平動(dòng)式嚙合電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與基本特性研究.pdf

1、為了滿足機(jī)器人系統(tǒng)對續(xù)航能力和空間適應(yīng)性的要求，本文提出了一種新結(jié)構(gòu)、新原理的機(jī)器人關(guān)節(jié)用低速大扭矩電動(dòng)機(jī)—平動(dòng)式嚙合電動(dòng)機(jī)．它是一種通過定轉(zhuǎn)子間磁阻的變化將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在平行四邊形結(jié)構(gòu)的約束下使轉(zhuǎn)子繞定子作圓周平動(dòng)，進(jìn)而可直接由轉(zhuǎn)子帶動(dòng)擺線機(jī)構(gòu)，利用擺線機(jī)構(gòu)的減速作用輸出大扭矩的高集成度電動(dòng)機(jī)。由于該電機(jī)通過擺線齒輪嚙合機(jī)構(gòu)帶動(dòng)負(fù)載，避免了直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)受負(fù)載不穩(wěn)影響較大的缺點(diǎn)，同時(shí)由于齒輪嚙合傳動(dòng)，摩擦損失小、傳動(dòng)效率高，因此該

2、結(jié)構(gòu)較依靠定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力輸出低轉(zhuǎn)速、大扭矩的超聲波及諧波減速電機(jī)有更高的效率和使用壽命。在本文中對該新型電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、磁場分布、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能及啟動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析，設(shè)計(jì)制造了原理樣機(jī)并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。 文中在對平動(dòng)式嚙合電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理進(jìn)行詳細(xì)闡述的基礎(chǔ)上，將平動(dòng)式嚙合電機(jī)的基本電磁原理與磁阻電機(jī)進(jìn)行了比較，從能量轉(zhuǎn)換角度對平動(dòng)式嚙合電機(jī)的基本性能和特點(diǎn)進(jìn)行了分析。將平動(dòng)式嚙合電機(jī)依據(jù)其功能分四大

3、部分作了較詳細(xì)的分析，列舉了四大機(jī)構(gòu)演化出的具有實(shí)用前景的可選結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)間的性能比較。最終歸納出了實(shí)用性強(qiáng)，并具有理論研究價(jià)值的兩種具有典型平動(dòng)式嚙合電機(jī)特征的結(jié)構(gòu)組合，分別命名為平動(dòng)電機(jī)和柔性平動(dòng)電機(jī)，同時(shí)確立了平動(dòng)式嚙合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的基本形式。 考慮到平動(dòng)電機(jī)原理樣機(jī)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，沿用磁阻電機(jī)的研究思路，采用有限元方法建立了該電機(jī)的二維磁場模型，對電機(jī)磁場分布和磁路特點(diǎn)進(jìn)行了初步分析。通過獲得的不同轉(zhuǎn)角下磁化曲線簇，并

4、借助磁共能方法獲得了電機(jī)矩角特性。探討了電機(jī)的氣隙長度，定子極弧角度、定子軛厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的影響。最后采用非線性磁參數(shù)法建立了電機(jī)動(dòng)態(tài)分析模型，并利用建立的磁參數(shù)庫和矩角特性曲線，對平動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和啟動(dòng)特性進(jìn)行了分析。 為了滿足電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制的需要，針對平動(dòng)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)建立了便于計(jì)算的等效磁路模型。該模型是在對平動(dòng)電機(jī)二維磁場進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，借用磁力線和等磁位線互換的方法，將磁力線分布不均勻的磁通管引

5、入到分析模型中，采用等效磁路法建立了非線性分析模型。該模型對電機(jī)磁場分布不均和磁路局部飽和現(xiàn)象進(jìn)行有效處理，減少了模型中磁通管單元的數(shù)量，使模型簡化并兼顧了求解精度。在該分析模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了電機(jī)繞組滿足的以繞組磁鏈為狀態(tài)變量的微分方程，建立了電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析的數(shù)學(xué)模型。對電機(jī)單相導(dǎo)通狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真分析，其結(jié)果與非線性磁參數(shù)法所得結(jié)果相吻合。 為避免平動(dòng)電機(jī)中轉(zhuǎn)子平動(dòng)所引發(fā)的慣性力以及由其定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定

6、的磁路耦合現(xiàn)象，本文通過引入柔性機(jī)構(gòu)，將定轉(zhuǎn)子磁極分開，避免了不同磁極磁路的耦合，在簡化結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了定轉(zhuǎn)子相向運(yùn)動(dòng)，弱化了慣性力對電機(jī)整體運(yùn)行的不良影響。使該類電機(jī)采用解析方法便可對磁路進(jìn)行分析，柔性電機(jī)的有限元分析結(jié)果也表明該電機(jī)所用的解析方法在一定參數(shù)范圍內(nèi)具有較好的準(zhǔn)確性。 柔性機(jī)構(gòu)的加入，也使電機(jī)的機(jī)械部分的分析變得復(fù)雜，需要充分考慮柔性機(jī)構(gòu)對電機(jī)整體性能的影響。因此本文著重對柔性鉸鏈在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的彈性變形