一种高精度可控的伺服电机的制作方法

本发明涉及伺服电机领域，具体涉及一种高精度可控的伺服电机。

背景技术：

伺服电机是一种在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，它的控制速度、位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，在服务类机器人领域，伺服电机是用来驱动机器人关节处的驱动元件做高精度的连杆运动，但由于普通伺服电机的恒转矩特性，使得其调速范围较窄，很难达到对机器人所需的高精度可控性。

近年来，双定子永磁电机因其易于启动、调速便捷的特性而得到了大量的研究，目前市面上现有双定子永磁电机的结构包括：机壳，双定子结构，以及双转子结构，随着输入信号对两个转子进行的单独控制，电机快速反应并输出动能，这种结构使得电机的占用空间较大，并且无法做到高精度的动力输出，控制方式也较为复杂，因此只能用于工业机器人等对电机长度及控制精度不敏感的领域。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种高精度可控的伺服电机，具有结构简单，设计合理，易于安装，稳定性好等优点。

为了实现本发明的目的和其它优点，提供了一种高精度可控的伺服电机，包括：

机壳，其为一多级式的中空桶状结构，且所述机壳前端轴中心向腔体内延伸设置一第一中空定子轴；

后端盖，其外周密封固定在所述机壳的尾部开口上，所述后端盖轴中心向所述机壳内延伸设置一第二中空定子轴，所述第一中空定子轴与所述第二中空定子轴同轴间隔设置；

转子，其包括转动设置在所述机壳中的转子轴和设置在所述转子轴外周的第一磁钢和第二磁钢，所述第一磁钢和所述第二磁钢与所述转子轴同步转动，且所述转子轴的轴向第一端从所述机壳的前端开口向外引出，该引出端连接一谐波减速器，所述转子轴的轴向第二端转动设置在所述第二中空定子轴中；

第一定子，其安装在所述第一中空定子轴外周，所述第一磁钢分布在所述第一定子外周；以及

第二定子，其安装在所述第二中空定子轴外周，所述第二磁钢分布在所述第二定子外周。

优选的，所述机壳内依次设置有相互连通的第一圆柱形腔体和第二圆柱形腔体，且内径依次增大，所述转子轴第一端转动设置在所述第一圆柱形腔体中，且所述转子轴与所述第一圆柱形腔体之间夹设一第一轴承；所述第一中空定子轴从所述第二圆柱形腔体前端向所述第二圆柱形腔体内延伸，且所述第一中空定子轴与所述第二圆柱形腔体同轴设置，所述第一中空定子轴的内径小于所述第一圆柱形腔体的内径。

优选的，所述第一中空定子轴与所述第二中空定子轴的内外径一致，且所述第一中空定子轴与所述第二中空定子轴轴向对称设置，所述转子轴贯穿设置在所述第一中空定子轴与所述第二中空定子轴中。

优选的，所述转子轴的轴身上依次设置有第一台阶和第二台阶，且外径依次减小，所述第一台阶位于所述第二圆柱形腔体中，所述第二台阶位于所述转子轴第二端的端头，所述第一台阶与所述第一中空定子轴之间夹设一第二轴承，所述第一台阶与所述第二中空定子轴之间夹设一第三轴承，所述第二轴承和所述第三轴承的轴向位置被限定所述第一台阶上。

优选的，所述第一台阶轴身上朝径向外侧延伸出一转动圆盘，所述转动圆盘外周贯穿所述第一中空定子轴和所述第二中空定子轴之间的间隙且朝径向外侧延伸，所述转动圆盘转动设置在所述第一中空定子轴和所述第二中空定子轴的间隙中，且所述转动圆盘前端外周向所述第二圆柱形腔体前端延伸设置一第一转动环体，所述第一磁钢均匀贴合在所述第一转动环体的内周壁上，所述转动圆盘尾端外周向所述第二圆柱形腔体尾端延伸设置一第二转动环体，所述第二磁钢均匀贴合在所述第二转动环体的内周壁上；

其中，所述第一磁钢和所述第二磁钢对称设置在所述转动圆盘的轴向两端。

优选的，所述第一定子轴中心贯穿开设一第一通孔，所述第一中空定子轴的尾端外周壁上开设一第一安装台，所述第一定子贴合固定在所述第一中空定子轴外周，且所述第一转动环体间隔包络在所述第一定子外周，各个所述第一磁钢间隔分布在所述第一定子外周空间；

所述第二定子轴中心贯穿开设一第二通孔，所述第二中空定子轴的前端外周壁上开设一第二安装台，所述第二定子贴合固定在所述第二中空定子轴外周，且所述第二转动环体间隔包络在所述第二定子外周，各个所述第二磁钢间隔分布在所述第二定子外周空间；

其中，所述第一定子和所述第二定子对称设置在所述转动圆盘的轴向两端。

优选的，所述转子轴第二端从所述第二中空定子轴的尾端开口向外引出，所述第二台阶轴端安装有一编码器码盘，所述编码器码盘外周的所述后端盖外端面上安装一编码器，所述编码器与所述编码器码盘间隔对准，所述编码器外侧套设有一编码器罩，所述编码器罩安装固定在所述后端盖外端面外周。

优选的，所述谐波减速器安装在所述机壳的第一轴端上，所述谐波减速器包括：波发器、柔轮、刚轮和交叉滚子轴承，所述波发器固定在所述转子轴轴向第一端上，所述柔轮固定在所述机壳前端壁上，且所述柔轮套设在所述波发器外周，所述刚轮套设在所述柔轮外周，所述交叉滚子轴承轴向位于所述刚轮与所述机壳之间。

优选的，所述机壳前端壁外周开设一凹台，所述柔轮外周固定在所述凹台上，所述柔轮内周向前延伸至被夹设在所述波发器和所述刚轮之间；所述交叉滚子轴承的外圈固定在所述凹台上，所述交叉滚子轴承的内圈前端壁与所述刚轮尾端壁固定，且所述交叉滚子轴承的内圈位于所述柔轮外周。

优选的，所述第一圆柱形腔体朝轴向前端延伸至所述柔轮内部空间，所述第一圆柱形腔体的前端开口内周凸出设置有第一挡圈，所述第一挡圈与所述波发器间隔设置，所述第一中空定子轴前端侧壁和所述第一挡圈之间形成一限位凹槽，所述第一轴承被限位安装在所述限位凹槽中，所述波发器尾端抵触在所述第一轴承的前端内周壁上。

本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单紧凑，设计合理，由定制的机壳、后端盖和外转子，两个定子，两圈永磁体，编码测速器等组成，具有多传动的动力输出，能实现高精度的控制，电机前端部分嵌设在减速器中，缩短轴向尺寸，使得整机结构扁平，安装简单，输出稳定，结构兼容性高等优点。

2、本发明的结构在无框电机的基础上使用外转子结构，同时采用两个定子对外转子进行单独励磁控制，从而扩大了转子的直径提高了电机的磁通，使得在同等功率密度的情况下将电机设计的更薄，并且实现了多传动动力的输出。

3、本发明在电机的前端连接一谐波减速器，且将外转子与谐波减速器直连，省去了中间的过渡结构，使结构更加紧凑。

4、本发明的运动过程由编码器完成全闭环控制，由于谐波减速器极低的齿背隙和极高的重复定位精度，从而保证了伺服电机高精度的对外输出。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的侧向剖视图；

图2为本发明机壳的第一种侧视图；

图3为本发明机壳的第二种侧视图；

图4为本发明转子的第一种侧视图；

图5为本发明转子的第二种侧视图；

图6为本发明后端盖的侧视图。

图中：1、谐波减速器；2、机壳；3、转子；4、第一磁钢；5、第一定子；6、第二磁钢；7、第二定子；8、后端盖；9、编码器；10、编码器码盘；11、编码器罩；12、第一轴承；13、第二轴承；14、第三轴承；15、限位块；16、弹性挡圈；21、第一圆柱形腔体；22、第二圆柱形腔体；23、第一中空定子轴；24、凹台；31、转子轴；32、第一台阶；33、第二台阶；34、转动圆盘；35、第一转动环体；36、第二转动环体；37、第一螺孔；81、第二中空定子轴；101、波发器；102、柔轮；103、钢轮；104、交叉滚子轴承；211、第一挡圈；231、第一安装台；232、第二挡圈；241、第二螺孔；321、第一限位台；322、第二限位台；351、第一环形凹台；361、第二环形凹台；811、第二安装台；812、第三挡圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种高精度可控的伺服电机，包括谐波减速器1、机壳2、后端盖8、编码测速单元、转子3、第一定子5和第二定子7等，其中：

机壳2为多级式的中空桶状结构，机壳2内依次设置有相互连通的第一圆柱形腔体21和第二圆柱形腔体22，且内径依次增大，机壳2前端轴中心向腔体内延伸设置有第一中空定子轴23。具体的，第一中空定子轴23从第二圆柱形腔体22的前端向第二圆柱形腔体22内延伸，且第一中空定子轴23与第二圆柱形腔体22同轴设置，第一中空定子轴23的内径小于第一圆柱形腔体21的内径。

机壳2的尾端敞开，后端盖8外周密封固定在机壳2的尾部开口上，后端盖8的轴中心向机壳2内延伸设置有第二中空定子轴81。本实施例中，第一中空定子轴23与第二中空定子轴81的内外径一致，第一中空定子轴23与第二中空定子轴81同轴间隔设置，更进一步的，第一中空定子轴23与第二中空定子轴81轴向对称设置。

本实施例中，第一定子5安装在第一中空定子轴23外周，第二定子7安装在第二中空定子轴81外周。具体的，第一定子5轴中心贯穿开设有第一通孔，第一中空定子轴23的尾端外周壁上开设有第一安装台231，第一定子5贴合固定在第一安装台231外周；第二定子7轴中心贯穿开设有第二通孔，第二中空定子轴81的前端外周壁上开设有第二安装台811，第二定子7贴合固定在第二安装台811外周。

转子3包括转动设置在机壳2中的转子轴31和设置在转子轴31外周的第一磁钢4和第二磁钢6，转子轴31第一端转动设置在第一圆柱形腔体21中，且转子轴31与第一圆柱形腔体21之间夹设有第一轴承12，转子轴31的轴身依次贯穿第一中空定子轴23与第二中空定子轴81。具体的，转子轴31的轴向第一端从机壳2的前端开口向外引出，且该引出端连接有谐波减速器1，转子轴31的轴向第二端从第二中空定子轴81的尾端开口向外引出。

转子轴31的轴身上依次设置有第一台阶32和第二台阶33，且外径依次减小，第一台阶32位于第二圆柱形腔体22中，第二台阶33位于转子轴31第二端的端头，本实施例中，第一台阶32与第一中空定子轴23之间夹设有第二轴承13，第一台阶32与第二中空定子轴81之间夹设有第三轴承14，且第二轴承13和第三轴承14的轴向位置被限定第一台阶32上。

具体的，第一中空定子轴23的尾端开口内周凸出设置有第二挡圈232，第二挡圈232与第一中空定子轴23同轴配置，从而使得开口内径小于第一中空定子轴23的内径，第二挡圈232抵触在第二轴承13外环的尾端；第一台阶32前端轴身上开设有第一限位台321，第二轴承13套设在第一限位台321的尾部外周，且第二轴承13内环的尾端抵触在第一限位台321的后侧壁上；第一限位台321的前侧壁与第二轴承13的前端之间的间隙中夹设有限位块15，且限位块15被同轴夹设在第一中空定子轴23的内周壁与第一限位台321的前端外周壁之间，第二轴承13外环的前端抵触在限位块15的后端壁上，进而使第二轴承13的轴向位置被限定。

第二中空定子轴81的前端开口内周凸出设置有第三挡圈812，第三挡圈812与第二中空定子轴81同轴配置，从而使得开口内径小于第二中空定子轴81的内径，第三挡圈812抵触在第三轴承14外环的前端；第一台阶32尾端轴身上开设有第二限位台322，第三轴承14套设在第二限位台322的前部外周，且第三轴承14内环的前端抵触在第二限位台322的前侧壁上；第三轴承14的尾端外贴合设置有弹性档圈16，弹性档圈16的外侧用弹簧进行抵触，从而将第三轴承14的轴向位置限定，其中，采用弹性档圈16这种定位方法，所占的轴向位置小，进而使电机的结构更加紧凑，且安装拆卸方便，制造简单。

第一台阶32的轴身上朝径向外侧延伸出转动圆盘34，转动圆盘34外周贯穿第一中空定子轴23和第二中空定子轴81之间的间隙且朝径向外侧延伸，转动圆盘34转动设置在第一中空定子轴23和第二中空定子轴81的间隙中，且转动圆盘34前端外周向第二圆柱形腔体22前端延伸设置有第一转动环体35，转动圆盘34尾端外周向第二圆柱形腔体22尾端延伸设置有第二转动环体36。

第一转动环体35的前端开口内周壁上开设有第一环形凹台351，第一磁钢4均匀贴合在第一环形凹台351的内周壁上；第二转动环体36的尾端开口内周壁上开设有第二环形凹台361，第二磁钢6均匀贴合在第二环形凹台361的内周壁上，即第一磁钢4和第二磁钢6对称设置在转动圆盘34的轴向两端，且第一磁钢4和第二磁钢6与转子轴31同步转动。

具体的，第一定子5和第二定子7对称设置在转动圆盘34的轴向两端，第一转动环体35间隔包络在第一定子5外周，各个第一磁钢4间隔分布在第一定子5的外周空间；第二转动环体36间隔包络在第二定子7外周，各个第二磁钢6间隔分布在第二定子7的外周空间。

由上可知，形成双定子外转子结构使磁场密度更高，扭矩更大，随着分别给第一定子5或第二定子7励磁信号，即可驱动第一磁钢4或第二磁钢6及转动圆盘34转动，从而带动转子轴31同步转动。也就是说，本发明的结构在无框电机的基础上使用外转子结构，励磁控制从而扩大了转子的直径提高了电机的磁通，在同等功率密度的情况下将电机设计的更薄，同时采用两个定子对外转子进行单独励磁控制，根据拖动转矩要求，可以单励磁驱动，也可以双励磁驱动，实现了多传动动力的输出。

本实施例中，转子轴31的第二端从第二中空定子轴81的尾端开口向外引出，第二台阶33轴端安装有编码器码盘10，编码器码盘10随转子轴31同步转动，编码器码盘10外周的后端盖8外端面上安装有编码器9，编码器9与编码器码盘10间隔对准，对着编码器码盘10的转动，编码器9采集编码器码盘10上的转动信号，得到转子轴31的转速信号，编码器9外侧套设有编码器罩11，编码器罩11安装固定在后端盖8外端面外周。

本发明的运动过程由编码器9完成全闭环控制，由于谐波减速器极低的齿背隙和极高的重复定位精度，从而保证了伺服电机高精度的对外输出。

谐波减速器1安装在机壳2的第一轴端上，谐波减速器1包括：波发器101、柔轮102、刚轮103和交叉滚子轴承104，其中，波发器101固定在转子轴31轴向第一端上，柔轮102固定在机壳2前端壁上，且柔轮102套设在波发器101外周，刚轮103套设在柔轮102外周；交叉滚子轴承104轴向位于刚轮103与机壳2之间。

具体的，转子轴31的轴向第一端壁外周间隔开设有若干第一螺孔37，波发器101和转子轴31的轴向第一端通过穿过第一螺孔37的螺栓进行固定，将转子轴31与谐波减速器1直连，省去了中间的过渡结构，使结构更加紧凑。

机壳2前端壁外周开设有凹台24，柔轮102外周固定在凹台24上，柔轮102内周向前延伸至被夹设在波发器101和刚轮103之间；交叉滚子轴承104的外圈固定在凹台24上，交叉滚子轴承104的内圈前端壁与刚轮103尾端壁固定，且交叉滚子轴承104的内圈位于柔轮102外周。其中，凹台24的侧壁外周间隔开设有若干第二螺孔241，通过螺栓从交叉滚子轴承104的外圈前端向内贯穿交叉滚子轴承104后安装在第二螺孔241中，使得交叉滚子轴承104的外圈与柔轮102被固定连接到机壳2上。

第一圆柱形腔体21朝轴向前端延伸至柔轮102内部空间，第一圆柱形腔体21的前端开口内周凸出设置有第一挡圈211，第一挡圈211与波发器101间隔设置，第一中空定子轴23前端侧壁和第一挡圈211之间形成限位凹槽，第一轴承12被限位安装在限位凹槽中，波发器101的尾端抵触在第一轴承12内环的前端。

谐波减速器1通过特殊设计与电机结构有机结合起来，整体的体积更小，电机的输出转矩更大，同时通过转子轴31与波发器101直接连接，省去了中间连接结构，比如现有技术中常用的联轴器，使得本发明的传动精度更高，也就是转速输出更加精确，传动性能更佳。

综上所述，本发明的伺服电机为双定子外转子结构，随着分别给第一定子5或第二定子7励磁信号，即可驱动第一磁钢4或第二磁钢6及转动圆盘34转动，从而带动转子轴31同步转动，进而驱动机器人进行连杆运动，也可以双励磁驱动，实现多传动动力的输出。本发明的结构在无框电机的基础上使用外转子结构，同时采用两个定子对外转子进行单独励磁控制，从而扩大了转子的直径提高了电机的磁通，使得在同等功率密度的情况下将电机设计的更薄，并且实现了多传动动力的输出；本发明在电机的前端连接一谐波减速器1，且将外转子与谐波减速器1直连，省去了中间的过渡结构，使结构更加紧凑；本发明的运动过程由编码器9完成全闭环控制，由于谐波减速器1极低的齿背隙和极高的重复定位精度，从而保证了伺服电机高精度的对外输出。总之，本高精度可控的伺服电机结构简单紧凑，设计合理，具有多传动的动力输出，能实现高精度的控制，还有结构扁平，安装简单，输出稳定，结构兼容性高等优点，适用于一些对长度要求很严格并需要高精度控制的服务类机器人行业。

尽管已经出于说明性目的对本发明的优选实施例进行了公开，但是本领域技术人员将认识的是：在不偏离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。