机电集成超环面动力传动装置.pdf

发明内容

本发明提出一种有源、无接触广义复合传动：机电集成超环面传动。
给出一种集传动、驱动和控制于一体的机电集成方案，实现传统超环面
行星蜗杆传动技术、驱动技术和控制技术的有机结合，给出一种新概念
的机电集成广义复合传动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将电磁线圈装入环面
蜗杆的螺旋槽中形成机电集成主动零件，以永久磁体代替行星轮轮齿形
成集机械和电磁驱动于一体的传动零件，加在电磁线圈两端的电压周期
性变化形成环面旋转磁场以驱动行星轮绕环形轴转动，进而驱动和环形
轴固联为一体的行星架绕环面轴转动，从而实现运动和动力输出，产生
可调的低速大扭矩的动力输出。

本发明的有益效果是：机电集成超环面传动加工容易，无接触、无
磨损、无需润滑；由于机、电和控制集成结构的实现，结构更为紧凑、
输出转矩和转速可控、而且响应速度快，可以取代伺服系统，使现有机
电系统的结构组成大为简化。除上述航空、航天、军事和车辆等要求结
构紧凑的领域外，尚可用于机器人控制和飞行器制导等控制精度要求高
的技术领域，具有更为广阔的应用前景。

在图1、2、3、4、5、6中，1.行星轮，2.环面蜗杆，3.定子，4.行星
架，5.永磁体，6.极间隔磁材料，7.转轴，8.不导磁紧圈，9.冲压硅钢片，
10.下线槽，11.中心轴，12.非导磁材料圆柱体，13.螺旋形永磁体，14.非
导磁圆环，15.非导磁圆环，16.左大端盖，17.轴承，18.旋转圆盘，19.螺
钉，20.横梁，21.螺钉，22.右大端盖，  23.轴承，24.螺钉，25.端盖，26.
螺钉，27.机架，25.端盖，26.导线孔，27.螺钉，28.机架，29.组合磁体。

在图1中，该传动由行星轮1、环面蜗杆2、定子3和行星架4等组
成，环面蜗杆2固定不动，在其表面螺旋槽中布置若干电磁线圈；行星
轮1以N极和S极相间的永磁体为轮齿；定子3则以N极和S极相间的
磁性螺旋槽取代传统超环面传动的螺旋形齿槽。如果行星轮1的节距、
定子3的螺旋槽数及其螺旋角、环面蜗杆2的旋转磁场极对数及其螺旋
角之间满足一定关系，则在工作过程中将始终保持N极和S极相对，即
可以通过行星轮与定子以及行星轮与环面蜗杆上N极和S极的相互吸引
进行驱动，实现无齿啮合。当环面蜗杆2上的电磁线圈通入交流电时，
将形成环面旋转磁场，驱动以永磁体5为轮齿的多个行星轮1转动，并
通过行星轮永磁轮齿与定子上磁性螺旋槽的磁力啮合，驱动支撑行星轮1
的行星架4转动，从而获得低速大扭距的动力输出。
由基本电磁关系知电磁力F计算公式如下：

F = 1 2 i F g 2 dΛ dζ - - - - ( 1 ) ]]>

式中F_g表示磁势，F_g＝Ni；i表示流强度；N表示线圈匝数；Δζ表
示磁极相互位移；Λ表示气隙比磁导。

由电磁理论知：如果定转子之间气隙大小不均匀，则气隙小处磁导
大，气隙磁导在空间的分布是波动的，每经过一个磁极，气隙磁导分布
变化一个周期。对于机电集成超环面传动而言，电磁场沿着环面蜗杆的
环面螺旋线方向做周期性空间旋转，其与行星轮轮齿之间的气隙磁导也
沿着该方向做周期性变化(见图1)。在行星轮轮齿与定子啮合处，沿着
定子螺旋槽的垂直相切方向，由于气隙的周期性变化，气隙磁导分布也
呈周期性变化；而沿着与定子螺旋槽的平行的相切方向，由于气隙保持
为恒定，气隙磁导不变，保持为一恒定值。结合公式(1)和图1可知，
当环面蜗杆2环面线圈中通以三相交流电时，环面蜗杆2与行星轮1之
间气隙磁导的周期性变化将导致电磁力，此电磁力的合力可以驱使行星
轮1随环面旋转磁场而旋转，见图1(a)；行星轮1轮齿与定子3沿定
子螺旋槽垂直相切方向气隙磁导的周期性变化将限制行星轮1轮齿偏离
螺旋槽，见图1(b)；而沿定子螺旋槽平行相切方向气隙磁导保持恒定
则表明行星轮轮齿可以沿着该方向运动，见图1(c)；即行星轮轮齿将
沿着定子螺旋槽做空间超环面运动。

行星轮1有一转轴7，永磁体5和极间隔磁材料6沿行星轮1的圆周
相间隔布置，在行星轮的外表面套一个高强度不导磁紧圈8，以保证行星
轮1高速运转(见图2)。极间隔磁材料6可采用铝、铜、热固性环氧胶
等。

机电集成超环面动力传动装置的环面蜗杆2由冲压硅钢片9叠成，
为了有更好的力能效果，尽可能的多地包容行星轮的齿数，环面蜗杆2
做成圆环状。在环面蜗杆2圆周冲有下线槽10，在下线槽内分布线圈。
为了使行星轮1能在其环面轴与环面蜗杆的中心轴11交错的位置下连续
转动，要将安装线圈后的叠压硅钢片拧转一定角度(见图3)。

定子3有两种结构方案(见图4和图5)：机电集成超环面动力传动
装置的定子3主要是为了通过在其内圆柱面上均匀分布的螺旋形永磁体
引导行星轮转子有序公转的同时，给行星轮转子一个磁场力。环面蜗杆2
接通三相交流点之后就会产生旋转磁场，这个旋转磁场与行星轮转子上
的永磁体会有磁场力。这两个磁场力会对中心轴11形成一个平衡的力矩，
这个力矩就推动行星轮转子连续公转。图4是在一个非导磁材料圆柱体
12的内表面上，等距的安置N、S极交错的螺旋形磁体13，永磁体的磁
化方向应该是在圆柱体的径向方向上。考虑到行星轮转子与定子之间没
有接触，只需保证在一定的气隙范围内有足够的磁场力就可以了，就有了
如图5所示的第二种结构。该结构是在两个尺寸一样的圆环14和圆环15
之间联结N极S极相间的条状螺旋组合磁体29，这与图4所示结构相比，
节省了材料，简洁了结构，不足之处在于降低了刚度。对于尺寸较大，
形状不规则的永磁体制作起来比较困难，可以用高强度的导磁材料钢加
工成螺旋条状，连接上下圆环之后，在它们外面相间均匀的贴上N极S
极永磁体。这样，这些螺旋条就起到了螺旋条永磁体的作用。