一種嚙合式電機結構設計與轉矩分析
丁瑞華，師路歡
(許昌學院電氣信息工程學院，許昌461000)
摘要：針對機器人等對驅動設備有空間限制的應用場合，提出了一種三相齒輪嚙合式電動機結構。分析了電機的運行原理和磁場特性，給出了控制方式；推導了轉矩計算方法。為提高分析精確性，采用ansoft maxwell有限元磁場分析軟件計算，電機轉子在不同工作區域的靜態轉矩。計算結果表明該電機具有低轉速、大扭矩特點。該電機集成了減速機構，縮短了傳動鏈，結構緊湊，有著較好的應用前景。
關鍵詞：嚙合式電動機；減速機構；靜態轉矩；有限元
中圖分類號：tm359. 9 文獻標志碼ia 文章編號：1001-6848(2010)06-0009-04
o引 言
近年來，隨著機器人、精密設備等小型機械裝置的廣泛應用，對驅動電機的續航能力和空間適應性提出了更高要求，國內外研究者先后提出和發展了多種新型的可直接驅動馬達。其中，直接驅動型電機傳動精度高，但由于沒有中間傳動裝置，因此受負載變化影響較大，使控制器和驅動器設計制造復雜化。諧波減速器電機由于采用柔輪，所以容易損壞；超聲波電機則利用定轉子間摩擦力傳遞能量，因此損耗較大，而且功率密度較低；磁滯伸縮馬達則因其作用距離較小，目前還只是適用于微型機器人。
本文提出了一種齒輪嚙合式電機結構，將減速器與電機集成為一體；該電機的磁場特性與磁阻電機有一定的相似性，轉子和定子都采用的是軟磁材料；磁場驅動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動轄子運動。設計了電機的實體結構模型，給出了控制方法；分析了電機的運行原理和轉矩，運用有限元軟件ansoft maxwell計算了電機轉子在不同轉角處的靜態轉矩和磁場特性。
1齒輪嚙合電機運行原理與結構
1.1運行原理
圖1為嚙合式電機的結構和嚙合原理圖。圖l(a)中的外齒輪與圖l(b)中的轉子同軸，其軸心為02點；定子與內齒圈同軸且固連在一起，其軸心為o1點。外齒輪與內齒圈的齒形均采用擺線輪廓，其承載力大，可獲得較高的傳動比，傳動平穩，嚙合效率較高，廣泛應用在內嚙合傳動結構中。圖1(a)中的齒輪嚙合狀態與圖l(b)中的轉子位置相對應；電機的定子具有3個相互獨立的磁極，形狀如圖2所示，轉子為圓環形磁極，定轉子均為導磁材
料構成；每個定子磁極上分別繞制有1套繞組，單獨自成一相。
當3個磁極a、b、c以一定順序e電t作時，轉子將以o1o2為半徑作圓周公轉運動。在滿足轉子公轉半徑等于擺線齒圈和擺線外齒輪的基圓半徑之差條件下，轉子就可以直接帶動外齒輪圍繞定子中心o1作公轉運動。依據擺線嚙合原理，將外齒輪將同繞內齒圈軸心的高速圓周公轉運動轉化為擺線外齒輪的低速定軸轉動。
根據擺線減速器傳動原理可以計算該機構的傳動比：
式中，zi為齒圈齒數，z0為外齒輪齒數。
圖2中的定子磁極上安裝有兩個繞組，串聯在一起。三個定子磁極間沒有磁場耦合，降低了磁場分析難度。
1.2齒輪嚙合電機結構設計
圖3為本研究設計的齒輪嚙合式電機實體模型。由于電機的轉子運動過程是一種偏心的公轉運動，會使電機產生較大的振動。為提高電機運行的穩定性，本研究采用兩套磁極機構，磁極相位相差l80度，兩套磁極的轉子和定子分別與兩套齒輪、齒圈嚙合機構連接，這種結構可以相互抵消因轉子的偏心運動造成的振動問題。
該電機中的字滑塊機構可以將外齒輪的自轉運動輸出，過濾掉齒輪的公轉運動。
2轉矩計算分析
由于磁場結構為分布式磁極，磁極間沒有磁揚耦合，僅靠控制電壓的大小控制磁場力，不需要考慮電壓方向。轉子受到的磁場力方向與定子空間位置 |
