CN119231862A - 一种滚动磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动磁阻电机，包括壳体，壳体内设有转子组件、定子组件、端盖组件、传动组件和轴承组件，所述转子组件包括左转子磁钢、中间转子磁钢和右转子磁钢。定子组件包括定子磁钢，定子磁钢上设有绕组，定子磁钢分别套设在左转子磁钢、中间转子磁钢和右转子磁钢的外部。端盖组件包括左端盖和右端盖，传动组件包括传动轴、左转子支撑件、中间转子支撑件和右转子支撑件，所述轴承组件包括左主轴承、右主轴承、传动轴左轴承、传动轴右轴承、左曲轴轴承、右曲轴轴承、左定位曲轴和右定位曲轴，左主轴承和右主轴承分别套设在左端盖和右端盖上。传动轴左轴承位于左端盖内，传动轴右轴承位于右端盖内。

Description

一种滚动磁阻电机

技术领域

本发明属于电机设备技术领域，具体涉及一种滚动磁阻电机。

背景技术

人形机器人等机器人技术的发展，对关节驱动技术提出了更高的性能要求。关节驱动模组不仅需要具有极高的峰值力矩，也需要具有很快响应能力。电机直驱的方式尽管具有很高的快速响应能力，但电机的力矩密度往往难以满足关节驱动模组的需求。因此，由电机和减速器组成的准直驱关节驱动模组成为现在主流的关节驱动解决方案。然而，准直驱关节驱动模组的减速比难以有效平衡峰值力矩和快响应能力，减速比高则响应性能下降，减速比低则力矩难以满足关节驱动的需求。能够克服“电机+减速器”准直驱方式缺点的创新理念的电动机，长久以来一直受到关注。早在1897年，美国专利US586823便提出了一种偏心转子电机结构，定转子之间摩擦传动，并通过非等速万向节将动力传递给输出轴；之后与该专利思路相似的电机被不断发展，2016年授权的专利CN103444062B采用单个外齿轮转子与内齿轮定子进行啮合，由圆周阵列的轴向磁通的磁极通过电磁力致动转子在定子内进行偏心滚转；2016年授权的专利CN102106063B采用圆周分布的永磁体转子和径向磁通的定子，定转子之间根据磁齿轮原理进行啮合，由电磁力致动转子在定子内滚转，并采用配重来平衡单个转子的动不平衡问题。1999年授权的专利JPH1275851提出了双转子来缓解动不平衡问题的偏心转子电机结构，定转子之间可以采用磁齿轮或常规齿轮进行啮合，动力输出采用类似传统摆线针轮减速器的形式。这种采用偏心转子形式的电机尽管经历了长期发展，但无论在工作原理上还是动力传输方式上，都仍不够完善，主要表现在：1、转子的动不平衡问题，大多设计都采用单个转子，因此只能在较低的转速下运行。而采用配重的方式又会带来结构异常复杂的问题；采用交错的两个转子又会出现轴向动不平衡和两转子之间磁力干扰问题。2、动力输出的问题，已有的设计将转子在定子内的偏心滚转运动转化成中心轴输出的方法，大多采用阶梯齿轮、万向节、柔性轴、十字滑块等，普遍存在电机结构复杂、个别零件不易设计和加工制作、传递效率低等问题。3、磁路设计问题，采用永磁体偏心转子时，由于磁力与距离的非线性关系会导致电机运行不平稳；而采用磁阻式偏心转子式，已有的设计尚未对如何减小定转子之间的磁阻并使换相时力矩平稳的问题进行描述。4、结构复杂，为使偏心转子电机能够进行正常运转，需要在结构上不仅考虑绕组设计等电磁致动等问题，还需要考虑将偏心轴的动力输出问题，致使电机整体结构特别复杂，不利于工程化。另外，偏心转子电机的已有进展还存在输出力矩计算方法不明确、换相不平顺、定转子之间的打滑(或着是脱啮、丢步)等问题。

现有的准直驱关节驱动器的减速器，主要有行星减速器和谐波减速器两种。其中行星减速器单级减速比低(一般不超过10)，虽然便于保证关节驱动的快速响应能力(比如跟随性能等)，但会使关节驱动模组的输出力矩受限；谐波减速器则相反，其结构紧凑减速比大，但对应关节模组的快速响应能力受限。

现有技术的常规电机工作时，定转子磁极之间的电磁作用力可分解为径向力和切向力，由于转子中心对称的结构特征，转子所受的总的径向力的合力为零，因此电机仅靠电磁力的切向力产生力矩而工作。通常情况下电磁力径向力的分力是其切向力分力的20倍以上，如果能够设计一种电力利用该径向力产生力矩，则直观上可以产生更大的力矩。鉴于中心对称的转子径向力的合力始终为零因而不能利用径向力做功，如果将转子进行偏心布置，因中心布置的转子处于不稳定平衡状态，则将其偏心后可受到更大的电磁径向力。如果再将该径向力和径向运动转换成切向力和切向运动，则可以产生相当大的力矩。该转换可以通过将定转子之间采用齿轮啮合的方式来实现。齿轮啮合不仅便于实现和有利于运动的转换，还可以进一步降低定转子之间的磁阻，有利于提高电磁径向力。单个转子的偏心运动会由于动不平衡而产生震动，致使电机转子不能高速运转而使电机的输出功率受限。

发明内容

本发明的目的针对上述问题，提供一种结构简单、输出力矩大、转动惯量小，动平衡性能好的滚动磁阻电机。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种滚动磁阻电机，包括壳体，壳体内设有转子组件、定子组件、端盖组件、传动组件和轴承组件，所述转子组件包括左转子磁钢、中间转子磁钢和右转子磁钢，左转子磁钢、中间转子磁钢和右转子磁钢均为圆环状结构且外表面为齿轮结构，定子组件包括定子磁钢，定子磁钢上设有绕组，定子磁钢为圆环状结构，定子磁钢的内部为齿轮结构，定子磁钢分别套设在左转子磁钢、中间转子磁钢和右转子磁钢的外部且与其呈内啮合；所述端盖组件包括左端盖和右端盖，左端盖和右端盖分别位于壳体的两边，左右端盖间通过螺钉和销钉紧固相连；所述传动组件包括传动轴、左转子支撑件、中间转子支撑件和右转子支撑件，左转子磁钢套设在左转子支撑件上，中间转子磁钢套设在中间转子支撑件上，右转子磁钢套设在右转子支撑件上，各转子磁钢与其支撑件紧固连接，传动轴穿过左转子支撑件、中间转子支撑件和右转子支撑件上的传动轴孔；所述轴承组件包括左主轴承、右主轴承、传动轴左轴承、传动轴右轴承、左曲轴轴承、右曲轴轴承、左定位曲轴和右定位曲轴，左主轴承和右主轴承分别套设在左端盖和右端盖上，传动轴左轴承位于左端盖内，传动轴右轴承位于右端盖内，传动轴左轴承和传动轴右轴承分别套设在传动轴的两端，左定位曲轴的两端分别套设有左曲轴轴承，且位于左转子支撑件和中间转子支撑件的内部，右定位曲轴的两端分别套设有右曲轴轴承，且位于中间转子支撑件和右转子支撑件的内部。

优选地，所述齿轮结构的齿廓采用具有高重合度的内啮合摆线齿廓，该齿廓需要首先计算滚圆半径，设内齿轮节圆半径为R_p，内齿轮齿顶圆半径为R_a，内齿轮齿顶高为H，外齿轮节圆半径为r_p，外齿轮齿顶圆半径为r_a，外齿轮齿顶高为h，则滚圆半径r_g为过齿轮啮合状态下两节圆切点和两齿顶圆交点的圆的半径，其算式为：

摆线轮齿一侧齿廓曲线以齿轮节圆为界分为齿顶部分和齿根部分，外齿轮的齿顶部分和内齿轮的齿顶部分为共轭齿廓，即啮合时的有效区域；其齿廓曲线在直角坐标系下的表示为：

其中：设R为基圆半径，此处为外齿轮节圆半径为r_p或内齿轮节圆半径为R_p；θ为滚圆与基圆圆心连线沿基圆圆心旋转所转过的角度；当R取r_p时产生的曲线为外齿轮齿顶部分的摆线齿廓曲线；当R取R_p时产生的曲线为内齿轮齿顶部分的摆线齿廓曲线；外齿轮的齿顶部分和内齿轮的齿根部分曲线相同，都是滚圆r_g在外齿轮节圆r_p上的包心外摆线；外齿轮的齿根部分和内齿轮的齿顶部分曲线相同，都是滚圆r_g在内齿轮节圆R_p上的包心内摆线；齿差数Z_d满足Z_d>h_ra+h_Ra，其中h_ra和h_Ra转子和定子齿顶高系数。

优选地，所述转子组件中，左转子磁钢和左转子支撑件，中间转子磁钢和中间转子支撑件，右转子磁钢和右转子支撑件分别构成左转子结构、中间转子结构和右转子结构，左转子结构、中间转子结构和右转子结构的径向尺寸完全一致，仅在轴向尺寸上有区别，其中左转子结构和右转子结构的轴向长度相等，中间转子结构的轴向长度为单侧转子轴向长度的两倍；三段转子相对于模组轴心线偏心布置，两侧转子偏置方式相同，中间转子与两侧转子沿模组轴线对称偏置，其中偏心距皆为定子和转子齿轮节圆的半径之差。

优选地，所述转子磁钢采用软磁性材料，定转子之间采用变化磁阻方式进行能量转换；转子支撑件上设有动力输出轴孔和曲轴轴孔，曲轴轴孔内设有挡圈，传动轴穿过动力输出轴孔，左定位曲轴和右定位曲轴构成定位曲轴，曲轴孔用于装配各段转子之间的定位曲轴；定位曲轴用于保证中间转子结构和两侧的左右转子结构之间对称交错布置的相对位置形态，并配合相应的曲轴轴承和挡圈保持分段转子之间的间隙，以免各分段转子在电磁力作用下吸合在一起从而阻碍各自的运动；每个转子支撑件上可以最优地设计有周向均布的三个曲轴孔和三个动力输出轴孔，其中曲轴孔最少三个，动力输出轴孔最少两个。

优选地，所述传动轴在转子支撑件的传动轴孔内壁上滚动，该孔的半径比传动轴半径大，两者半径差值为转子轴线与定子轴线间的偏心距；传动轴一方面因随转子的自转实现了其沿模组中心轴线的公转，进而带动端盖转动实现动力输出；另一方面，传动轴的自转被其两端的位于其与两侧端盖之间的轴承化解；根据上述传动方式，两侧端盖需要精确对位并紧固连接的原因在于：三个转子支撑件同时驱动传动轴，如果转动轴左右支撑有浮动，则传动轴容易发生轴向偏转，进而使传动不能有效进行；因此，将两侧端盖紧固连接避免了传动轴两端的浮动；将两侧端盖进行精确对位并使两侧端盖上轴承孔的轴线重合，保证传动轴的中心轴线与模组中心轴线平行，进而保证传动有效且平顺，其中的模组中心轴线指的是两侧端盖中心轴线。

优选地，所述一种滚动磁阻电机的力矩计算方法如下，设定子半径为R，转子半径为r，则两半径之差为Δr＝R-r，设转子在定子上缓慢滚动半周，期间转动受到定子恒定的径向电磁合力为F，则电磁力对转子做功为：

W_e＝F×2Δr；

该过程中转子自转角度为且设输出恒定的力矩T，则转子对外输出的机械功为：

忽略该过程中的摩擦等影响，则有W_e＝W_m，进而可得转子的输出静态力矩为：

由上式可见，在定转子的机械尺寸确定后，其输出力矩仅与转子所受的径向电磁力有关。

优选地，所述定子组件的定子磁钢上开设有线槽，在其与转子相对的圆柱面上做有轮齿，齿数为线槽数的整数倍，以使定子磁极间隔半个齿距；线槽为斜槽以使换相更加平顺，线槽斜槽斜向与螺旋齿轮的螺旋方向一致，且线槽斜度为齿轮齿距的整数倍，即β为定子线槽倾斜角及其齿轮螺旋角，m为齿轮模数，L为定子磁钢轴向长度，n为整数倍数。

优选地，所述定子磁钢内部设有磁极，磁极的截面为“T”字形结构，绕组缠绕在磁极中间，磁极的端部为齿轮结构，磁极均匀对称的分布在定子磁钢的内表面。

优选地，所述磁极数为12个时，每相邻两个磁极组成一个磁极对，即为：磁极1和2、磁极3和4、磁极5和6，磁极7和8，磁极9和10，磁极11和12；由于磁阻电机的相电流无需换向，因此可以固定设置每个磁极的极性，磁极1为N极，磁极2为S极，磁极3为N极，磁极4为S极，依次类推；将定子磁极1-2-7-8构成一个极对组并将其绕组串联构成电机的一相，则12个定子磁极可构成3相，同理，如果定子磁极个数为16，则可构成4相电机，磁极个数为20则可构成5相电机，其它相数依次类推；当定子磁极个数为12的整数倍，比如24个磁极时，可以制作成6相电机，也可以制作成3相电机，相数越多，通过控制或单相或多相通电的换相次序，获得更精细的位置控制精度。

优选地，所述一种滚动磁阻电机运转时的相电流通电相序可以采用单相3拍、双相三拍和单双相依次交替混合6拍的方式，其它相数以此类推；在电机低速运转时，做好换相时的电流平滑过渡，可使电机运行平顺；相电流控制的驱动电路的功率拓扑结构，因磁阻电机的相电流不需要换向控制，可采用不对称半桥、n+1个开关器件的功率变换电路，其中n为相数。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种滚动磁阻电机，不仅输出力矩大、而且等效转动惯量小，弥补了现有准直驱关节驱动模组的技术缺陷，是机器人等产业发展潜在的突破性技术。本发明针对偏心转子电机的转子动不平衡、换相不平顺、结构复杂等问题，从基础原理出发，解决其电磁、结构等设计问题，使该形式的电机能够进行工程化制作和应用，具备结构简单、输出力矩大、转动惯量小等优秀性能。

2、本发明的输出力矩大，本发明的关节驱动模组采用比切向力高几十倍的径向电磁力驱动，并采用齿轮啮合将径向力和径向运动转换成切向力和转动，而且设计有特殊齿廓，转换效率高，输出力矩大。本发明模组中转子的公转转速远大于自转转速，且其公转转速与电气转速同步而自转转速即为模组的输出转速，即从电气转速到输出转速的传动比很大。传统直观上以为该传动比越大则模组的输出力矩越大，但这种认识是错误的，因为影响电磁力矩的因素很多，模组输出力矩不存在为这种依据传动比等比例放大电磁力矩的简单关系。为此，本发明给出该模组输出的静态力矩的正确计算方法。该计算方法是通过深入分析本发明模组的工作原理获得的，具有创造性和实用性。

3、本发明的力矩密度高，传统采用“电机+减速器”形式的常规模组，因内部具备电机和减速器各自的完整结构，即使进行深度结构简化，结构也较为复杂。本发明模组采用电磁力致动转子在定子上滚转，进而实现从电气转速到机械输出转速的直接减速，省去了常规模组中从与电气转速同步转动的转子到减速器的传动环节，因此结构十分紧凑，力矩密度高。

4、本发明的堵转性能好，本发明模组的定转子磁钢之间的采用齿轮啮合的方式直接贴合，且采用极小间隙的齿廓设计，因此磁阻很小，较小的定子电流即可在转子上产生很大的电磁径向力，进而可以产生很大输出转矩。因此，当本发明模组在堵转状态下的保持电流较小，模组发热小，特别适合机器人关节驱动等需要经常工作在姿态保持状态下的应用场合。

附图说明

图1是本发明一种滚动磁阻电机的爆炸结构示意图；

图2是本发明摆线齿廓滚圆简化示意图；

图3是本发明摆线齿廓曲线对比图；

图4是本发明齿轮啮合状态示意图；

图5是本发明小模数齿轮啮合状态示意图；

图6是本发明减小齿顶高获得更小的齿差示意图；

图7是本发明转子组件结构示意图；

图8是本发明转子组件的端面示意图；

图9是本发明图7中A-A方向旋转剖视结构示意图；

图10是本发明定子组件结构示意图；

图11是本发明端盖组件的爆炸结构示意图；

图12是本发明右端盖的端面示意图；

图13是本发明转子在定子上滚动示意图；

图14是本发明12个定子磁极的3相绕组堪线方式示意图；

图15是本发明20个定子磁极5相绕组堪线方式示意图；

图16是本发明24个定子磁极3相绕组堪线方式示意图。

附图标记说明：1、壳体；2、转子组件；3、定子组件；4、端盖组件；5、传动组件；6、轴承组件；21、左转子磁钢；22、中间转子磁钢；23、右转子磁钢；31、定子磁钢；41、左端盖；42、右端盖；51、传动轴；52、左转子支撑件；53、中间转子支撑件；54、右转子支撑件；61、左主轴承；62、右主轴承；63、传动轴左轴承；64、传动轴右轴承；65、左曲轴轴承；66、右曲轴轴承；67、左定位曲轴；68、右定位曲轴；411、左端盖螺纹孔；412、左端盖连接孔；421、右端盖凹槽；422、右端盖第一连接通孔；423、右端盖第二连接通孔；424、销钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图16所示，本发明提供的一种滚动磁阻电机，包括壳体1，壳体1内设有转子组件2、定子组件3、端盖组件4、传动组件5和轴承组件6，所述转子组件2包括左转子磁钢21、中间转子磁钢22和右转子磁钢23，左转子磁钢21、中间转子磁钢22和右转子磁钢23均为圆环状结构且外表面为齿轮结构。定子组件3包括定子磁钢31，定子磁钢31上设有绕组，定子磁钢31为圆环状结构，定子磁钢31的内部为齿轮结构，定子磁钢31分别套设在左转子磁钢21、中间转子磁钢22和右转子磁钢23的外部且与其呈内啮合。所述端盖组件4包括左端盖41和右端盖42，左端盖41和右端盖42分别位于壳体1的两边，左右端盖间通过螺钉和销钉紧固相连。所述传动组件5包括传动轴51、左转子支撑件52、中间转子支撑件53和右转子支撑件54，左转子磁钢21套设在左转子支撑件52上，中间转子磁钢套22设在中间转子支撑件53上，右转子磁钢23套设在右转子支撑件54上，各转子磁钢与其支撑件紧固连接。传动轴51穿过左转子支撑件52、中间转子支撑件53和右转子支撑件54上的传动轴孔。所述轴承组件6包括左主轴承61、右主轴承62、传动轴左轴承63、传动轴右轴承64、左曲轴轴承65、右曲轴轴承66、左定位曲轴67和右定位曲轴68，左主轴承61和右主轴承62分别套设在左端盖41和右端盖42上。传动轴左轴承63位于左端盖41内，传动轴右轴承64位于右端盖42内。传动轴左轴承63和传动轴右轴承64分别套设在传动轴51的两端，左定位曲轴67的两端分别套设有左曲轴轴承65，且位于左转子支撑件52和中间转子支撑件53的内部。右定位曲轴68的两端分别套设有右曲轴轴承66，且位于中间转子支撑件53和右转子支撑件54的内部。

在本发明中，为实现定转子之间磁阻最小化，定转子啮合的轮齿齿廓需要进行非常规设计。本发明模组的定转子齿廓采用具有高重合度的内啮合摆线齿廓。该齿廓需要首先计算滚圆半径，如图2所示。设内齿轮节圆半径为R_p，内齿轮齿顶圆半径为R_a，内齿轮齿顶高为H，外齿轮节圆半径为r_p，外齿轮齿顶圆半径为r_a，外齿轮齿顶高为h，则滚圆半径r_g为过齿轮啮合状态下两节圆切点和两齿顶圆交点的圆的半径，其算式为：

摆线轮齿一侧齿廓曲线以齿轮节圆为界分为齿顶部分和齿根部分，外齿轮的齿顶部分和内齿轮的齿顶部分为共轭齿廓，即啮合时的有效区域，其齿廓曲线在直角坐标系下的表示为：

其中：设R为基圆半径，此处为外齿轮节圆半径为r_p或内齿轮节圆半径为R_p；θ为滚圆与基圆圆心连线沿基圆圆心旋转所转过的角度；当R取r_p时产生的曲线为外齿轮齿顶部分的摆线齿廓曲线；当R取R_p时产生的曲线为内齿轮齿顶部分的摆线齿廓曲线。

当内啮合摆线齿轮作为传动齿轮时，通常情况下非共轭的外齿轮齿根部分和内齿轮齿根部分需要有一定的间隙以便润滑，对其曲线的要求仅为运转时不发生干涉即可，可以采用其它与共轭齿廓不同的滚圆和基圆参数的摆线齿廓，也可以是其它形式的曲线。在本发明中，定转子之间的齿廓除需要进行传动外，还需满足更重要的磁阻最小化的特性。磁阻最小化是任何常规传动齿轮无需考虑的内容，却是本发明最为特殊的内容之一，因此本发明的齿廓设计与现有的设计均不相同。

为使磁钢轮齿啮合状态下磁阻最小化，外齿轮的齿顶部分和内齿轮的齿根部分曲线相同，都是滚圆r_g在外齿轮节圆r_p上的包心外摆线。外齿轮的齿根部分和内齿轮的齿顶部分曲线相同，都是滚圆r_g在内齿轮节圆R_p上的包心内摆线，如图3所示。

这样在两齿轮啮合时，不仅齿廓贴合紧密，而且齿轮重合度最高，使两齿轮间的间隙最小，从而有效降低磁阻。再者，齿高设计时使外齿轮的齿顶圆r_a与内齿轮的齿根圆R_f尽量相切，进一步减小磁阻，提高两磁钢齿轮间的径向电磁力，从而进一步增大输出力矩，如图4所示。

最后，再通过减小齿轮模数(即增加齿数)和减小齿差数，更进一步减小两齿轮间的间隙，提高本发明模组的驱动能力，如图5所示。

齿差数越少，定子和转子齿轮啮合越紧密，磁阻越小。但根据内啮合摆线齿轮啮合原理，齿差过小会导致两齿轮在非啮合侧的齿顶无法脱离，致使齿轮无法运转，需要齿差数Z_d满足Z_d>h_ra+h_Ra，其中h_ra和h_Ra转子和定子齿顶高系数。因此该问题也可以通过减小齿顶高来解决。如当m＝10，Z_R＝20，Z_r＝18，h_ra＝h_Ra＝0.7时，此时Z_d＝Z_R-Z_r＝2，滚圆半径r_g＝94.9211mm，对应的齿廓如图6所示。而按照常规设计当h_ra＝h_Ra＝1，因Z_d≯h_ra+h_Ra无法计算滚圆进而获得对应的齿廓。

通常齿顶高系数的调整都是从传动的角度来考虑的，比如高速重载的齿轮需要适当减小齿顶高系数，但在本发明模组设计中，齿顶高系数的调整主要是从磁路优化的角度来进行，相对于传统设计而言，该特征增加了本发明的创造性和实用性。

如图7到图9所示，所述转子组件2中，左转子磁钢21和左转子支撑件52，中间转子磁钢22和中间转子支撑件53，右转子磁钢23和右转子支撑件54分别构成左转子结构、中间转子结构和右转子结构，左转子结构、中间转子结构和右转子结构的径向尺寸完全一致，仅在轴向尺寸上有区别，其中左转子结构和右转子结构的轴向长度相等，中间转子结构的轴向长度为单侧转子轴向长度的两倍。三段转子相对于模组轴心线偏心布置，两侧转子偏置方式相同，中间转子与两侧转子沿模组轴线对称偏置，其中偏心距皆为定子和转子齿轮节圆的半径之差。这种装配方式是为了实现转子整体的动平衡。

通常情况下，例如在摆线针轮减速器中，在其内部偏心滚转的只有两个尺寸和质量完全相同的转子部件，即采用两个转子来补偿动不平衡问题是常规技术手段。理论上两个转子仅宜补偿径向的动不平衡问题，但该问题在轴向上仍然存在。为缓解轴向的动不平衡，常规的设计是两个转子的厚度都较小。在本发明模组中，转子不仅需要进行传动，还需要考虑其上软磁的磁通量，为使本发明模组的输出力矩足够大，则转子轴向尺寸就不能太小，是常规技术手段所不能解决的问题。为此，本发明模组突破常规技术，采用三个转子来同时解决偏心滚转的径向和轴向动不平衡问题。然而三个转子带来了新的技术问题，即与转子装配的三段式曲轴，其中间段因两侧段的干涉而无法实现与中间段定子的装配。为解决该问题，本发明模组采用将三段式曲轴拆分成两个两段式曲轴的方式。但是两个两段式曲轴又带来了新的技术问题，即每个两段式曲轴仅能保证相邻的两个转子之间实现180°的交错位置，而本发明模组中三段式转子相互之间的位置关系需要保证两侧转子都与中间转子180°交错且在同侧，即两个两段式曲轴自身不能满足两侧转子必须同相且位于中间转子同侧的约束问题。针对该问题，本发明模组通过综合设计传动轴、定子、转子和曲轴的装配关系，并优化尺寸链的公差来解决。再者，常规技术手段通常将曲轴与传动轴进行同轴装配，本发明模组中将两者进行分轴设计，并不是常规设置。原因在于，同轴设计会增加转子的径向尺寸，使本发明模组中空结构的内孔尺寸变小或外径尺寸变大，不利于提高模组的力矩密度。而且分轴设计增加了尺寸链的并行环节，便于尺寸链的公差带的优化设计。每段转子皆由转子磁钢和转子支撑件组成，两者紧固连接，转子磁钢在与定子磁钢相对的圆柱面上做有齿轮。

转子磁钢采用软磁性材料，如硅钢，定转子之间采用变化磁阻方式进行能量转换。转子支撑件上设有动力输出轴孔和曲轴轴孔，曲轴轴孔内设有挡圈，传动轴51穿过动力输出轴孔，左定位曲轴67和右定位曲轴68构成定位曲轴，曲轴孔用于装配各段转子之间的定位曲轴。定位曲轴用于保证中间转子结构和两侧的左右转子结构之间对称交错布置的相对位置形态，并配合相应的曲轴轴承和挡圈保持分段转子之间的间隙，以免各分段转子在电磁力作用下吸合在一起从而阻碍各自的运动。每个转子支撑件上可以最优地设计有周向均布的三个曲轴孔和三个动力输出轴孔，其中曲轴孔最少三个，动力输出轴孔最少两个。

如图11所示，在本发明的端盖组件4中，左端盖41和右端盖42为环状结构，其截面均为“凸”字形结构，左端盖41的端部设有左端盖螺纹孔411和左端盖销钉孔412。右端盖42的端面设计有右端盖凹槽421以免其上的螺钉头部露出右端盖表面，右端盖凹槽421的底部设有右端盖螺钉孔通孔422和右端盖销钉孔423，右端盖螺钉孔422的数量为二且分布在右端盖销钉孔423的两边，螺钉穿过右端盖螺钉孔422与左端盖螺纹孔411配合。右端盖销钉孔423内穿设有销钉424，销钉的端部位于左端盖连接孔412内。在本实施例中，右端盖凹槽421的数量为三个且呈轴向均布布置，螺钉的数量为六个，销钉的数量为三个。

本发明模组的端盖亦即模组的动力输出轴，两侧端盖通过销钉进行对位并通过螺钉进行紧固连接。

传动轴51在转子支撑件的传动轴孔内壁上滚动，该孔的半径比传动轴半径大，两者半径差值为转子轴线与定子轴线间的偏心距，即定子和转子齿轮节圆的半径差。传动轴51一方面因随转子的自转实现了其沿模组中心轴线的公转，进而带动端盖转动实现动力输出。另一方面，传动轴51的自转被其两端的位于其与两侧端盖之间的轴承化解。根据上述传动方式，两侧端盖需要精确对位并紧固连接的原因在于：三个转子支撑件同时驱动传动轴51，如果转动轴左右支撑有浮动，则传动轴容易发生轴向偏转，进而使传动不能有效进行。因此，将两侧端盖紧固连接避免了传动轴51两端的浮动。将两侧端盖进行精确对位并使两侧端盖上轴承孔的轴线重合，保证传动轴的中心轴线与模组中心轴线平行，进而保证传动有效且平顺，其中的模组中心轴线指的是两侧端盖中心轴线。

将常规的偏心滚转的传动，比如摆线针轮减速器、RV减速器等，都是将曲轴与传动轴同轴安装，曲轴和转子、传动轴和端盖的连接都需要轴承。本发明模组将传动轴和曲轴分开，是本发明模组的特有设计。这种情况下，常规设计需要在传动轴和转子之间也要轴承以减小两者之间的磨损。但在本发明中，传动轴仅在其与端盖的连接上设计有轴承，而在其与转子的连接处则没有采用轴承。该设计的特殊之处在于使传动轴在转子的传动轴孔内壁上滚动，从而省去了轴承。

如图13所示，本发明还公开了一种滚动磁阻电机的力矩计算方法如下，设定子半径为R，转子半径为r，则两半径之差为Δr＝R-r，设转子在定子上缓慢滚动半周，期间转动受到定子恒定的径向电磁合力为F，则电磁力对转子做功为：

W_e＝F×2Δr；

该过程中转子自转角度为且设输出恒定的力矩T，则转子对外输出的机械功为：

忽略该过程中的摩擦等影响，则有W_e＝W_m，进而可得转子的输出静态力矩为：

由上式可见，在定转子的机械尺寸确定后，其输出力矩仅与转子所受的径向电磁力有关。因此本发明模组的结构设计关键在于提高转子所受的径向力，而非常规所理解的定转子齿轮啮合所决定的从电气转速到输出转速的速比。

转动惯量小：

以内转子为例，设转子为质量为m的均质圆盘，其与电气转速ω_e同步且在定子上滚动的公转转速，与其自身转速，即模组输出转速，ω_o的速比i为：

则转子以输出转速ω_o表征的本发明模组转动惯量为：

常规“电机+减速器”的模组与本发明模组相比，设常规模组减速器的减速比同样为i，则以其输出转速表征的常规模组转动惯量为：

则本发明模组与常规模组的转动惯量之比为：

设常规模组中减速器的速比i＝10，10是以单级行星减速器制作的常规模组的常见速比值，而以谐波减速器制作的常规模组的速比值可达30—160，则本发明模组的转动惯量仅为常规模组转动惯量的3％。鉴于本发明模组的内部速比i因其采用本质上为齿差传动的形式，速比值至少在30以上，因此其转动惯量仅为同等减速器比的常规模组的1％以下。

相比于基于“电机+减速器”形式的常规关节驱动模组，本发明采用径向电磁力致动转子在定子上滚转并基于齿轮啮合进而实现从电气转速到机械输出转速的直接降速，省去了常规模组中的从随电气同步转动的转子经减速器的传动环节，具有常规模组无可比拟的优势。

如图10所示，所述定子组件3的定子磁钢31上开设有线槽，在其与转子相对的圆柱面上做有轮齿，齿数为线槽数的整数倍，以使定子磁极间隔半个齿距；线槽为斜槽以使换相更加平顺，线槽斜槽斜向与螺旋齿轮的螺旋方向一致，且线槽斜度为齿轮齿距的整数倍，即β为定子线槽倾斜角及其齿轮螺旋角，m为齿轮模数，L为定子磁钢(齿轮)轴向长度，n为整数倍数。

本发明模组电机为磁阻电机，通常磁阻电机追求绕组的最大最小电感差值的最大化，也就意味着磁阻电机不宜采用斜线槽和斜定子磁极。但本发明模组电机尽管定子极数可以较多，但本质上仍为单极对的磁阻电机。在定子磁极较多的情况下，一定斜度的定子磁极可以提高换相的平顺性而对电机性能影响较小，是磁阻电机设计的非常规技术手段。再者，本发明模组的定转子的齿顶和齿根相切，因此采用螺旋齿轮设计的另一个用意在于使润滑流质便于导流，从而使模组的运转阻力和噪音更低。最优地，定子采用集中绕组以减小电机端部的轴向尺寸。

定子磁钢31内部设有磁极，磁极的截面为“T”字形结构，绕组缠绕在磁极中间，磁极的端部为齿轮结构，磁极均匀对称的分布在定子磁钢的内表面，每个磁极端部的齿为3个。

基于本发明原理的电机，最宜工作在磁阻模式，而且基于多个转子对称交错布置的结构特征，该电机转子的极对数为1。通常极对数少时需要定转子磁钢的轭厚较大，从而增加了电机了重量。为减小轭厚，定子磁极的极性最好相邻交错分布以形成局部磁回路，进而减小定转子轭部的最大磁通量。但这种做明显增加了极对数，与本模组转子极对数宜为1相矛盾。该矛盾可以通过合理地将相邻极对和对角极对的绕组串联、并联或串并综合的方式组成一相绕组，进而形成极对组，使极对组呈现单极对组的形式即可。这种绕组堪线方式也可以增大电机定子裂比，从而进一步提高电机力矩和功率密度。再者，集中绕组的端部所占总的轴向空间最小，本发明模组为提高其体积功率和体积力矩密度，以12个定子凸极为例，采用集中绕组堪线并串联的最优方式如图14所示。

磁极数为12个时，每相邻两个磁极组成一个磁极对，即为：磁极1和2、磁极3和4、磁极5和6，磁极7和8，磁极9和10，磁极11和12；由于磁阻电机的相电流无需换向，因此可以固定设置每个磁极的极性，磁极1为N极，磁极2为S极，磁极3为N极，磁极4为S极，依次类推；将定子磁极1-2-7-8构成一个极对组并将其绕组串联构成电机的一相，则12个定子磁极可构成3相，同理，如果定子磁极个数为16，则可构成4相电机，磁极个数为20则可构成5相电机，其它相数依次类推，如图15所示。当定子磁极个数为12的整数倍，比如24个磁极时，可以制作成6相电机，也可以制作成3相电机，相数越多，通过控制或单相或多相通电的换相次序，获得更精细的位置控制精度，如图16所示。

本发明一种滚动磁阻电机运转时的相电流通电相序可以采用单相3拍、双相三拍和单双相依次交替混合6拍的方式，其它相数以此类推。在电机低速运转时，做好换相时的电流平滑过渡，可使电机运行更加平顺。本发明的电机绕组与外部驱动电路相连，驱动电路的拓扑结构，因磁阻电机的相电流不需要换向控制，可采用不对称半桥、n+1个(n为相数)开关器件的功率变换电路等。驱动电路通过PWM斩波等方式，对各相进行电流实时控制和换相控制，实现电机电气的平滑转动，进而以变化磁阻的方式带动本发明电机的转子在定子内滚动，并最终输出转速和转矩，实现电能到机械能的转换。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种滚动磁阻电机，其特征在于：包括壳体(1)，壳体(1)内设有转子组件(2)、定子组件(3)、端盖组件(4)、传动组件(5)和轴承组件(6)，所述转子组件(2)包括左转子磁钢(21)、中间转子磁钢(22)和右转子磁钢(23)，左转子磁钢(21)、中间转子磁钢(22)和右转子磁钢(23)均为圆环状结构且外表面为齿轮结构；定子组件(3)包括定子磁钢(31)，定子磁钢(31)上设有绕组，定子磁钢(31)为圆环状结构，定子磁钢(31)的内部为齿轮结构，定子磁钢(31)分别套设在左转子磁钢(21)、中间转子磁钢(22)和右转子磁钢(23)的外部且与其呈内啮合；所述端盖组件(4)包括左端盖(41)和右端盖(42)，左端盖(41)和右端盖(42)分别位于壳体(1)的两边，左右端盖间通过螺钉和销钉紧固相连；所述传动组件(5)包括传动轴(51)、左转子支撑件(52)、中间转子支撑件(53)和右转子支撑件(54)，左转子磁钢(21)套设在左转子支撑件(52)上，中间转子磁钢套(22)设在中间转子支撑件(53)上，右转子磁钢(23)套设在右转子支撑件(54)上，各转子磁钢与其支撑件紧固连接，传动轴(51)穿过左转子支撑件(52)、中间转子支撑件(53)和右转子支撑件(54)上的传动轴孔；所述轴承组件(6)包括左主轴承(61)、右主轴承(62)、传动轴左轴承(63)、传动轴右轴承(64)、左曲轴轴承(65)、右曲轴轴承(66)、左定位曲轴(67)和右定位曲轴(68)，左主轴承(61)和右主轴承(62)分别套设在左端盖(41)和右端盖(42)上，传动轴左轴承(63)位于左端盖(41)内，传动轴右轴承(64)位于右端盖(42)内，传动轴左轴承(63)和传动轴右轴承(64)分别套设在传动轴(51)的两端，左定位曲轴(67)的两端分别套设有左曲轴轴承(65)，且位于左转子支撑件(52)和中间转子支撑件(53)的内部，右定位曲轴(68)的两端分别套设有右曲轴轴承(66)，且位于中间转子支撑件(53)和右转子支撑件(54)的内部。

2.根据权利要求1所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述齿轮结构的齿廓采用具有高重合度的内啮合摆线齿廓，该齿廓需要首先计算滚圆半径，设内齿轮节圆半径为R_p，内齿轮齿顶圆半径为R_a，内齿轮齿顶高为H，外齿轮节圆半径为r_p，外齿轮齿顶圆半径为r_a，外齿轮齿顶高为h，则滚圆半径r_g为过齿轮啮合状态下两节圆切点和两齿顶圆交点的圆的半径，其算式为：

摆线轮齿一侧齿廓曲线以齿轮节圆为界分为齿顶部分和齿根部分，外齿轮的齿顶部分和内齿轮的齿顶部分为共轭齿廓，即啮合时的有效区域；设R为基圆半径，外齿轮节圆半径为r_p或内齿轮节圆半径为R_p；当R取r_p时产生的曲线为外齿轮齿顶部分的摆线齿廓曲线；当R取R_p时产生的曲线为内齿轮齿顶部分的摆线齿廓曲线；外齿轮的齿顶部分和内齿轮的齿根部分曲线相同，都是滚圆r_g在外齿轮节圆r_p上的包心外摆线；外齿轮的齿根部分和内齿轮的齿顶部分曲线相同，都是滚圆r_g在内齿轮节圆R_p上的包心内摆线；齿差数Z_d满足Z_d>h_ra+h_Ra，其中h_ra和h_Ra转子和定子齿顶高系数。

3.根据权利要求1所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述转子组件(2)中，左转子磁钢(21)和左转子支撑件(52)，中间转子磁钢(22)和中间转子支撑件(53)，右转子磁钢(23)和右转子支撑件(54)分别构成左转子结构、中间转子结构和右转子结构，左转子结构、中间转子结构和右转子结构的径向尺寸完全一致，仅在轴向尺寸上有区别，其中左转子结构和右转子结构的轴向长度相等，中间转子结构的轴向长度为单侧转子轴向长度的两倍；三段转子相对于模组轴心线偏心布置，两侧转子偏置方式相同，中间转子与两侧转子沿模组轴线对称偏置，其中偏心距皆为定子和转子齿轮节圆的半径之差。

4.根据权利要求1所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述转子磁钢采用软磁性材料，定转子之间采用变化磁阻方式进行能量转换；转子支撑件上设有动力输出轴孔和曲轴轴孔，曲轴轴孔内设有挡圈，传动轴(51)穿过动力输出轴孔，左定位曲轴(67)和右定位曲轴(68)构成定位曲轴，曲轴孔用于装配各段转子之间的定位曲轴；定位曲轴用于保证中间转子结构和两侧的左右转子结构之间对称交错布置的相对位置形态，并配合相应的曲轴轴承和挡圈保持分段转子之间的间隙，以免各分段转子在电磁力作用下吸合在一起从而阻碍各自的运动；每个转子支撑件上可以最优地设计有周向均布的三个曲轴孔和三个动力输出轴孔，其中曲轴孔最少三个，动力输出轴孔最少两个。

5.根据权利要求1所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述传动轴(51)在转子支撑件的传动轴孔内壁上滚动，该孔的半径比传动轴半径大，两者半径差值为转子轴线与定子轴线间的偏心距；传动轴(51)一方面因随转子的自转实现了其沿模组中心轴线的公转，进而带动端盖转动实现动力输出；另一方面，传动轴(51)的自转被其两端的位于其与两侧端盖之间的轴承化解；根据上述传动方式，两侧端盖需要精确对位并紧固连接的原因在于：三个转子支撑件同时驱动传动轴(51)，如果转动轴左右支撑有浮动，则传动轴容易发生轴向偏转，进而使传动不能有效进行；因此，将两侧端盖紧固连接避免了传动轴(51)两端的浮动；将两侧端盖进行精确对位并使两侧端盖上轴承孔的轴线重合，保证传动轴的中心轴线与模组中心轴线平行，进而保证传动有效且平顺，其中的模组中心轴线指的是两侧端盖中心轴线。

6.根据权利要求1所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述一种滚动磁阻电机的力矩计算方法如下，设定子半径为R，转子半径为r，则两半径之差为Δr＝R-r，设转子在定子上缓慢滚动半周，期间转动受到定子恒定的径向电磁合力为F，则电磁力对转子做功为：

W_e＝F×2Δr；

该过程中转子自转角度为且设输出恒定的力矩T，则转子对外输出的机械功为：

忽略该过程中的摩擦等影响，则有W_e＝W_m，进而可得转子的输出静态力矩为：

由上式可见，在定转子的机械尺寸确定后，其输出力矩仅与转子所受的径向电磁力有关。

7.根据权利要求1所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述定子组件(3)的定子磁钢(31)上开设有线槽，在其与转子相对的圆柱面上做有轮齿，齿数为线槽数的整数倍，以使定子磁极间隔半个齿距；线槽为斜槽以使换相更加平顺，线槽斜槽斜向与螺旋齿轮的螺旋方向一致，且线槽斜度为齿轮齿距的整数倍，即β为定子线槽倾斜角及其齿轮螺旋角，m为齿轮模数，L为定子磁钢(齿轮)轴向长度，n为整数倍数。

8.根据权利要求1所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述定子磁钢(31)内部设有磁极，磁极的截面为“T”字形结构，绕组缠绕在磁极中间，磁极的端部为齿轮结构，磁极均匀对称的分布在定子磁钢的内表面。

9.根据权利要求8所述的一种滚动磁阻电机，其特征在于：所述磁极数为12个时，每相邻两个磁极组成一个磁极对，即为：磁极1和2、磁极3和4、磁极5和6，磁极7和8，磁极9和10，磁极11和12；由于磁阻电机的相电流无需换向，因此可以固定设置每个磁极的极性，磁极1为N极，磁极2为S极，磁极3为N极，磁极4为S极，依次类推；将定子磁极1-2-7-8构成一个极对组并将其绕组串联构成电机的一相，则12个定子磁极可构成3相，同理，如果定子磁极个数为16，则可构成4相电机，磁极个数为20则可构成5相电机，其它相数依次类推；当定子磁极个数为12的整数倍，比如24个磁极时，可以制作成6相电机，也可以制作成3相电机，相数越多，通过控制或单相或多相通电的换相次序，获得更精细的位置控制精度。