摘要：针对机器人等对驱动设备有空间限制的应用场合，提出了一种三相齿轮啮合式电动机结构。分析了电机的运行原理和磁场特性，给出了控制方式；推导了转矩计算方法。为提高分析精确性，采用ansoft maxwell有限元磁场分析软件计算，电机转子在不同工作区域的静态转矩。计算结果表明该电机具有低转速、大扭矩特点。该电机集成了减速机构，缩短了传动链，结构紧凑，有着较好的应用前景。

关键词：啮合式电动机；减速机构；静态转矩；有限元

中图分类号：tm359. 9    文献标志码ia    文章编号：1001-6848(2010)06-0009-04

    近年来，随着机器人、精密设备等小型机械装置的广泛应用，对驱动电机的续航能力和空间适应性提出了更高要求，国内外研究者先后提出和发展了多种新型的可直接驱动马达。其中，直接驱动型电机传动精度高，但由于没有中间传动装置，因此受负载变化影响较大，使控制器和驱动器设计制造复杂化。谐波减速器电机由于采用柔轮，所以容易损坏；超声波电机则利用定转子间摩擦力传递能量，因此损耗较大，而且功率密度较低；磁滞伸缩马达则因其作用距离较小，目前还只是适用于微型机器人。

    本文提出了一种齿轮啮合式电机结构，将减速器与电机集成为一体；该电机的磁场特性与磁阻电机有一定的相似性，转子和定子都采用的是软磁材料；磁场驱动的方式上与电磁铁有些相似，主要是利用了磁铁的吸合特性驱动辖子运动。设计了电机的实体结构模型，给出了控制方法；分析了电机的运行原理和转矩，运用有限元软件ansoft maxwell计算了电机转子在不同转角处的静态转矩和磁场特性。

    图1为啮合式电机的结构和啮合原理图。图l(a)中的外齿轮与图l(b)中的转子同轴，其轴心为02点；定子与内齿圈同轴且固连在一起，其轴心为o1点。外齿轮与内齿圈的齿形均采用摆线轮廓，其承载力大，可获得较高的传动比，传动平稳，啮合效率较高，广泛应用在内啮合传动结构中。图1(a)中的齿轮啮合状态与图l(b)中的转子位置相对应；电机的定子具有3个相互独立的磁极，形状如图2所示，转子为圆环形磁极，定转子均为导磁材

料构成；每个定子磁极上分别绕制有1套绕组，单独自成一相。

   

    当3个磁极a、b、c以一定顺序e电t作时，转子将以o1o2为半径作圆周公转运动。在满足转子公转半径等于摆线齿圈和摆线外齿轮的基圆半径之差条件下，转子就可以直接带动外齿轮围绕定子中心o1作公转运动。依据摆线啮合原理，将外齿轮将同绕内齿圈轴心的高速圆周公转运动转化为摆线外齿轮的低速定轴转动。

  根据摆线减速器传动原理可以计算该机构的传动比：

式中，zi为齿圈齿数，z0为外齿轮齿数。

    图2中的定子磁极上安装有两个绕组，串联在一起。三个定子磁极间没有磁场耦合，降低了磁场分析难度。

    图3为本研究设计的齿轮啮合式电机实体模型。由于电机的转子运动过程是一种偏心的公转运动，会使电机产生较大的振动。为提高电机运行的稳定性，本研究采用两套磁极机构，磁极相位相差l80度，两套磁极的转子和定子分别与两套齿轮、齿圈啮合机构连接，这种结构可以相互抵消因转子的偏心运动造成的振动问题。

    该电机中的字滑块机构可以将外齿轮的自转运动输出，过滤掉齿轮的公转运动。

    由于磁场结构为分布式磁极，磁极间没有磁扬耦合，仅靠控制电压的大小控制磁场力，不需要考虑电压方向。转子受到的磁场力方向与定子空间位置