超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及電磁嚙合分析

劉楚寧 王會(huì)芳 于坤旺

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及電磁嚙合分析

劉楚寧 王會(huì)芳 于坤旺

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

作為一種更加復(fù)雜的復(fù)合空間傳動(dòng)模式，超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)展現(xiàn)出的是利用機(jī)、電、控制三個(gè)方面的良好利用，從而使得整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。本文重點(diǎn)分析超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁嚙合兩個(gè)方面，旨在為傳統(tǒng)的加工制造與研究提供更加有利的理論參考。

超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)參數(shù)；電磁嚙合

0.引言

從整體上看目前我國(guó)的機(jī)械方面發(fā)展現(xiàn)狀，借助技術(shù)的不斷升級(jí)輔助我國(guó)機(jī)械行業(yè)也逐漸走向高端。在這種局勢(shì)下機(jī)械對(duì)傳動(dòng)機(jī)械的性能提出了更高的要求，這是因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)性能的高低直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)械的工作性能等多個(gè)方面。機(jī)械傳動(dòng)作為機(jī)械系統(tǒng)中的重要組成部分，在生產(chǎn)力水平逐漸提高的當(dāng)下其對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的性能也在逐漸產(chǎn)生影響。傳動(dòng)機(jī)械學(xué)作為機(jī)械學(xué)中的重要分支，借助科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步出現(xiàn)的復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比起以往的單一傳動(dòng)形式展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

1.超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)概述

超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)是一種結(jié)合環(huán)面蝸桿攢動(dòng)與行星輪傳動(dòng)的復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)等實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中更加高效的運(yùn)作，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)逐漸將各種高新技術(shù)結(jié)合展現(xiàn)出更加強(qiáng)大的應(yīng)用實(shí)力。從而呈現(xiàn)出了新的傳動(dòng)形式，促使傳動(dòng)展現(xiàn)出更好的工作性能。與傳統(tǒng)的機(jī)電傳動(dòng)不同，超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)融合了機(jī)械、電磁和驅(qū)動(dòng)技術(shù)三個(gè)方面的先進(jìn)技術(shù)，不僅仍然具有原有系統(tǒng)的良好性能，同時(shí)還展現(xiàn)出更好的可控性，具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

超環(huán)面機(jī)電由蝸桿定子、行星輪、環(huán)面外定子和行星架轉(zhuǎn)子組成[2]。超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的原理是通過(guò)利用行星架轉(zhuǎn)子、永磁行星輪等內(nèi)部構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的輸出。其中永磁行星輪圓周上均勻的安置NS級(jí)的永磁齒，通過(guò)這個(gè)形成磁性齒完成嚙合。融合了各項(xiàng)高端技術(shù)的超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程已經(jīng)不再是原有單純的力或力矩的傳遞，而是通過(guò)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)的方式再次提高驅(qū)動(dòng)效率。

2.超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 傳動(dòng)關(guān)系分析

想要了解超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的傳動(dòng)關(guān)系，首先需要了解的就是超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的傳動(dòng)比，簡(jiǎn)單一點(diǎn)而言，通過(guò)對(duì)蝸桿內(nèi)定子、行星輪、環(huán)面外定子、行星架轉(zhuǎn)子進(jìn)行分析最后再將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化即可。

需要注意的是，在對(duì)具有NS兩級(jí)的螺旋進(jìn)行安裝的過(guò)程中，一定是采用成對(duì)安裝的方式即偶數(shù)安裝。通過(guò)蝸桿內(nèi)定子的極對(duì)數(shù)、極數(shù)就可以知道環(huán)面外定子齒數(shù)需要滿足的條件與關(guān)系[3]。結(jié)合計(jì)算以及以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在傳動(dòng)關(guān)系中，環(huán)面外定子磁極齒數(shù)與蝸桿內(nèi)定子槽內(nèi)線圈繞組的關(guān)系與數(shù)學(xué)中的等差數(shù)列一致，而且是極數(shù)為2倍公差。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，想要實(shí)現(xiàn)以及能夠?qū)崿F(xiàn)的傳動(dòng)比均是偶數(shù)，而且全部都是正偶數(shù)。而傳動(dòng)比的大小則是由環(huán)面外定子齒數(shù)決定的。另外一個(gè)需要注意的是，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中想要獲得最大的傳動(dòng)比，其環(huán)面外定子的齒數(shù)要控制數(shù)值。

2.2 行星輪數(shù)

從行星輪數(shù)的角度出發(fā)，想要獲得更多的超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的電磁嚙合點(diǎn)，就需要從裝配的角度分析，這就需要在蝸桿內(nèi)定子和環(huán)面外定子形成的有限空間內(nèi)安裝最多的行星輪，只有通過(guò)這種方式才能夠達(dá)到增加輸出力矩的作用，也就能夠增加電磁嚙合點(diǎn)。

在蝸桿內(nèi)定子和環(huán)面外定子的空間內(nèi)安裝行星輪，上文中已經(jīng)明確行星輪的齒數(shù)必定為偶數(shù)，在這種情況下再進(jìn)行行星輪安裝條件的確定，另外通過(guò)了解可安裝行星輪個(gè)數(shù)從而獲得極對(duì)數(shù)與環(huán)面外定子齒數(shù)與安裝個(gè)數(shù)之間的存在某種特定關(guān)系。通過(guò)對(duì)蝸桿內(nèi)定子極數(shù)、裝配關(guān)系、可安裝行星輪個(gè)數(shù)和傳動(dòng)比之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)行星輪數(shù)的安裝個(gè)數(shù)不僅與環(huán)面外定子的齒數(shù)有關(guān)，同時(shí)蝸桿內(nèi)定子的極對(duì)數(shù)也關(guān)系到行星輪的安裝個(gè)數(shù)。雖然通過(guò)安裝盡可能多的行星輪能夠增加輸出力矩，但是另外一個(gè)重點(diǎn)就是要保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此需要保證兩個(gè)行星輪之間的距離保證在不會(huì)發(fā)生碰撞的可能性內(nèi)。安裝的過(guò)程中最好留有一定的孔隙保證其順利安裝。另外一個(gè)需要注意的就是在安裝行星輪個(gè)數(shù)選擇的過(guò)程中，在個(gè)數(shù)與厚度方面需要綜合考慮。

3.超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的電磁嚙合分析

超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)作為一種新型傳動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)的原理就是環(huán)面蝸桿產(chǎn)生的環(huán)面旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)用來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁體為輪齒的多個(gè)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而支撐行星輪的行星架轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力輸出[4]。對(duì)超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的電磁嚙合分析的目的在于了解傳動(dòng)固有的輸出特性，獲得良好的輸出性能。

3.1 行星輪初始安裝位置的計(jì)算

在初始安裝的過(guò)程中，先安裝一個(gè)基準(zhǔn)輪，考慮到行星輪與行星架固連，可以根據(jù)比例關(guān)系完成行星輪的初始位置安裝。在確定了行星輪齒數(shù)之后進(jìn)行八齒行星輪的安裝[5]。針對(duì)其他齒數(shù)行星輪的安裝，由于環(huán)面定子內(nèi)部空間以及行星輪大小有限，因此行星輪個(gè)數(shù)和行星輪齒數(shù)的選擇有限。

在超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)中，不同的蝸桿繞組級(jí)對(duì)數(shù)，根據(jù)環(huán)面定子的特殊性，選取不同的行星輪齒數(shù)和行星輪個(gè)數(shù)進(jìn)行安裝[6]。

3.2 嚙合齒對(duì)數(shù)分析

超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)中，需要先確定行星輪的初始位置，只有完成這個(gè)之后才能夠進(jìn)行下一步。在安裝過(guò)程中，考慮到蝸桿和參與到嚙合行為的行星輪齒數(shù)，其對(duì)輸出力矩和速度起到關(guān)鍵作用。為了保證傳動(dòng)表現(xiàn)出良好的性能，就需要通過(guò)進(jìn)行電磁嚙合分析，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)波動(dòng)規(guī)律的分析，在了解的基礎(chǔ)上提出針對(duì)性的控制方法。在安裝過(guò)程中，最先需要考慮的是基準(zhǔn)行星輪的安裝，而其他形式的行星輪只需要通過(guò)同步或異步關(guān)系完成判斷即可。通過(guò)這種方式就能夠了解超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)和嚙合情況。

而想要了解基準(zhǔn)行星輪的嚙合情況，不僅需要了解行星輪齒數(shù)、蝸桿包角等參數(shù)，還需要對(duì)基準(zhǔn)嚙合齒對(duì)數(shù)進(jìn)行分析。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),嚙合區(qū)大小與包角的關(guān)系由多個(gè)是參與嚙合的分段斜線組成，在包角逐漸增大的情況下，當(dāng)行星輪參與嚙合的齒數(shù)越多，而異步行星輪參與嚙合的齒數(shù)也會(huì)隨之增多。各個(gè)段區(qū)間的大小又與異步輪數(shù)有關(guān)，異步行星輪越多，分段就越細(xì)小[7]。

如果改變開(kāi)始出現(xiàn)變行星輪齒數(shù)，又想要得到最大的輸出力矩，就需要從蝸桿包角等多個(gè)方面分析，由于電磁嚙合是從基準(zhǔn)行星輪開(kāi)始，而且在后期的運(yùn)行中可能還會(huì)有更多齒參與到嚙合中，這時(shí)需要考慮異步值和基準(zhǔn)輪異步的行星輪齒數(shù)，將其想加之后乘以倍頻值，就可以得到參與嚙合的齒數(shù)。可以發(fā)現(xiàn)區(qū)間的大小與行星輪齒數(shù)和安裝方式的異步輪個(gè)數(shù)有關(guān)。

4.結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的機(jī)電傳動(dòng)模式有很大的區(qū)別，超環(huán)面融合了電磁、蝸桿等多項(xiàng)技術(shù)和參數(shù)，屬于一種全新的空間傳動(dòng)模式。利用技術(shù)的先進(jìn)與升級(jí)超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)緊湊、直接驅(qū)動(dòng)等多項(xiàng)特點(diǎn)。本次研究中通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁嚙合兩個(gè)方面進(jìn)行分析，從而了解到傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)所有正偶數(shù)的傳動(dòng)比和得到內(nèi)外定子螺旋升角隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的變化規(guī)律，最終目的就是希望能夠?yàn)閭鲃?dòng)的相關(guān)性能提供可靠的理論基礎(chǔ)。

[1]郝秀紅,許立忠.機(jī)電集成超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)嚙合參數(shù)激勵(lì)下的穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2007,51(24）:2947-2950.

[2]蔡毅,許立忠.機(jī)電集成傳動(dòng)的嚙合原理研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),2008,33(04): 42-44.

[3]劉欣,許立忠,聶嶺.雙定子混合勵(lì)磁超環(huán)面電機(jī)結(jié)構(gòu)及電感參數(shù)分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014,10:60-67.

[4]劉欣,許立忠,聶嶺. 新型超環(huán)面混合勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特性分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,33(20:)5335-5343.

[5]許立忠,高艷霞. 機(jī)電集成超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)非線性機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)研究[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào),2013,21(01):15-21+44.

[6]郝秀紅,朱學(xué)軍,許立忠.機(jī)電集成超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)參數(shù)振動(dòng)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,53(22):113-118+134.

[7]郝秀紅,許立忠,任志霞. 機(jī)電集成超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)弱非線性自由振動(dòng)研究[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2009,17(02):396-402.

G322

B

1007-6344（2016）07-0317-01

劉楚寧(1992.09--)男，遼寧省鞍山市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。王會(huì)芳（1992.07--）女，新疆石河子市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。于坤旺(1993.03--)男，天津市寧河縣人 ，本科學(xué)歷，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。