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CN118487397B - 轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置 - Google Patents

轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，包括一体化驱动单元、支撑臂和工作臂，所述一体化驱动单元设置在支撑臂和工作臂活动连接形成的转动装置。本发明轴向磁场电机的转子部分完全嵌入谐波减速器内部，因此大幅缩短转动装置轴向尺寸；其次，转子采用无轭部设计，将转子轭分离成为静止轭，因此大幅减小转动装置机械时间常数；最后，静止轭采用分块嵌入式支架的固定方式，缩短了静止轭轴向尺寸，使得电机转子完全嵌入谐波减速器成为可能。本发明的机壳内空间紧凑，单位体积输出转矩输出远超出常规产品。

Description

轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置
技术领域
本发明属于电动传动领域，具体为一种轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置。
背景技术
电机减速器一体化转动装置广泛应用于人形机器人、工业机器人、高端装备等领域。目前常见技术是将常规的径向磁场伺服电机与减速器集成，伺服电机高速运行，将高速低转矩的机械功率输入到减速器，减速器起到降低转速、增加转矩的作用。现有技术的缺点是常规电机与减速器集成体的轴向长度太长，不适合扁平空间的应用，例如汽车轮毂、扁平平台。
轴向磁场电机与谐波减速器是电机与减速器领域具有低长度直径比（长径比）的结构形式，其中谐波减速器可以在扁平空间内提供较大减速比，因此非常适合应用于扁平空间的一体化转动装置。然而，常规轴向磁场电机的转子部分具有较大惯量，其中，转子部分磁轭占据很大比重，且随着电机直径增大，这部分比重迅速增加。磁轭的转动惯量占比过大问题导致轴向磁场电机转子转动惯量剧增，因此无法满足快起快停、高动态响应的要求，进而不适合作为伺服电机。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，以解决上述现有技术的两个问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，包括一体化驱动单元、支撑臂和工作臂，所述一体化驱动单元设置在支撑臂和工作臂活动连接形成的转动装置内部，所述一体化驱动单元包括无法兰端盖的轴向磁场电机和中空式谐波减速器，所述轴向磁场电机包括转子部分、定子部分、传动轴和轴承，所述轴向磁场电机的转子部分包括伸入中空式谐波减速器的空腔中，所述谐波减速器包括钢轮、柔轮和波发生器，通过传动轴带动波发生器高速旋转，波发生器内的椭圆形凸轮在柔轮内旋转使柔轮产生变形，使钢轮和柔轮的轮齿在啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，产生错齿运动，实现了波发生器到柔轮的运动传递。
优选地，所述转子部分采用磁轭分离结构，包括永磁转子和静止轭，其中永磁转子包括轮辐状固定支架和轴向充磁的磁钢，磁钢等间距嵌入转子支架中，相邻的磁钢充磁方向相反，转子支架固定在电机传动轴，随电机传动轴一起高速旋转，所述静止轭包括静止轭支架和磁轭，其中磁轭嵌入静止轭支架中，静止轭支架固定在谐波减速器内腔。
优选地，静止轭支架和磁轭均由导磁材料制成。
优选地，所述静止轭和永磁转子之间留有气隙。
优选地，所述柔轮内部为空腔 ，用于作为谐波减速器的内腔，所述波发生器位于柔轮内，柔轮位于钢轮内。
优选地，所述转子部分与传动轴连接，定子部分与机壳连接，转子部分与定子部分之间设有气隙，轴承设置在传动轴上。
优选地，所述轴向磁场电机的定子部分包括定子铁心和绕组，所述绕组嵌入到定子铁心面向永磁转子一侧的定子槽中，定子铁心通过嵌入到机壳内的凹槽中固定在机壳上，机壳通过螺丝固定在谐波减速器的机壳上，谐波减速器机壳与钢轮用螺丝固定，处于静止状态。
优选地，所述电机绕组端部外径大于定子铁心。
优选地，所述轴向磁场电机转子通过传动轴与谐波减速器的波发生器通过键传动连接，一起高速旋转。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明中轴向磁场电机的转子部分完全嵌入谐波减速器内部，因此大幅缩短转动装置轴向尺寸；其次，转子采用无轭部设计，将转子轭分离成为静止轭，因此大幅减小转动装置机械时间常数；最后，静止轭采用分块嵌入式支架的固定方式，缩短了静止轭轴向尺寸，使得电机转子完全嵌入谐波减速器成为可能。本发明的机壳内空间紧凑，单位体积输出转矩输出远超出常规产品。
附图说明
图1是本发明的轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置结构示意图。
图2是本发明的轴向磁场轻量化转子电机结构示意图。
图3是本发明的轴向磁场轻量化转子电机的转子结构示意图。
图4是本发明的轴向磁场轻量化转子电机的空载磁场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，包括一体化驱动单元（1）、支撑臂（3）和工作臂（4），所述一体化驱动单元（1）设置在支撑臂（3）和工作臂（4）活动连接形成的转动装置内部，所述一体化驱动单元（1）包括无法兰端盖的轴向磁场电机和中空式谐波减速器（2），所述谐波减速器（2）包括钢轮（21）、柔轮（22）和波发生器（23），所述柔轮（22）内部为空腔 ，用于作为谐波减速器（2）的内腔，所述波发生器（23）位于柔轮（22）内，柔轮（22）位于钢轮（21）内。
如图2所示，进一步的实施例中，所述轴向磁场电机包括转子部分、定子部分、传动轴（16）和轴承（17）；其相对位置关系如图1 所示，转子部分与传动轴（16）连接，定子部分与机壳（11）连接，转子部分与定子部分之间有1mm的气隙，下面具体介绍各部分的组成和连接关系。轴承（17）设置在传动轴（16）上。
进一步的实施例中，如图3所示为本发明的轴向磁场轻量化转子电机的转子结构示意图，其中转子部分采用磁轭分离结构，包括永磁转子（14）和静止轭（15）两部分，其中永磁转子（14）包括轮辐状固定支架（141）和轴向充磁的磁钢（142），磁钢（142）等间距嵌入转子支架（141）中，相邻的磁钢（142）充磁方向相反，转子支架（141）固定在电机传动轴（16），随电机传动轴（16）一起高速旋转。该结构使得永磁转子（14）轻量化，即具有很小的转动惯量，从而满足伺服电机高动态响应的要求，大幅减小转动装置的机械时间常数。所述永磁转子（14）和静止轭（15），伸入谐波减速器空腔内。
进一步的实施例中，如图1和图2 所示，所述静止轭（15）由静止轭支架（151）和磁轭（152）组成，其中磁轭（152）嵌入静止轭支架（151）中，静止轭支架（151）固定在谐波减速器（2）内腔，即与谐波减速器柔轮（22）通过涨紧、胶水等方式连接，与谐波减速器柔轮（22）一起低速旋转。在这种结构中，转子的磁路是分割的，意味着永磁转子（14）本身无法独立形成一个闭合磁路。因此，需要静止轭（15）紧靠永磁转子（14）布置才能将磁路闭合。
具体的实施例中，静止轭支架（151）和磁轭（152）均由导磁材料制成，例如静止轭支架（151）使用电工纯铁，磁轭（152）使用径向叠压的硅钢片，并且使磁轭（152）的内、外径与磁钢（142）一致，可以大大降低静止轭（15）的涡流损耗。此外，静止轭（15）和永磁转子（14）之间仅留有1mm的气隙，以尽可能减小闭合磁路的磁阻。
进一步的实施例中，如图2 所示，所述轴向磁场电机的定子部分包括定子铁心（12）和绕组（13），所述绕组（13）嵌入到定子铁心（12）面向永磁转子（14）一侧的定子槽中。如图1所示，定子铁心（12）通过嵌入到机壳（11）内的凹槽中固定在机壳（11）上，而机壳（11）通过螺丝固定在谐波减速器（2）的机壳上，谐波减速器机壳与钢轮（21）用螺丝固定，处于静止状态；电机绕组（13）端部外径大于定子铁心（12），位于电机机壳（11）腔内。
进一步的实施例中，为了减小定子铁心（12）的涡流损耗，定子铁心（12）采用硅钢片围绕电机轴向方向卷绕的方式制成。
进一步的实施例中，所述轴向磁场电机转子通过传动轴（16）与谐波减速器的波发生器（23）通过键传动连接，一起高速旋转。
通过传动轴（16）带动波发生器（23）高速旋转，波发生器（23）内的椭圆形凸轮在柔轮（22）内旋转使柔轮产生变形，使钢轮（21）和柔轮（22）的轮齿在啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，产生错齿运动，实现了波发生器（23）到柔轮（22）的运动传递。
进一步的实施例中，通过有限元分析软件得到本发明的轴向磁场轻量化转子电机的空载磁场分布示意图，如图4所示。可以观察到，空载时定子铁心（12）和静止轭（15）的磁密均未明显饱和，且由磁密分布可以直观的看出形成的闭合磁路。
本发明通过控制电机绕组（13）的电流使得永磁转子（14）产生转矩，并由传动轴（16）带动谐波减速器（2）的波发生器（23）高速旋转，进而使得柔轮（22）低速旋转，将动力从永磁转子（14）传递到柔轮（22）。仅需分别将机壳（11）和柔轮（22）与支撑臂（3）和工作臂（4）固定，即可实现转动装置的驱动。
本发明首先通过轴向磁场电机与谐波减速器结合，将电机转子部分嵌入谐波减速器空腔，缩短一体化单元的轴向尺寸；
其次是通过将轴向磁场电机转子的励磁部分与磁轭部分分离，大幅降低转子转动惯量，从而满足伺服电机高动态响应的要求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换。

Claims (7)

1.一种轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，其特征在于，包括一体化驱动单元(1)、支撑臂(3)和工作臂(4)，所述一体化驱动单元(1)设置在支撑臂(3)和工作臂(4)活动连接形成的转动装置内部，所述一体化驱动单元(1)包括无法兰端盖的轴向磁场电机和中空式谐波减速器(2)，所述轴向磁场电机包括转子部分、定子部分、传动轴(16)和轴承(17)，所述轴向磁场电机的转子部分包括伸入中空式谐波减速器(2)的空腔中，所述谐波减速器(2)包括钢轮(21)、柔轮(22)和波发生器(23)，通过传动轴(16)带动波发生器(23)高速旋转，波发生器(23)内的椭圆形凸轮在柔轮(22)内旋转使柔轮产生变形，使钢轮(21)和柔轮(22)的轮齿在啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，产生错齿运动，实现了波发生器(23)到柔轮(22)的运动传递，所述转子部分采用磁轭分离结构，包括永磁转子(14)和静止轭(15)，其中永磁转子(14)包括轮辐状固定支架和轴向充磁的磁钢(142)，磁钢(142)等间距嵌入转子支架(141)中，相邻的磁钢(142)充磁方向相反，转子支架(141)固定在电机传动轴(16)，随电机传动轴(16)一起高速旋转，所述静止轭(15)包括静止轭支架(151)和磁轭(152)，其中磁轭(152)嵌入静止轭支架(151)中，静止轭支架(151)固定在谐波减速器(2)内腔；所述静止轭(15)和永磁转子(14)之间留有气隙。
2.根据权利要求1所述的轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，其特征在于，静止轭支架(151)和磁轭(152)均由导磁材料制成。
3.根据权利要求1所述的轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，其特征在于，所述柔轮(22)内部为空腔，用于作为谐波减速器(2)的内腔，所述波发生器(23)位于柔轮(22)内，柔轮(22)位于钢轮(21)内。
4.根据权利要求1所述的轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，其特征在于，所述转子部分与传动轴(16)连接，定子部分与机壳(11)连接，转子部分与定子部分之间设有气隙，轴承(17)设置在传动轴(16)上。
5.根据权利要求1所述的轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，其特征在于，所述轴向磁场电机的定子部分包括定子铁心(12)和绕组(13)，所述绕组(13)嵌入到定子铁心(12)面向永磁转子(14)一侧的定子槽中，定子铁心(12)通过嵌入到机壳(11)内的凹槽中固定在机壳(11)上，机壳(11)通过螺丝固定在谐波减速器(2)的机壳上，谐波减速器机壳与钢轮(21)用螺丝固定，处于静止状态。
6.根据权利要求1所述的轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，其特征在于，所述绕组(13)端部外径大于定子铁心(12)。
7.根据权利要求1所述的轴向磁场轻量化转子的电机减速器一体化转动装置，其特征在于，所述轴向磁场电机转子通过传动轴(16)与谐波减速器的波发生器(23)通过键传动连接，一起高速旋转。
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