超环面机电传动的结构参数及电磁啮合分析

刘楚宁 王会芳 于坤旺

（沈阳理工大学 辽宁 沈阳 110159）

超环面机电传动的结构参数及电磁啮合分析

刘楚宁 王会芳 于坤旺

（沈阳理工大学 辽宁 沈阳 110159）

作为一种更加复杂的复合空间传动模式，超环面机电传动展现出的是利用机、电、控制三个方面的良好利用，从而使得整个机电系统的结构大大简化。本文重点分析超环面机电传动的结构参数和电磁啮合两个方面，旨在为传统的加工制造与研究提供更加有利的理论参考。

超环面机电传动；结构参数；电磁啮合

0.引言

从整体上看目前我国的机械方面发展现状，借助技术的不断升级辅助我国机械行业也逐渐走向高端。在这种局势下机械对传动机械的性能提出了更高的要求，这是因为传动系统性能的高低直接关系到整个机械的工作性能等多个方面。机械传动作为机械系统中的重要组成部分，在生产力水平逐渐提高的当下其对机械系统的性能也在逐渐产生影响。传动机械学作为机械学中的重要分支，借助科学技术的发展与进步出现的复合传动机构比起以往的单一传动形式展现出更大的优势。

1.超环面机电传动概述

超环面机电传动是一种结合环面蜗杆攒动与行星轮传动的复合传动机构[1]。为了实现工业等实际生产过程中更加高效的运作，机械传动系统逐渐将各种高新技术结合展现出更加强大的应用实力。从而呈现出了新的传动形式，促使传动展现出更好的工作性能。与传统的机电传动不同，超环面机电传动融合了机械、电磁和驱动技术三个方面的先进技术，不仅仍然具有原有系统的良好性能，同时还展现出更好的可控性，具有更加广泛的应用前景。

超环面机电由蜗杆定子、行星轮、环面外定子和行星架转子组成[2]。超环面机电传动的原理是通过利用行星架转子、永磁行星轮等内部构件，实现运动与动力的输出。其中永磁行星轮圆周上均匀的安置NS级的永磁齿，通过这个形成磁性齿完成啮合。融合了各项高端技术的超环面机电传动的运动过程已经不再是原有单纯的力或力矩的传递，而是通过实现直接驱动的方式再次提高驱动效率。

2.超环面机电传动的结构参数分析

2.1 传动关系分析

想要了解超环面机电传动的传动关系，首先需要了解的就是超环面机电传动的传动比，简单一点而言，通过对蜗杆内定子、行星轮、环面外定子、行星架转子进行分析最后再将得到的数据进行转化即可。

需要注意的是，在对具有NS两级的螺旋进行安装的过程中，一定是采用成对安装的方式即偶数安装。通过蜗杆内定子的极对数、极数就可以知道环面外定子齿数需要满足的条件与关系[3]。结合计算以及以往的实践经验发现，在传动关系中，环面外定子磁极齿数与蜗杆内定子槽内线圈绕组的关系与数学中的等差数列一致，而且是极数为2倍公差。通过对传动关系进行分析发现，想要实现以及能够实现的传动比均是偶数，而且全部都是正偶数。而传动比的大小则是由环面外定子齿数决定的。另外一个需要注意的是，在设计的过程中想要获得最大的传动比，其环面外定子的齿数要控制数值。

2.2 行星轮数

从行星轮数的角度出发，想要获得更多的超环面机电传动的电磁啮合点，就需要从装配的角度分析，这就需要在蜗杆内定子和环面外定子形成的有限空间内安装最多的行星轮，只有通过这种方式才能够达到增加输出力矩的作用，也就能够增加电磁啮合点。

在蜗杆内定子和环面外定子的空间内安装行星轮，上文中已经明确行星轮的齿数必定为偶数，在这种情况下再进行行星轮安装条件的确定，另外通过了解可安装行星轮个数从而获得极对数与环面外定子齿数与安装个数之间的存在某种特定关系。通过对蜗杆内定子极数、装配关系、可安装行星轮个数和传动比之间的关系，发现行星轮数的安装个数不仅与环面外定子的齿数有关，同时蜗杆内定子的极对数也关系到行星轮的安装个数。虽然通过安装尽可能多的行星轮能够增加输出力矩，但是另外一个重点就是要保证整个传动系统的正常运行，因此需要保证两个行星轮之间的距离保证在不会发生碰撞的可能性内。安装的过程中最好留有一定的孔隙保证其顺利安装。另外一个需要注意的就是在安装行星轮个数选择的过程中，在个数与厚度方面需要综合考虑。

3.超环面机电传动的电磁啮合分析

超环面机电传动作为一种新型传动，其驱动的原理就是环面蜗杆产生的环面旋转磁场用来驱动永磁体为轮齿的多个行星轮转动，从而支撑行星轮的行星架转动实现低速大转矩的动力输出[4]。对超环面机电传动的电磁啮合分析的目的在于了解传动固有的输出特性，获得良好的输出性能。

3.1 行星轮初始安装位置的计算

在初始安装的过程中，先安装一个基准轮，考虑到行星轮与行星架固连，可以根据比例关系完成行星轮的初始位置安装。在确定了行星轮齿数之后进行八齿行星轮的安装[5]。针对其他齿数行星轮的安装，由于环面定子内部空间以及行星轮大小有限，因此行星轮个数和行星轮齿数的选择有限。

在超环面机电传动中，不同的蜗杆绕组级对数，根据环面定子的特殊性，选取不同的行星轮齿数和行星轮个数进行安装[6]。

3.2 啮合齿对数分析

超环面机电传动中，需要先确定行星轮的初始位置，只有完成这个之后才能够进行下一步。在安装过程中，考虑到蜗杆和参与到啮合行为的行星轮齿数，其对输出力矩和速度起到关键作用。为了保证传动表现出良好的性能，就需要通过进行电磁啮合分析，重点加强对波动规律的分析，在了解的基础上提出针对性的控制方法。在安装过程中，最先需要考虑的是基准行星轮的安装，而其他形式的行星轮只需要通过同步或异步关系完成判断即可。通过这种方式就能够了解超环面机电传动和啮合情况。

而想要了解基准行星轮的啮合情况，不仅需要了解行星轮齿数、蜗杆包角等参数，还需要对基准啮合齿对数进行分析。

通过研究发现,啮合区大小与包角的关系由多个是参与啮合的分段斜线组成，在包角逐渐增大的情况下，当行星轮参与啮合的齿数越多，而异步行星轮参与啮合的齿数也会随之增多。各个段区间的大小又与异步轮数有关，异步行星轮越多，分段就越细小[7]。

如果改变开始出现变行星轮齿数，又想要得到最大的输出力矩，就需要从蜗杆包角等多个方面分析，由于电磁啮合是从基准行星轮开始，而且在后期的运行中可能还会有更多齿参与到啮合中，这时需要考虑异步值和基准轮异步的行星轮齿数，将其想加之后乘以倍频值，就可以得到参与啮合的齿数。可以发现区间的大小与行星轮齿数和安装方式的异步轮个数有关。

4.结语

与传统的机电传动模式有很大的区别，超环面融合了电磁、蜗杆等多项技术和参数，属于一种全新的空间传动模式。利用技术的先进与升级超环面机电传动表现出结构紧凑、直接驱动等多项特点。本次研究中通过对结构参数和电磁啮合两个方面进行分析，从而了解到传动可以实现所有正偶数的传动比和得到内外定子螺旋升角随着结构参数变化的变化规律，最终目的就是希望能够为传动的相关性能提供可靠的理论基础。

[1]郝秀红,许立忠.机电集成超环面传动啮合参数激励下的稳定性分析[J].中国机械工程,2007,51(24）:2947-2950.

[2]蔡毅,许立忠.机电集成传动的啮合原理研究[J]. 机械设计,2008,33(04): 42-44.

[3]刘欣,许立忠,聂岭.双定子混合励磁超环面电机结构及电感参数分析[J].电机与控制学报,2014,10:60-67.

[4]刘欣,许立忠,聂岭. 新型超环面混合励磁电机的结构及特性分析[J]. 中国电机工程学报,2015,33(20:)5335-5343.

[5]许立忠,高艳霞. 机电集成超环面传动非线性机电耦合动力学研究[J]. 燕山大学学报,2013,21(01):15-21+44.

[6]郝秀红,朱学军,许立忠.机电集成超环面传动系统参数振动研究[J].振动与冲击,2013,53(22):113-118+134.

[7]郝秀红,许立忠,任志霞. 机电集成超环面传动弱非线性自由振动研究[J]. 航空动力学报,2009,17(02):396-402.

G322

B

1007-6344（2016）07-0317-01

刘楚宁(1992.09--)男，辽宁省鞍山市人，本科学历，专业：机械设计制造及其自动化。王会芳（1992.07--）女，新疆石河子市人，本科学历，专业：机械设计制造及其自动化。于坤旺(1993.03--)男，天津市宁河县人 ，本科学历，专业：机械设计制造及其自动化。