專利名稱：集成的電機與牽引驅動的制作方法
技術領域：
電機是一種應用十分廣泛的機器，其應用領域包括從汽車到推土機，從航空到航海機器，從家用設備到醫療設施。
背景技術：
近期以來，對更大功率密度的電機的需求增長。本申請中，功率密度可以被定義為單位重量或單位體積傳輸的功率量，分別用W/kg或W/公升表示。提升功率密度的一個方法是提高電機速度。隨著電機速度提高，其總體功率隨之提高，因此，機器設計趨向于使用較小電機以較高速度運轉。在有些應用中，造成了電機速度高于從動元件所要求的速度。因此，常常需要在電機與從動元件之間加入一個減速裝置，將電機速度降至從動元件所要求的速度。因此，盡管總體功率密度提高，但是由于增加了重量與體積，減速裝置仍然對功率密度有所限制。
對于這個問題的一個解決方案就是所謂的齒輪組電機(gear headmotor)，在電機里集成一個齒輪減速裝置。齒輪組電機種類繁多，包括“精密”齒輪組電機，其能以較高速度運轉，通常比“常規”齒輪組電機昂貴。但是，即使使用精制的齒輪組，齒輪組電機的運轉速度往往限于5000到6000轉/分鐘，這在很大程度上阻礙了齒輪組電機達到其最大功率密度潛力。
近期牽引驅動研究的發展表明，構造良好的牽引驅動可以更高的速度運轉，其轉速可以達到并超過10000轉/分鐘，成本卻比齒輪組驅動小得多。因此，牽引驅動與電機的集成可以增加系統功率密度潛力，從而拓寬了電機的應用范圍。
發明內容
簡單地說，本發明是一個以高角速度提供功率的電機，其集成牽引驅動，用于接受高角速度功率，然后以較低角速度傳輸功率。電機包括定子，在定子中以高角速度轉動的轉子，以及恒星滾筒(sun roller)；該恒星滾筒有一個固定在轉子上的第一座圈。牽引驅動包括支架，外環元件和負載行星滾筒；外環元件有輸出軸，以及與恒星滾筒第一座圈不同心的第四座圈；負載行星滾筒由支架支承，具有第三座圈。恒星滾筒第一座圈和外環第四座圈形成一個匯聚楔，第三座圈與第一座圈和第四座圈在該匯聚楔上嚙合，用于在恒星滾筒與外環之間傳輸功率。外環輸出軸以較低角速度傳輸功率。
以下附圖是本說明書的一部分，其中圖1是本發明實施例前部的分解立體圖。
圖2是該實施例后部的分解立體圖。
圖3是該實施例橫截面圖。
圖4是該電機的橫截面圖。
圖5是該實施例中各座圈以及支承軸的力的示意圖。
在所有這些附圖中，相應的參考數字始終表示相應的元件。
具體實施例方式
下列詳細描述是以舉例的而不是限定的方式來說明本發明。該描述使本領域技術人員能制造并使用本發明，并描述本發明的幾個實施例、改裝、變體、替換以及用途，包括目前認為是本發明的最佳實施方式。
如圖1和圖2所示，集成的電機與牽引驅動1的實施例由電機100和牽引驅動200組成。在本說明書中，“集成”意思是“多個部件組裝成單一裝置”。
如圖1-3所示，電機100由電機外殼110、電機罩120、軸承杯狀板130、定子140、轉子150和恒星滾筒153組成。電機外殼110是一個中空的圓柱體，限定前面111、后面113、內表面115和散熱片116，其中前面111上有連接到電機罩120的孔112，后面113上有用于連接減速器200的孔114，內表面115固定到定子140，散熱片116從外表面117延伸以輔助散發運轉過程中產生的熱。電機罩120是個帶凸起同心圓環的圓盤，限定前面121、后面123、和第一鏜孔125，其中，前面121上有連接到軸承杯狀板130的孔122，后面123有連接到前面111以及電機外殼110上各個孔112的孔124，第一鏜孔125通過軸承155支承恒星滾筒153。軸承杯狀板130是一個圓盤，限定后面131，其上有孔132用于連接電機罩120的前面121和各個孔122。定子140是一個中空圓柱體，具有固定到電機外殼110的內表面115的外表面141和內極142，內極142由電源供電形成磁極，為轉子150供能。轉子150是一個中空圓柱體，限定第二鏜孔和外部凸極152，其中，第二鏜孔用于連接恒星滾筒153，外部凸極152與定子140的內部陰極142嚙合。恒星滾筒153是限定有第一座圈154的軸，用于與牽引驅動200齒合。
本領域技術人員已知的是設置電接頭用來傳輸進出定子140的內極142的線圈的電能。為便于觀看，圖中沒有顯示線圈。圖1-3所示的實施例揭示的是一種典型的開關磁阻電機，也可以使用其它類型的電機，諸如無刷電機、直流電機、交流感應電機。盡管圖1-3所示的實施例揭示的是疊層板制成的轉子150，其它類型的轉子也可使用。
如圖1-3所示，牽引驅動200包括支架210、負載行星滾筒230、支承行星滾筒245、外環元件250、雙列軸承260和牽引驅動外殼270。支架210包括底板211和蓋板220。底板211是一個帶凸起同心環的圓盤，限定前面212、后面213、連接到電機外殼110和牽引驅動外殼270的孔214、支承負載行星滾筒230的橢圓形銷孔(obround pinhole)215、支持支承行星滾筒245的銷孔216、支持恒星滾筒153的第三鏜孔217、以及后面213上弓形尖銳的楔，在本申請中稱作島狀件218。島狀件218用作底板211和蓋板220之間的隔離物，限定容納支承行星滾筒245和負載行星滾筒230的腔。蓋板220是一個圓盤，限定支持負載行星滾筒230的橢圓形銷孔221、支持支承行星滾筒245的銷孔222，以及容納恒星滾筒153的通孔223。
支承行星滾筒245包括銷軸246和軸承247。軸承247限定第二座圈248，其與恒星滾筒153的第一座圈154嚙合。軸承247連接到銷軸246，使第二座圈248能自由轉動。銷軸246插入底板211的銷孔216和蓋板220的銷孔222中，使支承行星滾筒245停留在島狀件218限定的腔中。
負載行星滾筒230包括銷軸231、彈性插件232、支承軸承235和滾筒238。彈性插件232呈環形，有外表面233和中心孔234。支承軸承235是一個環形減摩軸承，類似一個滾珠，有內環236和外環237。滾筒238也是環形，有內表面239和第三座圈240。當組裝好后，支承軸承235連接到彈性插件232，其內環236與插件232的外表面233緊密配合。滾筒238裝配到支承軸承235，在其內表面239和支承軸承235的外環237之間形成干涉配合(interference fit)，使滾筒238能自由轉動。接下來，銷軸231插入彈性插件232的中心孔234，使彈性插件232固定到銷軸231。銷軸231插入底板211的銷孔215和蓋板220的銷孔221，使第三座圈240與恒星滾筒153的第一座圈154以及外環250的第四座圈251嚙合。銷孔215與221的橢圓形形狀使銷軸231能稍做往復滑動。在運轉時，這允許負載滾筒238能自動移動到有效位置，使負載滾筒238的第三座圈240嚙合在恒星滾筒153的第一座圈154和外環250的第四座圈251之間的匯聚楔中，使功率在恒星滾筒1 53和外環250之間傳輸。圖1-3所示的銷軸231由銷孔215和221支承，但也可能由支架210通過彈簧或彈性體支承。
外環元件250是一個圓環，限定第四座圈251、輸出軸252、以及輪輻253，其中，該第四座圈251與恒星滾筒153的第一座圈154不同心以用于與負載行星滾筒230的第三座圈240和支承行星滾筒245的第二座圈248嚙合；輸出軸252用于傳輸功率；輪輻253聯結第四座圈251和輸出軸252來調和第四座圈251和輸出軸252之間的任何可能的失調。輸出軸252由背對背排列的雙列軸承260支承。
牽引驅動外殼270是一個帶有凸起同心環的中空圓柱體，限定前面271、第四鏜孔273和后面274；前面271有孔272用于連接到底板211和各個孔214，第四鏜孔用來容納雙列軸承260，后面274用于外部裝備。
要安裝本實施例，將孔132對準各自孔122，并用螺釘或鉚釘等適當的機械構件使軸承杯狀板130的后面131連接到電機罩120的前面121。同樣，通過將孔124對準各自孔112，用螺釘或鉚釘等適當的機械構件使電機罩120的后面123連接到電機外殼110的前面111。定子140插入電機外殼110中，這樣定子140的外表面141連接到電機外殼110的內表面115。
軸承156連接到鄰近第一座圈154的恒星滾筒153上用于轉動支承。套筒襯套159固定在鄰近軸承156的地方。轉子150鄰近套筒襯套159固定到恒星滾筒153上。螺母157固定到恒星滾筒153上以鎖緊轉子150。軸承155固定到恒星滾筒153上與第一座圈154相對的一端用于轉動支承。如圖3、4所示，恒星滾筒153和轉子150插入定子140中，使軸承155固定到電機罩120的第一鏜孔125上，軸承156固定到底板211的第三鏜孔217。在這個位置上，恒星滾筒153和轉子150可以在定子140中自由轉動。另外，第一座圈154伸過底板211，由此第一座圈154可以在支架210中轉動。
安裝支架210時，蓋板220安裝到底板211的島狀件218上。支承行星滾筒245的銷軸246插入底板211的銷孔216和蓋板220的銷孔222中，這樣，第二座圈248與恒星滾筒153的第一座圈154摩擦嚙合。負載行星滾筒230的銷軸231插入底板211的銷孔215和蓋板220的銷孔221中，使第三座圈240與恒星滾筒153的第一座圈154摩擦地嚙合。
雙列軸承260固定到牽引驅動外殼270的第四鏜孔273上。為了進一步鎖緊雙列軸承260，可以使用止動環275。雙列軸承260固定到外環元件250的輸出軸252上，使外環元件250可以自由轉動。通過將孔272對準各自孔214，并用螺釘或鉚釘等適當的機械構件，牽引驅動外殼270的前面271連接到底板211的后面213。在這個位置上，外環元件250的第四座圈251與負載行星滾筒230的第三座圈240和支承行星滾筒245的第二座圈248摩擦嚙合。
運轉時，電功率施加到內部陰極142，使轉子150和恒星滾筒153轉動并以高角速度傳輸功率。功率從恒星滾筒153的第一座圈154傳輸到支承滾筒245的第二座圈248和負載行星滾筒230的第三座圈240。然后，功率從第二座圈248和第三座圈240傳送到外環250的第四座圈251。最后，功率經過外環250的輪輻253傳輸到輸出軸252，以較低角速度輸出。
在如圖5所示的恒星滾筒153轉動時，在第一座圈154和負載行星滾筒230的第三座圈240之間的觸點上產生的摩擦力FR(牽引力)會轉動負載滾筒230，并在第三座圈240和外環250的第四座圈251之間的觸點產生摩擦反作用力FR。這些摩擦力將負載滾筒230推到恒星滾筒153和外環250之間的匯聚楔形間隙，其方向取決于恒星滾筒153的轉動方向。摩擦力FR由第一座圈154與第三座圈240之間的觸點和第四座圈251與第三座圈240之間的觸點上的常規觸點壓力N，以及支架210經由銷軸231、彈性插件232和支承軸承235對負載滾筒238提供的支承力Fs平衡。
響應摩擦力FR而產生的常規觸點壓力N的大小可以通過和觸點的接觸剛度以及外環250的結構撓度和其它相關部件的撓度有關系的負載滾筒230組件的支承剛度KS加以控制。假定代表赫茲接觸剛度、外環250和其它所有相關部件的結構撓度的集總有效接觸剛度記作KR，則滿足下列關系(1)---KSKR=μOsinδ-2sin2(δ2)]]>其中KS＝負載滾筒的有效支承剛度KR＝負載滾筒與恒星滾筒之間和負載滾筒與外環之間的有效接觸剛度μo＝工作牽引系數δ＝工作楔角(不同于初始楔角)要防止牽引驅動200在觸點過多滑移，必須滿足下面的不等式(2)---KSKR=μOsinδ-2sin2(δ2)≤μmsinδ-2sin2(δ2)]]>其中μm＝可以獲得的最大牽引系數支承滾筒245的第二座圈248位于恒星滾筒153的第一座圈154與外環250的第四座圈251之間并與之接觸。支承滾筒245在外環250與相應的支承滾筒245之間的觸點上施加適當的力，以平衡在外環250和負載滾筒230之間觸點上的觸點壓力。同樣，支承滾筒245在恒星滾筒153和支承滾筒245之間的觸點上施加適當的力，以平衡恒星滾筒153和負載滾筒230之間觸點上的觸點壓力。這樣，作用在外環250和恒星滾筒153上的力在內部自行平衡。
可以理解，在支承滾筒245與外環250之間的觸點和支承滾筒245與恒星滾筒153之間的觸點上也可能產生摩擦力。這些摩擦力也能夠有助于在恒星滾筒153和外環250之間傳送扭矩與功率。
從效率角度考慮，傳統的牽引驅動必須以小于但接近于所謂的摩擦角δf的楔角工作，該δf定義為(3)δf＝2Arctanμ其中，μ是觸點的摩擦系數。
這就在負載滾筒230的方位角位置時產生了不期望的設計限制，因為楔角δ直接與關于外環第四座圈251與恒星滾筒的第一座圈153的離心率θ相關的負載滾筒230的方位角位置α相關。
方程2表示，通過適當地選擇有效支承剛度KS與有效接觸剛度KR之比，不管摩擦系數多大，牽引驅動200都有可能在很寬的給定工作楔角范圍內操作，而不犧牲驅動的功效。也就是說，牽引驅動200即使以很小的楔角工作，其工作牽引系數也可以接近最大可能值。這使負載滾筒230可以放置在或接近于對應最寬楔形間隙的方位角位置，因此，同一個負載滾筒230可以用作雙向負載機械，大大簡化牽引驅動200的設計與構造。
由于上述結構可以作各種變化而不脫離本發明的范圍，因此，以上描述或是附圖中所包含的事物都應該是說明性的，而不是限制性的。
權利要求
1.一種集成的電機與牽引驅動，其包括以高角速度提供功率的電機，所述電機包括定子，在所述定子中以高角速度轉動的轉子，以及安裝在所述轉子上的恒星滾筒，該恒星滾筒帶有第一座圈；和接受高角速度功率并以較低角速度傳輸功率的牽引驅動，該牽引驅動包括支架、外環元件、負載行星滾筒，其中，該外環元件帶有與所述恒星滾筒的第一座圈不同心的第四座圈和以較低角速度傳輸功率的輸出軸，該負載行星滾筒由帶有第三座圈的支架支承，該第三座圈與所述恒星滾筒的第一座圈以及所述外環的第四座圈嚙合，形成匯聚楔，用于在所述恒星滾筒與所述外環之間傳輸功率。
2.如權利要求1所述的一種集成的電機與牽引驅動，其中所述第三座圈與所述恒星滾筒的第一座圈以及所述外環的第四座圈嚙合，以滿足方程KSKR=μ0sinδ-2sin2(δ2)≤μmsinδ-2sin2(δ2).]]>
3.如權利要求1所述的一種集成的電機與牽引驅動，還包括支承行星滾筒，其由支架支持并具有第二座圈，該第二座圈與所述第一座圈和所述第四座圈嚙合，以自平衡內力。
4.如權利要求3所述的一種集成的電機與牽引驅動，其中所述支承行星滾筒包括銷軸，其由所述支架和固定到所述銷軸的軸承支持。
5.如權利要求1所述的一種集成的電機與牽引驅動，還包括固定到所述定子和支架的外殼，其具有支持所述恒星滾筒的第一鏜孔和支持外環的第四鏜孔。
6.如權利要求5所述的一種集成的電機與牽引驅動，其中所述外殼包括連接到所述支架并固定到所述定子的電機外殼，連接到所述電機外殼的電機罩，其帶有用于支承所述恒星滾筒的第一鏜孔，以及連接到所述電機罩以固定所述恒星滾筒的軸承杯狀板；連接到所述支架的牽引驅動外殼，其具有用于支承所述外環的第四鏜孔。
7.如權利要求1所述的一種集成的電機與牽引驅動，其中所述負載行星滾筒包括具有外環和內環的支承軸承，這樣該支承軸承的外環與所述負載行星滾筒的內表面嚙合，從而允許所述負載行星滾筒自由轉動；具有外表面和中心孔的彈性插件，這樣該彈性插件的外表面與所述支承軸承的內環嚙合；以及與所述彈性插件的中心孔嚙合的銷軸，這樣所述負載行星滾筒、支承軸承以及彈性插件由所述支架支持，且所述負載行星滾筒的第三座圈與所述恒星滾筒的第一座圈以及外環的第四座圈嚙合，形成用于將功率從第一座圈傳輸至第四座圈的匯聚楔。
8.如權利要求1所述的一種集成的電機與牽引驅動，其中所述支架包括底板，其具有支撐所述負載行星滾筒的銷孔，用于支撐所述恒星滾筒的第三鏜孔，用于支撐所述支承行星滾筒的銷孔，和島狀件；以及蓋板，其固定到所述底板，具有用于支持所述負載行星滾筒的銷孔和用于安裝所述恒星滾筒的孔。
9.一種集成的電機與牽引驅動，其包括以高角速度供應功率的電機，該電機包括定子、在定子中以高角速度轉動的轉子以及固定到轉子上具有第一座圈的恒星滾筒；牽引驅動，其用于接受高角速度的功率并以較低角速度輸出，該牽引驅動包括支架，其包括底板和蓋板，該底板具有支撐所述負載行星滾筒的銷孔，用于支撐所述恒星滾筒的第三鏜孔，用于支撐所述支承行星滾筒的銷孔，和島狀件；以及該蓋板固定到所述底板，具有用于支持所述負載行星滾筒的銷孔和用于容納所述恒星滾筒的孔；外環元件，其具有與所述恒星滾筒的第一座圈不同心的第四座圈，以及以較低角速度輸出功率的輸出軸；負載行星滾筒，該負載行星滾筒由帶有第三座圈的支架支承，該第三座圈與所述恒星滾筒的第一座圈以及所述外環的第四座圈嚙合，形成匯聚楔，用于在所述恒星滾筒與所述外環之間傳輸功率，該負載行星滾筒包括支承軸承、彈性插件和銷軸，該支承軸承具有外環和內環，這樣該支承軸承的外環與所述負載行星滾筒的內表面嚙合，從而允許所述負載行星滾筒自由轉動；該彈性插件具有外表面和中心孔，這樣該彈性插件的外表面與所述支承軸承的內環嚙合；以及該銷軸與所述彈性插件的中心孔嚙合，這樣所述負載行星滾筒、支承軸承以及彈性插件由所述支架支持，且所述負載行星滾筒的第三座圈與所述恒星滾筒的第一座圈以及外環的第四座圈嚙合，形成用于將功率從第一座圈傳輸至第四座圈的匯聚楔；由所述支架支撐的支承行星滾筒，其具有第二座圈，與第一座圈和第四座圈嚙合以自平衡內力；和固定在所述定子和支架上的外殼，具有用于支承所述恒星滾筒的第一鏜孔和用于支承外環的第四鏜孔。
10.如權利要求9所述的一種集成的電機和牽引驅動，其中所述支承行星滾筒包括由支架支承的銷軸和固定到該銷軸的軸承。
11.如權利要求9所述的一種集成的電機和牽引驅動，其中所述外殼包括連接到所述支架并固定到所述定子的電機外殼，連接到所述電機外殼的電機罩，其帶有用于支承所述恒星滾筒的第一鏜孔，以及連接到所述電機罩以固定所述恒星滾筒的軸承杯狀板；和連接到所述支架的牽引驅動外殼，其具有用于支承所述外環的第四鏜孔。
12.如權力要求9所述的一種集成的電機和牽引驅動，其中所述第三座圈與所述恒星滾筒的第一座圈以及所述外環的第四座圈嚙合，以滿足方程KSKR=μ0sinδ-2sin2(δ2)≤μmsinδ-2sin2(δ2).]]>
全文摘要
本發明揭示的是一種集成的電機與牽引驅動(1)。該裝置包括電機(100)和牽引驅動(200)。電機(100)提供高角速度功率給恒星滾筒(153)。該恒星滾筒(153)將功率傳輸到牽引驅動(200)，牽引驅動(200)再將功率降到較低角速度，然后由輸出軸(252)輸出。
文檔編號F16H13/14GK1781235SQ200380105825
公開日2006年5月31日 申請日期2003年12月11日 優先權日2002年12月13日
發明者X·艾, G·畢曉普 申請人:迪姆肯公司