一种单偏心轴式啮合电动的制造方法
【专利摘要】一种单偏心轴式啮合电动机，采用两套三相磁极，每套三相磁极是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，中间是圆环形转子；两套磁极在轴向错开180°布置，转子固装一个偏心套筒上，偏心套两端通过轴承与两个外齿轮连接，偏心套中心孔内通过两个轴承与主轴连接，主轴两端则装入端盖上的轴承孔内，两个内齿圈固定在机壳内与外齿轮对应位置；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主轴输出自转运动。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。
【专利说明】一种单偏心轴式啮合电动机【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单偏心轴式啮合电动机，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，并通过内哨合齿轮减速机构输出转矩的哨合电机，属于电力驱动设备的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]工业应用中的轻型机器人关节中普遍采用由伺服电机与谐波减速器构成的驱动装置，体积较大，成本较高。近年来，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。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。
[0003]综上，上述各种电机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，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】
[0004]本发明的目的是提供一种单偏心轴式哨合电动机，将齿轮内哨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。
[0005]为实现上述目的，本发明所采用了下述的技术方案:一种单偏心轴式啮合电动机，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两套磁极，每套磁极有三个定子和一个转子，三个定子中间布置一个转子，定、转子皆由软磁材料构成。转子形状为圆形，中心有半圆型孔，孔内穿过一偏心轴套的偏心段，另一套磁极的转子中心孔则穿过偏心轴套的另一偏心段，偏心轴套的两偏心段上紧挨着转子分别装上一套筒和轴承，通过偏心轴中部的凸台和两端的挡圈将两个转子、套筒和轴承进行轴向固定；偏心套两端外侧的轴承外圈分别固装入两个外齿轮中心孔中，外齿轮可以相对于偏心轴套自由转动；偏心轴套前后两端的孔内安装有两个轴承，轴承孔内穿过主轴，主轴的前端装入前盖上固定的轴承的内孔中，另后端装入后盖上固定的轴承的内孔中；外齿轮端面上开有6个孔，电机前端安装的外齿轮上端面孔内穿过主轴前端面上圆柱凸台，后端安装的外齿轮端面上孔内穿过输出法兰盘上的圆柱凸台，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定位销，每个定位销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，同时带动偏心轴套及外齿轮运动；当三个定子绕组按照设定顺序加电后，转子将在径向平面内作公转运动，同时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主轴输出低速、大转矩的转动。
[0006]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，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。
[0007]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，所述转子为圆形，由硅钢片叠压构成，转子中心设有半圆型孔。
[0008]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，所述偏心轴套的偏心段与转子配合安装，且径向截面为半圆型，轴套两端部内侧开有孔，并装入滚动轴承。
[0009]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，所述外齿轮中心有孔，孔内安装滚动轴承与偏心轴套形成转动副连接。
[0010]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，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6个半圆槽。[0011]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，后端盖内侧各有6个盲孔，孔内装入定位销。
[0011]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，主轴的前端为盘型，端面上设置3个圆柱凸台。
[0012]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，内齿圈端面上边缘部分均布有6个半圆孔，孔内装入定位销，用于内齿圈的径向固定。
[0013]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机设有:电机的定子、绕组、转子，内齿圈、夕卜齿轮和偏心轴套，由主轴、法兰盘与外齿轮构成的孔销机构，以及机壳、定位销与两端的端盖；其中外齿轮通过轴承与偏心轴套连接，藉由转子带动偏心轴套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主轴输出自转运动，所述电机设有径向上两套磁极，每套磁极设有对称3个定子、绕组和I个转子，转子中心固装一偏心轴套，偏心轴套前、后端外侧分别固装在一个外齿轮上镶嵌的轴承内孔中；机壳两端部内侧上固装有内齿圈，当3个定子线圈绕组按照设定顺序加电后，就驱动转子做径向的公转运动，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，同时利用主轴、法兰盘与外齿轮之间的孔销机构，带动主轴输出转动。
[0014]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形成定位。
[0015]所述电机设有两个转子，转子中间有半圆形通孔，偏心轴套上半圆形状的偏心段装入转子中间的通孔内。
[0016]所述电机偏心轴套中部设有轴肩，轴肩两侧为两段偏心轴部分，两偏心轴段部分为半圆形截面形状，由偏心轴套中部向端部依次装上转子、转子套筒和滚动轴承和轴用挡圈；偏心轴套两端部有阶梯孔，分别固装入滚动轴承。
[0017]所述主轴前端为圆盘形，固装在电机前端盖上的轴承孔内，该圆盘面上均布有4个圆柱凸台，主轴后端固装一法兰盘，法兰盘上也均布4个圆柱凸台；主轴前端盘面上的圆柱销和法兰盘上的圆柱销分别装入一个外齿轮上的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主轴输出，而主轴不会限制外齿轮的公转运动。
[0018]所述机壳为外侧四方形内侧圆形通孔构件,其内壁设有6个半圆形凹槽,定位销固装在凹槽内。
[0019]所述后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，中间设有固装主轴的轴承座通孔，四周均匀分布6个盲孔，用于固装定位销。
[0020]所述定位销有3个，分别穿过3个定子与内齿圈上的半圆形孔，这些圆柱销钉的一端固装在后盖上的盲孔内，3个定位销固定了定子及内齿圈在径向平面内的位置。
[0021]所述外齿轮中心有通孔，内部固装轴承。
[0022]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。
[0023]本发明是一种低转速、大转矩的单偏心轴式啮合电动机，真正将电机与减速机融合一体，而且还具有下述创新优点:电机结构简单，只有一个偏心轴套构件，平动构件只有偏心轴套和转子，减小了惯量，加工与装配难度较多偏心轴式电机低。
[0024]【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1、2是本发明单偏心轴式啮合电动机的内部组成结构图；
[0026]图3、4、5 (A)、(B)分别是本发明哨合电机的磁极吸合方式及减速机哨合传动原理图；
[0027]图6是本发明单偏心轴式啮合电动机的轴向剖视图；
[0028]图7 (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；
[0029]图8 (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；
[0030]图9 (A)、(B)分别是本发明啮合电机中的定子主视图和轴测图；
[0031]图10 (A)、(B)分别是本发明啮合电机中的转子主视图和轴测图；
[0032]图11 (A)、(B)分别是本发明啮合电机中的主轴主视图和轴测图；
[0033]图12 (A)、(B)分别是本发明啮合电机的偏心轴套主视图和轴测图；
[0034]图13 (A)、(B)分别是本发明啮合电机的法兰盘主视图和轴测图；
[0035]图14 (A)、(B)分别是本发明啮合电机的套筒主视图和轴测图；
[0036]图15 (A)、(B)分别是本发明啮合电机的定位销主视图和轴测图；
[0037]图16 (A)、(B)分别是本发明啮合电机的机壳的主视图和轴测图；
[0038]图17 (A)、(B)分别是本发明啮合电机的前盖的主视图和轴测图；
[0039]图18 (A)、(B)分别是本发明啮合电机的后盖的主视图和轴测图。【具体实施方式】
[0040]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。
[0041]参见图1?图18，介绍本发明单偏心轴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。
[0042]该单偏心轴式啮合电动机，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两套磁极，每套磁极有三个定子和一个转子，三个定子中间布置一个转子，定、转子皆由软磁材料构成。转子形状为圆形，中心有半圆型孔，孔内穿过一偏心轴套的偏心段，另一套磁极的转子中心孔则穿过偏心轴套的另一偏心段，偏心轴套的两偏心段上紧挨着转子分别装上一套筒和轴承，通过偏心轴中部的凸台和两端的挡圈将两个转子、套筒和轴承进行轴向固定；偏心套两端外侧的轴承外圈分别固装入两个外齿轮中心孔中，外齿轮可以相对于偏心轴套自由转动；偏心轴套前后两端的孔内安装有两个轴承，轴承孔内穿过主轴，主轴的前端装入前盖上固定的轴承的内孔中，另后端装入后盖上固定的轴承的内孔中；外齿轮端面上开有6个孔，电机前端安装的外齿轮上端面孔内穿过主轴前端面上圆柱凸台，后端安装的外齿轮端面上孔内穿过输出法兰盘上的圆柱凸台，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定位销，每个定位销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，同时带动偏心轴套及外齿轮运动；当三个定子绕组按照设定顺序加电后，转子将在径向平面内作公转运动，同时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主轴输出低速、大转矩的转动。
[0043]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，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。
[0044]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，所述转子为圆形，由硅钢片叠压构成，转子中心设有半圆型孔。
[0045]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，所述偏心轴套的偏心段与转子配合安装，且径向截面为半圆型，轴套两端部内侧开有孔，并装入滚动轴承。
[0046]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，所述外齿轮中心有孔，孔内安装滚动轴承与偏心轴套形成转动副连接。
[0047]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，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6个半圆槽。
[0048]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，后端盖内侧各有6个盲孔，孔内装入定位销。
[0049]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，主轴的前端为盘型，端面上设置3个圆柱凸台。
[0050]优选地，所述的单偏心轴式啮合电动机中，内齿圈端面上边缘部分均布有6个半圆孔，孔内装入定位销，用于内齿圈的径向固定。
[0051]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，偏心轴套12与法兰盘13，支撑部分为机壳10、前盖6和后盖11。其中外齿轮5上孔套在主轴3前端盘形结构的圆柱销上，藉由外齿轮7相对与内齿圈5的公转运动，使得外齿轮5带动主轴3输出低速、大转矩的自转运动；穿过内齿圈、机壳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；主轴3固装于电机前端盖6中心的轴承4孔中。三个定子绕组8按照设定顺序加电后，其电机转子I在径向上运动，同时带动偏心轴套12做径向公转运动，同时带动外齿轮5 —起做公转运动并与固定的内齿圈7啮合，由外齿轮5带动主轴3输出低速、大转矩的自转转动。
[0052]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:本发明电机设有三个定子9 (参见图9)和一个转子I (参见图10)，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I在径向上一左下一右下一上的次序循环移动；再细分电路，就能够实现转子I及绕电机轴线作匀速的公转运动。
[0053]本发明电机的偏心轴套12藉由套筒与转子I固联，同时偏心轴套12的前、后两端固装在外齿轮5上轴承4的内孔中，当转子I在做公转运动时，将带动偏心轴套12及外齿轮5 —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端面的孔套在主轴3和法兰盘13上的圆柱凸台上，外齿轮5的自转运动分成两路，一路通过法兰盘13间接传递给主轴3，另一路则直接传递给主轴3输出。
[0054]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9，绕组8、摆线外齿轮5和内齿圈7、偏心轴套12、轴用挡圈2、滚动轴承4，主轴
3、定位销15，机壳10、端盖6和11、法兰盘13和套筒14等。
[0055]电机的转子I为圆形构件(参见图10)，中间设有半圆孔1A，偏心轴套12中间的12A段装入半圆孔IA内并藉由套筒14和转子I连接为一体；偏心轴套12上中部设有轴肩，轴肩的两侧的偏心段12A依次分别装上转子、套筒14、轴承和轴用挡圈；偏心轴套12中心设有通孔，通孔两端12B部分固装入滚动轴承，滚动轴承内孔则装入主轴3上；转子1、偏心轴套12在能够在径向平面内相对于电机主轴轴线作公转运动。
[0056]本发明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6个半圆孔7A，定位销定15穿过通孔7A、机壳10内壁上的半圆凹槽IOA及定子9上的半圆槽9A，同时后端固定在后盖11上的盲孔IlA中；外齿轮5也是薄壁圆状通孔构件(参见图8)，在齿轮轮体上设有孔5A，主轴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、13A与5A间的孔销约束传递给主轴3 ;外齿轮5中间为通孔5B，用于固装轴承4，轴承4内圈中装入偏心轴套12的12A段，在转子I带动偏心轴套12运动时，偏心轴套12将通过轴承4带动外齿轮5 —起做公转运动，并不约束外齿轮5的自转运动。本发明电机的摆线内齿圈7和外齿轮5组成一齿差减速机构，其减速传动比为:，式中，和分别为渐开线内齿圈7和外齿轮5的齿数。转子I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，藉此能够从主轴3输出低转速和大扭矩。
[0057]本发明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:39，外齿轮齿数:38，传动比:38:1，电机高度100mm，电机宽度100mm，电机总长84mm,理论输出力矩可达:12Nm。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。
[0058]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。
【权利要求】
1.一种单偏心轴式哨合电动机,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两套磁极，每套磁极有三个定子和一个转子，三个定子中间布置一个转子，定、转子皆由软磁材料构成；转子形状为圆形，中心有半圆型孔，孔内穿过一偏心轴套的偏心段，另一套磁极的转子中心孔则穿过偏心轴套的另一偏心段，偏心轴套的两偏心段上紧挨着转子分别装上一套筒和轴承，通过偏心轴中部的凸台和两端的挡圈将两个转子、套筒和轴承进行轴向固定；偏心套两端外侧的轴承外圈分别固装入两个外齿轮中心孔中，外齿轮可以相对于偏心轴套自由转动；偏心轴套前后两端的孔内安装有两个轴承，轴承孔内穿过主轴，主轴的前端装入前盖上固定的轴承的内孔中，另后端装入后盖上固定的轴承的内孔中；外齿轮端面上开有6个孔，电机前端安装的外齿轮上端面孔内穿过主轴前端面上圆柱凸台，后端安装的外齿轮端面上孔内穿过输出法兰盘上的圆柱凸台，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定位销，每个定位销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，同时带动偏心轴套及外齿轮运动；当三个定子绕组按照设定顺序加电后，转子将在径向平面内作公转运动，同时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主轴输出低速、大转矩的转动。
2.根据权利要求1所述的单偏心轴式啮合电动机，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所述的单偏心轴式啮合电动机，其特征在于:所述转子为圆形，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所述的单偏心轴式啮合电动机，其特征在于:所述偏心轴套的偏心段与转子配合安装，且径向截面为半圆型，轴套两端部内侧开有孔，并装入滚动轴承。
5.根据权利要求1所述的单偏心轴式啮合电动机，其特征在于:所述外齿轮中心有孔，孔内安装滚动轴承与偏心轴套形成转动副连接。
6.根据权利要求1所述的单偏心轴式啮合电动机，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6个半圆槽。
7.根据权利要求1所述的单偏心轴式啮合电动机，其特征在于:后端盖内侧各有6个盲孔，孔内装入定位销。
8.根据权利要求1所述的单偏心轴式啮合电动机，其特征在于:主轴的前端为盘型，端面上设置3个圆柱凸台。
9.根据权利要求1所述的单偏心轴式啮合电动机，其特征在于:内齿圈端面上边缘部分均布有6个半圆孔，孔内装入定位销，用于内齿圈的径向固定。
【文档编号】H02K16/00GK203554183SQ201320588576
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】张元敏, 丁瑞华, 李瑞华, 白政民 申请人:许昌学院