和轴测图；

图7(A)、(B)、(C)分别是本实用新型啮合电机中的外齿轮的主视图和轴测图；

图8(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机中的定子主视图和轴测图；

图9(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机中的转子主视图和轴测图；

图10(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机中的输出轴主视图和轴测图；

图11(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的芯轴主视图和轴测图；

图12(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的十字滑块主视图和轴测图；

图13(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的滑块支架主视图和轴测图；

图14(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的滑块后盖主视图和轴测图；

图15(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的机壳的主视图和轴测图；

图16(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的前端盖的主视图和轴测图；

图17(A)、(B)分别是本实用新型啮合电机的后端盖的主视图和轴测图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

参见图1～图17，介绍本实用新型三相内滚动式啮合电动机的结构组成：它是将电机和减速机集成为一体，并具有一定的自锁、制动且能够直接输出低转速、大扭矩的电动机。该三相内滚动式啮合电动机，是将电机和减速机集成为一体的大转矩、低转速的电动机，

优选地，前、后端盖内侧各有3个盲孔，孔内装入圆柱销钉。

优选地，输出轴的后端为盘型，上设置4个圆柱销。

该电机设有：电机的定子9、绕组8、转子1，齿轮减速机的内齿圈7、外齿轮5和输出轴3，芯轴12与十字滑块13及滑块支架14构成平动约束机构，支撑部分为机壳10、前端盖6和后端盖11。其中外齿轮5上孔套在输出轴3后端的圆柱销上，藉由外齿轮7相对与内齿圈5的公转运动，使得外齿轮5带动输出轴3输出低速、大转矩的自转运动；穿过内齿圈与定子上半圆孔的三个圆柱销钉16两端都固装在电机端盖6、11上的孔内；输出轴3固装于电机前端盖6中心的轴承4中，轴承4则安装在端盖6上的轴承座中。定子绕组8按照设定顺序加电后，其电机转子1在径向上运动，同时带动芯轴12在十字滑块13的约束下做径向公转运动；与此同时，芯轴12带动外齿轮5一起做公转运动并与固定的内齿圈7啮合，由外齿轮5带动输出轴3输出低速、大转矩的自转转动；同时，在运动过程中，转子1没有自转运动，只有公转运动，使定、转子的磁极面始终相互平行，气隙变化均匀，方便了电机控制。

参见图1和图2，介绍本实用新型电机中的电磁绕组的结构组成和工作原理：

本实用新型电机设有三个定子9(参见图8)和一个转子1(参见图9)，线圈8绕制在定子9中部的凸起处。三个定子9在径向平面内对称错开120度(参见图2)，控制线圈绕组的加电顺序和电流方向，驱动转子1在径向上→左下→右下→上的次序循环移动；再细分电路，就能够实现转子1及绕电机轴线作匀速的公转运动。

本实用新型电机的芯轴12藉由轴用挡圈与转子1固联，同时芯轴12的前端固装在外齿轮5上轴承4的内孔中，当转子1在做公转运动时，将带动芯轴12及外齿轮5一起平移运动，同时外齿轮5则与固定的内齿圈5产生啮合运动，根据齿轮啮合原理，外齿轮5在公转的同时也将输出低速的自转运动，而外齿轮5端面的孔套在输出轴3上的圆柱销上，外齿轮5的自转运动通过输出轴3输出。

参见各附图，下面具体介绍本实用新型电机各个零件的结构组成，其零件包括：电机的转子1、定子9，绕组8、摆线外齿轮5和内齿圈7、芯轴12、轴用挡圈2、滚动轴承4，输出轴3、圆柱销钉16，机壳10、端盖6和11、十字滑块13和滑块支架14、滑块后盖15等。

电机的转子1为三叉形构件(参见图9)，中间设有半圆孔1A，芯轴12中间的12B段装入半圆孔1A内并藉由轴用挡圈2和转子1连接为一体；芯轴12上后端凸台上设有凹槽12C，凹槽12C内装入十字滑块13端面上的凸起部分13A，十字滑块另一端面的凸起13B装入滑块支架14的凹槽14A内，同时，紧固螺钉穿过滑块后盖15上的孔15A旋入螺纹孔14B内，将滑块支架14与滑块后盖15固联在一起；滑块后盖上的孔15B内穿过螺钉旋入后盖11上的螺纹孔11B内，将滑块后盖与电机后盖11固联；在芯轴12、十字滑块14B、滑块支架14及滑块后盖15组成的十字滑块约束下，该转子1在径向平面内相对于电机主轴轴线作公转平动，而限制其不能作自转运动。

本实用新型电机的齿轮减速机构中的内齿圈7为薄壁圆环状通孔构件(参见图6)，其径向均布设有3个半圆孔7A，定位销定16穿过通孔7A、机壳10内壁上的半圆凹槽10A及定子9上的半圆槽9A，同时两端固定在前端盖6和后端盖11上的盲孔6A、11A中；外齿轮5也是薄壁圆状通孔构件(参见图7)，在齿轮轮体上设有孔5A，输出轴3后端上的圆柱销3A穿入5A中，两者半径差等于外齿轮5的公转半径，当外齿轮5公转运动并与内齿圈7啮合时，外齿轮5的自转运动将通过圆柱销3A与5A间的孔销约束传递给输出轴3；外齿轮5前端圆柱凸台平面上设有环形槽5B，以便储存润滑油，后端中间为通孔5C，用于固装轴承4，轴承4内圈中装入芯轴12 的12A段，在转子1带动芯轴12运动时，芯轴12将通过轴承4带动外齿轮5一起做公转运动，并不约束外齿轮5的自转运动。本实用新型电机的摆线内齿圈7和外齿轮5组成一齿差减速机构，其减速传动比i为：i＝-Z_o/(Z_i-Z_o)，式中，Z_i和Z_。分别为渐开线内齿圈7和外齿轮5的齿数。转子1带动外齿轮5公转一周，其外齿轮5与内齿圈7啮合后仅自转动一个齿，藉此能够从输出轴3输出低转速和大扭矩。

本实用新型已经进行了仿真试验，该试验样机的各项设计参数及实现的性能为：内齿圈齿数：65，外齿轮齿数：64，传动比：64∶1，电机高度40mm，电机高度40mm，电机总长37.5mm，理论输出力矩可达：2Nm。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，实现了实用新型目的。

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

Claims

1.一种三相内滚动式啮合电动机，是将电机和减速机集成为一体的大转矩、低转速的电动机，其特征在于：

所述电机在径向上对称设有三个定子，三个定子中间布置一个转子，定、转子皆由软磁材料构成；转子形状为三叉型，中心有半圆型孔，孔内穿过一芯轴，芯轴轴后端的凸台和前端的挡圈将转子轴向固定；芯轴的后端凸台上开有槽，与一个圆形十字滑块上的凸起部分相配合，十字滑块另一侧的凸起部分与滑块支架上的凹槽相配合，滑块支架通过螺钉固联在滑块后盖上；芯轴与转子在十字滑块及滑块支架的约束下，只能在径向上作平面运动，而不能作自传运动；芯轴的前端固装在1个滚动轴承的内孔中，轴承外圈固装在外齿轮后端中心孔中，外齿轮上开有4个孔，每个孔内穿过一个输出轴后端面上固定的圆柱销，两者形成孔销约束机构，外齿轮可以相对于输出轴作公转运动而不能做自转运动；定子为半环形中间凸起结构，每两个定子间穿过一长圆柱销钉，每个销钉同时穿过内齿圈端面上半圆孔，销钉两端安装在电机前、后端盖上的盲孔中；定子中间凸起部分安装有绕组，当绕组加电后，转子受到电磁力作用而运动，同时带动芯轴及外齿轮运动；当三个定子绕组按照设定顺序和电流方向加电后，转子将在十字滑块的约束下在径向平面内作公转运动，与此同时，转子带动外齿轮与固联在机壳上的内齿圈相啮合，外齿轮通过孔销约束机构带动输出轴输出低速、大转矩的转动。

2.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：所述定子为半环形中间带凸起结构，环形两末端各有一个半圆凹槽，中间凸起上安装绕组，当绕组通电后，产生的电磁力驱动转子在电机径向上运动。

3.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：所述转子为三叉形状，由硅钢片叠压构成，转子中心设有半圆型孔。

4.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：所述芯轴与转子配合段径向截面为半圆型，靠近电机后部一端设有凸台，并在台面上开有直槽。

5.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：所述外齿轮轴向后端一侧中心有孔，孔内安装滚动轴承与芯轴前端配合形成转动副连接。

6.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：外齿轮轴一端有圆柱凸台，凸台端面上有环形槽，用于储存润滑油。

7.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：所述机壳外侧为四方形，内侧为圆形的通孔构件，内壁轴向上有3个半圆槽与3个圆柱销钉配合。

8.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：前、后端盖内侧各有3个盲孔，孔内装入圆柱销钉。

9.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：输出轴的后端为盘型，上设置4个圆柱销。

10.根据权利要求1所述的三相内滚动式啮合电动机，其特征在于：内齿圈端面上边缘部分均布有3个半圆孔，孔内装入长圆柱销钉，用于内齿圈的径向固定。