一种具有柔顺结构的内定子式空心轴谐波活齿减速电机

1.本发明涉及谐波、活齿传动和电机技术领域，尤其涉及一种具有柔顺结构的内定子式空心轴谐波活齿减速电机。


背景技术：

2.谐波传动(应变波齿轮传动)是基于弹性变形基础之上发展起来的一种新型传动，该原理由苏联工程师a.и.mocκвитин于1947年提出，利用传动中相互啮合的柔轮和刚轮的内外齿数差，从而获得大传动比。活齿传动的原理与谐波传动在一定程度上相仿，同样具有例如对心传动、利用齿差进行传动的特点。
3.随着机械传动的不断发展，生产生活对传动装置提出了更高要求，功能和特点单一的传动机无法满足一些特殊工作场景的需求，对此，多位研究学者近些年在传动相关领域做了很多研究和改进，使活齿减速器、谐波减速器甚至电机在某些场景下可以代替一些传统的齿轮传动，独自承担生产任务。然而在谐波减速器中，柔轮的轮齿加工是谐波传动中的一大问题，而柔轮齿的精度与强度影响着传动的性能与稳定性。传统电机在大部分生产过程中需要配合减速器使用，这增加了整个工作机的尺寸。为解决上述问题，实现谐波减速器、活齿减速器和电机的结合，有研究学者提出了一种电磁谐波活齿减速电机，通过利用定子和柔轮的吸合，一定程度上精简了柔轮的加工工艺、缩小了传动机整体尺寸且兼具过载保护功能，但由于采用底端固定的方式，会受尺寸效应的制约，造成柔轮的轴向尺寸仍然较大，这也导致工作机无法更好达到削减轴向尺寸的目的。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明通过使电机定子吸引柔性的铁磁材料，再通过柔性材料推动减速器中的活齿沿中心轮的齿廓运动，从而得到一种具有柔顺结构的内定子式空心轴谐波活齿减速电机。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明所提出的一种具有柔顺结构的内定子式空心轴谐波活齿减速电机，包括左端盖、中心轮、柔顺机构、定子、滚珠活齿、空心阶梯轴、活齿架和右端盖；所述左端盖同轴固连在中心轮的左端面；所述柔顺机构同轴设置在中心轮内部且左端面与左端盖固连；所述定子同轴装配在柔顺机构内部；所述活齿架同轴装配在柔顺机构的右侧，所述活齿架与柔顺机构装配的一侧周向均布有与滚珠活齿数量对应的开孔，所述滚珠活齿分别装配在开孔内；所述活齿架装配完成后，滚珠活齿分别与柔顺机构的外壁和中心轮的内壁齿廓部分贴合；所述右端盖同轴装配在活齿架外侧并通过轴承与活齿架右侧连接，且右端盖的左端面与中心轮的右端面对应固连；所述空心阶梯轴由左端盖一侧同轴装配在中心轮内部，且其左侧轴段周向均布有用于通入定子导线的通孔，中部轴段与定子同轴过盈装配，右侧轴段通过轴承与活齿架连接。
7.进一步的，所述柔顺机构包括法兰盘、弹性件和薄壁圆筒；所述弹性件圆周均布的
径向设置在法兰盘圆周外侧并与法兰盘为一体成型结构；所述薄壁圆筒同轴设置在法兰盘圆周外侧，其内圆周端面分别与弹性件的外端部连接，且相邻两个弹性件在变形时不相互接触，能够互不干涉的完成变形。
8.进一步的，所述滚珠活齿为陶瓷小球，采用低密度、高精度、高硬度且无铁磁性的材料制成。
9.进一步的，所述活齿架的材质为铝，且设计为空心传动轴结构。
10.进一步的，所述空心阶梯轴为五段阶梯轴，其第二段周向均布有用于通入导线的通孔；第三段与定子过盈配合；第五段通过轴承与活齿架连接，且轴承与第四段之间安装有轴承套，用于轴向定位。
11.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
12.本发明动力输入直接，由于结合了柔顺机构，柔轮变形处与活齿处于同样的轴向位置上，更易于推动活齿运动；拥有更小的轴向尺寸，平面活齿传动部分与电机的动力输入部分结合紧密，柔轮的变形代替定子的转动并同时推动活齿运动这一设计极大缩小了轴向尺寸，省去了减速器与电机输出轴的连接，极大的节省了空间；易于调整精度，由于定子绕组除了二极式还可以采用多种绕线方法，因此可以使柔轮产生所需变形，同时与步进电机的优势有机结合，使传动系统更易于得到所需的运动；传动平稳、连续性强，传统的活齿减速器在传动过程中总会有一部分活齿处于升程、另一部分活齿处于回程，这些特性影响到了传动的稳定性，但本发明传动结构中所有活齿与柔轮均有接触且受接触力，这无形间将不参与工作的部分活齿的位置进行了限制，减少了系统的震动，因此具有更好的传动平稳性和连续性。综上所述，本发明相比于之前的传动系统具有空间尺寸小、传动连续性强、自动化程度高及传动精度高等优点。
附图说明
13.图1是本发明的三维结构爆炸结构示意图；
14.图2是本发明装配后的三维半剖结构示意图；
15.图3是本发明活齿架的输入侧的三维结构示意图；
16.图4是本发明活齿架的输出侧的三维结构示意图；
17.图5是本发明柔顺机构的二维结构示意图；
18.图6是本发明柔顺机构的三维结构示意图；
19.图7是本发明空心阶梯轴的二维结构示意图；
20.图8是本发明空心阶梯轴的立体结构示意图；
21.图9是本发明提供的定子绕线图；
22.图10是本发明工作中不同角度下柔顺机构变形情况的示意图。
23.其中，附图标记：1-左端盖；2-中心轮；3-柔顺机构；31-法兰盘；32-弹性件；33-薄壁圆筒；4-定子；5-滚珠活齿；6-空心阶梯轴；7-活齿架；8-右端盖。
具体实施方式
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
26.参见附图1-8，本发明所提出的一种具有柔顺结构的内定子式空心轴谐波活齿减速电机，包括左端盖1、中心轮2、柔顺机构3、定子4、滚珠活齿5、空心阶梯轴6、活齿架7和右端盖8；所述左端盖1同轴固连在中心轮2的左端面；所述柔顺机构3同轴装配在中心轮2的内部且其左端面与左端盖同轴固连；所述定子4同轴装配在柔顺机构3的内部；所述活齿架7同轴装配在柔顺机构3的右侧外部，所述活齿架7与柔顺机构3装配的一侧周向均布有与滚珠活齿5数量对应的开孔，所述滚珠活齿5分别对应装配在活齿架上的开孔内；所述活齿架7装配完成后，滚珠活齿5分别与柔顺机构3的外壁以及中心轮2的内壁齿廓部分贴合，且所述中心轮2内壁与滚珠活齿5接触的部分设计一定的粗糙度，加工方式采用与滚珠活齿5同样半径的铣刀沿活齿球心路径公式铣削制成，材料可选择亚克力板或其他常见钢材，选择的结果取决于工作场合的要求和对材料本身的物理性质和成本的考虑。
27.本实施例中，所述滚珠活齿5为陶瓷小球，由于本发明中所涉及的传动系统存在对电磁感应的应用，同时考虑到在平面活齿传动中活齿的自重和与其他部件接触产生的摩擦会影响能量传递效率，因此滚珠活齿5采用低密度、高精度、高硬度且无铁磁性的材料制成；所述活齿架7的材质为铝，右侧同轴向外延伸出两阶空心传动轴，使得传动系统可以在内部嵌线的同时进行扭矩的传输；所述右端盖8同轴装配在活齿架7的外侧并通过轴承与活齿架7第二阶空心传动轴外部转动副配合，进行轴向定位，且所述右端盖8的左端面与中心轮2的右端面对应固连。
28.所述空心阶梯轴6同轴装配在中心轮2内部，本实施例中，所述空心阶梯轴6为五段阶梯轴，其第一段与左端盖1同轴转动副配合，第二段与柔顺机构3同轴转动副配合，且周向均布有用于通入定在绕组导线的通孔，第三段与定子4过盈配合，第五段通过轴承与活齿架7的第一阶空心传动轴内部转动副配合，且该处轴承与第四段之间设置有轴承套。所述空心阶梯轴6为可与其他部件连接的阶梯轴，允许定子绕组的导线或传动系统中其他必要引线自空心轴中穿出，使得定子4既可以通过外接控制器实现对绕组中产生磁场的控制，又可以在传动系统中实现两不相邻零件的远程有线连接。
29.其中，所述柔顺机构3包括法兰盘31、弹性件32和薄壁圆筒33；所述薄壁圆筒33同轴设置在法兰盘1圆周外侧；所述弹性件32圆周均布的径向设置在法兰盘31圆周外侧并与法兰盘31为一体成型结构；所述薄壁圆筒33同轴设置在法兰盘31的圆周外侧，且其内圆周端面分别与弹性件32的外端部固连。所述弹性件32可以采用卡簧或弯曲的弹性薄壁。所述弹性件32的数量及厚度可根据需要调整，本实施例中，所述弹性件32为规律弯曲的薄壁，共设置有六根，厚度为0.5mm，且相邻两根薄壁轴向内壁相差一定角度，满足柔顺机构3发生变形时相邻的弹性件32间不会相互接触，能够不相互干涉的完成形变功能。所述弹性件32和薄壁圆筒33共同组成柔顺机构的柔轮。通过使柔顺机构3的柔轮产生变形模拟内定子式电机的定转子结构中的转子，使柔轮受到定子绕组产生的磁场吸引从而发生形变代替传统意
义上转子的旋转，通过单片机或其他控制方式，人为控制脉冲信号，让绕组产生相应的磁场使柔轮产生形变，推动活齿与中心轮接触并产生周向的接触力，从而带动活齿架7产生旋转运动，将薄壁圆筒以椭圆姿态装配，为滚珠活齿5施加了压力，相较于活齿减速器可有效改善活齿径向窜动的问题。
30.所述左端盖1外侧均布六个沉孔，内侧均布六个螺纹通孔，其中六个通孔与沉孔共轴，其目的是方便插入螺钉且与中心轮2连接，另外均布在内侧的六个通孔与法兰盘31上的通孔相对应，通过螺钉与之连接，同时在内侧的均布的六个通孔中额外存在一个出线孔，其位置在任意两个通孔之间，并且处于同一圆周。在连接端设计有限位结构用以保证同轴度，在与柔顺机构3连接的端面上开有凹槽，目的是为了与柔顺机构3连接并定位。
31.所述中心轮2是连接其他零件较多的部分，在其小径端均布攻入合适深度的内螺纹，在大径端设有定位结构，用以保证中心轮2与其他部件装配后的同轴度。
32.所述柔顺机构3使用易于变形的材料，在其中心的法兰盘31上开有沉孔，可以将其自身通过螺钉与左端盖1连接，并通过法兰盘31凸台与左端盖1的凹槽配合保证同轴度，在法兰盘31的外壁上有周向均布有凹槽，可以将卡簧、薄壁等弹性件32的一端置入其中，同时将具有铁磁性可变形的薄壁圆筒焊接在各弹性件32的另一端之间。当柔轮受定子4产生的磁场吸引时产生变形，并同时带动柔顺机构3本身也产生变形，柔轮轴径比过小则会强烈影响柔轮受磁力吸引的变形情况，同时其尺寸也影响嵌套在其内部的定子4和中心轮2的尺寸以及中心轮2齿廓的齿形。
33.所述定子4为硅钢片堆叠制品，其定子绕组方式为集中式绕组，极掌数目为十八根，经过对电磁力的计算后，选择的绕线方式为三相2极。同相相邻的两组线圈反绕形成磁回路，完成一半绕组后在负相端采用同样的绕线方式。三组绕组完成后采用y型接法，将尾端导线相连，另一端从空心阶梯轴6第二轴段上开设的通孔中进入空心轴内，便于从外界进行控制。
34.所述活齿架7的材料选择为铝制品，这是出于提高效率和降低重量和系统摩擦等因素的考虑，同时该零件设计为空心传动轴，因此可以将其使用在有使用空心轴需求的传动系统中。
35.所述右端盖8在接入螺钉的位置均布六个沉孔，设计尺寸符合gb/t 152等国家标准，插入螺钉的孔为通孔，不需要攻入内螺纹。在与中心轮2接触的一端设有定位结构，用以保证右端盖8与其接触零件的同轴度。
36.电磁感应发生的位置、柔顺机构3形变发生位置和滚珠活齿5运动的位置在同一轴向位置上，而非此前研究中活齿与柔轮形变位置错开的设计，本发明所公开的结构极大的减少了为施加同样压力的情况下柔轮的轴向尺寸，同时使受力更加直接，输出转矩时更具平稳性。
37.为实现对输出运动特性及力矩的控制，所述定子4通过过盈配合装配在空心阶梯轴6上，在装配之前按图9所示方法进行绕线，将每组线圈的末端连接，再将绕组的接入端分别连接控制器的a、b、c相，形成三相电机的y型三相二极接法，从而控制绕组产生的磁场的旋转方向、强度与速度，进而控制输出转速。同时定子4上所缠绕组的导线通空心轴伸出并连接控制器，最终创造出实现控制并制造旋转磁场的物理条件。
38.为改善传动平稳性，柔顺机构3在装配后，其上的柔轮部分为一端圆形、另一端椭
圆的柔桶，并利用柔顺机构3中柔轮部分本身的物理性质对滚珠活齿5施加压力，使其时刻与中心轮2的齿廓保持贴合状态，避免传统活齿减速器中当活齿处于回程中则在一定程度上处于自由状态的情况，并籍此改善传动平稳性。同时为使柔轮更易产生形变，在本发明中未使用传统谐波减速器中传统的筒形带底端面结构的柔轮，转而采用不带底端的柔桶，使其形变更易发生，并采用螺钉连接的方式使柔顺机构3与左端盖1固连，从而起到限制自由度的作用。同时柔顺机构3可以通过考虑不同的工作因素或环境因素，从而采用不同的形状或材料，转而采用其他具有弹性且能够实现限位功能的产品同样可行。
39.为实现将平面活齿传动部分与电机部分结合，本发明将中心轮2、活齿架7的保持架端、滚珠活齿5、定子4、柔顺机构3的柔轮部分和空心阶梯轴6设计在同一轴向位置上，具体实施手段为将定子4通过过盈配合装配在空心阶梯轴6的第三轴段上，接通电源后，分别给单片机和步进电机控制器通入额定电压与电流，定子4上的绕组采用y型方式与步进电机控制器的a、b、c相分别连接，控制器收到单片机发出的信号后，发出指令在定子中通入电流，使绕组通电并产生电磁感应现象，并通过定子4中通入电流的绕组所缠绕的极掌产生磁力吸引柔顺机构3的薄壁圆筒33，使薄壁圆筒33受到吸引发生形变，对应周向位置上与之接触的滚珠活齿5同时受柔顺机构3的变形影响、与中心轮2和活齿架7的接触力，并沿中心轮2的齿廓线发生运动，从而推动活齿架7旋转，根据图10可得工作中不同角度下柔轮的变形情况。通过上述方式实现电机、活齿传动和谐波传动这三者的结合，从而大幅减小工作机的整体尺寸。
40.本发明未尽事宜皆为公知技术。
41.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。