摘要：針對(duì)機(jī)器人等對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備有空間限制的應(yīng)用場(chǎng)合，提出了一種三相齒輪嚙合式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。分析了電機(jī)的運(yùn)行原理和磁場(chǎng)特性，給出了控制方式；推導(dǎo)了轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法。為提高分析精確性，采用ansoft maxwell有限元磁場(chǎng)分析軟件計(jì)算，電機(jī)轉(zhuǎn)子在不同工作區(qū)域的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。計(jì)算結(jié)果表明該電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩特點(diǎn)。該電機(jī)集成了減速機(jī)構(gòu)，縮短了傳動(dòng)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(dòng)機(jī)；減速機(jī)構(gòu)；靜態(tài)轉(zhuǎn)矩；有限元

中圖分類號(hào)：tm359. 9    文獻(xiàn)標(biāo)志碼ia    文章編號(hào)：1001-6848(2010)06-0009-04

    近年來(lái)，隨著機(jī)器人、精密設(shè)備等小型機(jī)械裝置的廣泛應(yīng)用，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的續(xù)航能力和空間適應(yīng)性提出了更高要求，國(guó)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(dòng)馬達(dá)。其中，直接驅(qū)動(dòng)型電機(jī)傳動(dòng)精度高，但由于沒(méi)有中間傳動(dòng)裝置，因此受負(fù)載變化影響較大，使控制器和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制造復(fù)雜化。諧波減速器電機(jī)由于采用柔輪，所以容易損壞；超聲波電機(jī)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(dá)則因其作用距離較小，目前還只是適用于微型機(jī)器人。

    本文提出了一種齒輪嚙合式電機(jī)結(jié)構(gòu)，將減速器與電機(jī)集成為一體；該電機(jī)的磁場(chǎng)特性與磁阻電機(jī)有一定的相似性，轉(zhuǎn)子和定子都采用的是軟磁材料；磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)轄子運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)了電機(jī)的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，給出了控制方法；分析了電機(jī)的運(yùn)行原理和轉(zhuǎn)矩，運(yùn)用有限元軟件ansoft maxwell計(jì)算了電機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)角處的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)特性。

    圖1為嚙合式電機(jī)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(diǎn)；定子與內(nèi)齒圈同軸且固連在一起，其軸心為o1點(diǎn)。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(dòng)比，傳動(dòng)平穩(wěn)，嚙合效率較高，廣泛應(yīng)用在內(nèi)嚙合傳動(dòng)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(duì)應(yīng)；電機(jī)的定子具有3個(gè)相互獨(dú)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(gè)定子磁極上分別繞制有1套繞組，單獨(dú)自成一相。

   

    當(dāng)3個(gè)磁極a、b、c以一定順序e電t作時(shí)，轉(zhuǎn)子將以o1o2為半徑作圓周公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)外齒輪圍繞定子中心o1作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為擺線外齒輪的低速定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

  根據(jù)擺線減速器傳動(dòng)原理可以計(jì)算該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(gè)繞組，串聯(lián)在一起。三個(gè)定子磁極間沒(méi)有磁場(chǎng)耦合，降低了磁場(chǎng)分析難度。

    圖3為本研究設(shè)計(jì)的齒輪嚙合式電機(jī)實(shí)體模型。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程是一種偏心的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。為提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，本研究采用兩套磁極機(jī)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(jī)構(gòu)連接，這種結(jié)構(gòu)可以相互抵消因轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)造成的振動(dòng)問(wèn)題。

    該電機(jī)中的字滑塊機(jī)構(gòu)可以將外齒輪的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出，過(guò)濾掉齒輪的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

    由于磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)為分布式磁極，磁極間沒(méi)有磁揚(yáng)耦合，僅靠控制電壓的大小控制磁場(chǎng)力，不需要考慮電壓方向。轉(zhuǎn)子受到的磁場(chǎng)力方向與定子空間位置