一種嚙合式電機結(jié)構(gòu)設(shè)計與轉(zhuǎn)矩分析
丁瑞華，師路歡
(許昌學院電氣信息工程學院，許昌461000)
摘要：針對機器人等對驅(qū)動設(shè)備有空間限制的應(yīng)用場合，提出了一種三相齒輪嚙合式電動機結(jié)構(gòu)。分析了電機的運行原理和磁場特性，給出了控制方式；推導(dǎo)了轉(zhuǎn)矩計算方法。為提高分析精確性，采用ansoft maxwell有限元磁場分析軟件計算，電機轉(zhuǎn)子在不同工作區(qū)域的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。計算結(jié)果表明該電機具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩特點。該電機集成了減速機構(gòu)，縮短了傳動鏈，結(jié)構(gòu)緊湊，有著較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：嚙合式電動機；減速機構(gòu)；靜態(tài)轉(zhuǎn)矩；有限元
中圖分類號：tm359. 9 文獻標志碼ia 文章編號：1001-6848(2010)06-0009-04
o引 言
近年來，隨著機器人、精密設(shè)備等小型機械裝置的廣泛應(yīng)用，對驅(qū)動電機的續(xù)航能力和空間適應(yīng)性提出了更高要求，國內(nèi)外研究者先后提出和發(fā)展了多種新型的可直接驅(qū)動馬達。其中，直接驅(qū)動型電機傳動精度高，但由于沒有中間傳動裝置，因此受負載變化影響較大，使控制器和驅(qū)動器設(shè)計制造復(fù)雜化。諧波減速器電機由于采用柔輪，所以容易損壞；超聲波電機則利用定轉(zhuǎn)子間摩擦力傳遞能量，因此損耗較大，而且功率密度較低；磁滯伸縮馬達則因其作用距離較小，目前還只是適用于微型機器人。
本文提出了一種齒輪嚙合式電機結(jié)構(gòu)，將減速器與電機集成為一體；該電機的磁場特性與磁阻電機有一定的相似性，轉(zhuǎn)子和定子都采用的是軟磁材料；磁場驅(qū)動的方式上與電磁鐵有些相似，主要是利用了磁鐵的吸合特性驅(qū)動轄子運動。設(shè)計了電機的實體結(jié)構(gòu)模型，給出了控制方法；分析了電機的運行原理和轉(zhuǎn)矩，運用有限元軟件ansoft maxwell計算了電機轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)角處的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和磁場特性。
1齒輪嚙合電機運行原理與結(jié)構(gòu)
1.1運行原理
圖1為嚙合式電機的結(jié)構(gòu)和嚙合原理圖。圖l(a)中的外齒輪與圖l(b)中的轉(zhuǎn)子同軸，其軸心為02點；定子與內(nèi)齒圈同軸且固連在一起，其軸心為o1點。外齒輪與內(nèi)齒圈的齒形均采用擺線輪廓，其承載力大，可獲得較高的傳動比，傳動平穩(wěn)，嚙合效率較高，廣泛應(yīng)用在內(nèi)嚙合傳動結(jié)構(gòu)中。圖1(a)中的齒輪嚙合狀態(tài)與圖l(b)中的轉(zhuǎn)子位置相對應(yīng)；電機的定子具有3個相互獨立的磁極，形狀如圖2所示，轉(zhuǎn)子為圓環(huán)形磁極，定轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材
料構(gòu)成；每個定子磁極上分別繞制有1套繞組，單獨自成一相。
當3個磁極a、b、c以一定順序e電t作時，轉(zhuǎn)子將以o1o2為半徑作圓周公轉(zhuǎn)運動。在滿足轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)半徑等于擺線齒圈和擺線外齒輪的基圓半徑之差條件下，轉(zhuǎn)子就可以直接帶動外齒輪圍繞定子中心o1作公轉(zhuǎn)運動。依據(jù)擺線嚙合原理，將外齒輪將同繞內(nèi)齒圈軸心的高速圓周公轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為擺線外齒輪的低速定軸轉(zhuǎn)動。
根據(jù)擺線減速器傳動原理可以計算該機構(gòu)的傳動比：
式中，zi為齒圈齒數(shù)，z0為外齒輪齒數(shù)。
圖2中的定子磁極上安裝有兩個繞組，串聯(lián)在一起。三個定子磁極間沒有磁場耦合，降低了磁場分析難度。
1.2齒輪嚙合電機結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖3為本研究設(shè)計的齒輪嚙合式電機實體模型。由于電機的轉(zhuǎn)子運動過程是一種偏心的公轉(zhuǎn)運動，會使電機產(chǎn)生較大的振動。為提高電機運行的穩(wěn)定性，本研究采用兩套磁極機構(gòu)，磁極相位相差l80度，兩套磁極的轉(zhuǎn)子和定子分別與兩套齒輪、齒圈嚙合機構(gòu)連接，這種結(jié)構(gòu)可以相互抵消因轉(zhuǎn)子的偏心運動造成的振動問題。
該電機中的字滑塊機構(gòu)可以將外齒輪的自轉(zhuǎn)運動輸出，過濾掉齒輪的公轉(zhuǎn)運動。
2轉(zhuǎn)矩計算分析
由于磁場結(jié)構(gòu)為分布式磁極，磁極間沒有磁揚耦合，僅靠控制電壓的大小控制磁場力，不需要考慮電壓方向。轉(zhuǎn)子受到的磁場力方向與定子空間位置 |
