少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

薄一龍

少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

薄一龍

闡述了少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的技術(shù)原理，介紹了該機(jī)的一些性能特點(diǎn)及在機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中的應(yīng)用。

少齒差行星減速機(jī)；電驅(qū)動(dòng)；機(jī)電一體化

在現(xiàn)代化工業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程的要求，需要采用各種各樣的生產(chǎn)機(jī)械。這些生產(chǎn)機(jī)械大多采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式來完成各種工藝要求。

隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，各種生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)工藝特點(diǎn)，對生產(chǎn)機(jī)械和拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)也不斷提出各種不同的要求。有的要求電動(dòng)機(jī)能迅速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；有的要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速按一定的比例協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)達(dá)到極慢的穩(wěn)速運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確地停止在給定的位置。為實(shí)現(xiàn)上述控制過程，達(dá)到各種不同的目的，在實(shí)際應(yīng)用中，可采用直流電動(dòng)機(jī)的良好調(diào)速性能實(shí)現(xiàn)速度控制；用永磁磁阻直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速按一定比例協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的控制；用開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)現(xiàn)迅速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行的控制。但在驅(qū)動(dòng)大多數(shù)機(jī)械時(shí)，一般都需將電動(dòng)機(jī)的速度通過減速機(jī)降下來，并提高輸出轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行。

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，“機(jī)械電子學(xué)”的應(yīng)用已經(jīng)開始。它已跳出了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在此提出了一個(gè)機(jī)電一體化的“少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)”優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的工作原理

少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)是在少齒差行星減速機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種由電磁直接驅(qū)動(dòng)的減速機(jī)裝置（見圖1）。圖中固定的內(nèi)齒輪a與行星齒輪b組成第一級(jí)少齒差行星減速，與輸出軸相連的內(nèi)齒輪d與行星齒輪c（行星齒輪c與行星齒輪b同軸連接）組成第二級(jí)少齒差行星減速。從傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖中可看出，前一級(jí)和后一級(jí)少齒差行星減速的連接并不是通常的串聯(lián)關(guān)系，傳動(dòng)比不等于前級(jí)傳動(dòng)比乘以后級(jí)傳動(dòng)比。

2 Z型少齒差行星減速機(jī)高速由H端輸入，使行星輪b與固定的內(nèi)齒輪a嚙合旋轉(zhuǎn)。因齒輪b與齒輪c同軸，行星齒輪b的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)同時(shí)傳給行星齒輪c，行星齒輪c的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)方向相反。如果行星齒輪c公轉(zhuǎn)1周，輸出內(nèi)齒輪d也按行星輪c公轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)1周。又由于行星齒輪c的自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反，在不同配齒情況下，可得到以下3種結(jié)果：

⑴c齒輪自轉(zhuǎn)使內(nèi)齒輪d旋轉(zhuǎn)1圈的同時(shí)公轉(zhuǎn)1圈，輸出的齒輪d將無轉(zhuǎn)速輸出，輸出為“0”；

⑵c齒輪自轉(zhuǎn)使內(nèi)齒輪d旋轉(zhuǎn)1圈、c齒輪公轉(zhuǎn)小于1圈時(shí)，輸出軸的方向?yàn)椤?”，轉(zhuǎn)速等于c齒輪公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)同時(shí)作用在d輪上的轉(zhuǎn)速之差；

⑶與⑵相同，當(dāng)c齒輪公轉(zhuǎn)大于1圈時(shí)，輸出軸的方向?yàn)椤?”，轉(zhuǎn)速等于d輪上轉(zhuǎn)速之差。

2Z型少齒差行星減速機(jī)的傳動(dòng)比可以在很大范圍內(nèi)選取。少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)就是利用了這個(gè)機(jī)械特性，并將固定的內(nèi)齒輪a由電磁輸入的定子代替，行星齒輪b由永磁轉(zhuǎn)子代替，定、轉(zhuǎn)子組成電磁功率輸入級(jí)，而行星輪c、輸出內(nèi)齒輪組成輸出級(jí)，動(dòng)力由輸出軸M端輸出。電磁功率由輸入級(jí)高速輸入端輸入，輸出將得到大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的輸出。

電磁功率輸入級(jí)，在該例中是在內(nèi)齒輪兩側(cè)對稱輸入的，輸出是由各行星齒輪對稱驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪形成的。

少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的電磁功率輸入級(jí)，工作原理見圖2中轉(zhuǎn)子位置及三相交流波形。在t1時(shí)刻，由于A相電壓為零，B相與C相電壓極性相反（C（一）、B（+）） 幅值相等，根據(jù)圖2定子接線，在B1B2、C1C2表面產(chǎn)生同等磁力。因轉(zhuǎn)子磁極表面均為N，B1B2、C1C2對轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生均等吸力。在t7時(shí)刻對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置為7，位置1與位置7對比可看出，在位置1時(shí)轉(zhuǎn)子磁極1對應(yīng)A1，2對應(yīng)A2；而位置7，轉(zhuǎn)子磁極2對應(yīng)A1，3對應(yīng)A2。對于A相，在一個(gè)正弦周期，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)了30°，當(dāng)經(jīng)歷12個(gè)正弦周期后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周。上述是在理想條件下的運(yùn)行情況，如果轉(zhuǎn)子帶載運(yùn)行，設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩，這時(shí)轉(zhuǎn)子位置將會(huì)滯后定子磁場一個(gè)角度，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大偏轉(zhuǎn)角度也就越大，在圓周上偏轉(zhuǎn)角度如果大于180°時(shí)，轉(zhuǎn)子將同步。在空載時(shí)偏轉(zhuǎn)角度小，磁轉(zhuǎn)矩小，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大，磁力矩也就增大。用位置1作為例子，在轉(zhuǎn)子1、2與A1、A2對齊時(shí)刻，如偏轉(zhuǎn)角度在90°時(shí)，轉(zhuǎn)子3、4、5、6、7磁極與定子磁極產(chǎn)生吸力，而轉(zhuǎn)子8、9、10、11、1磁極與定子磁極產(chǎn)生推力，這將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生最大的力矩。在實(shí)際應(yīng)用中，偏轉(zhuǎn)角度隨轉(zhuǎn)子上負(fù)載的變化而變化，達(dá)到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，提高了帶負(fù)載的能力。

少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的電磁功率輸入級(jí)將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從轉(zhuǎn)子輸出軸上連接的行星齒輪與輸出內(nèi)齒輪嚙合，最后從內(nèi)齒輪輸出。

在本例中，定子磁極Za＝12，轉(zhuǎn)子磁極Zb＝11，輸出級(jí)行星齒輪Zc＝44，內(nèi)齒輪Zd＝50，

當(dāng)少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)采用50 Hz三相交流電供電時(shí)，12個(gè)周期轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1圈，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=250 r/min，再通過ix4＝25的傳動(dòng)比減速，輸出軸轉(zhuǎn)速為n/25=10 r/min。改變行星齒輪與輸出內(nèi)齒轉(zhuǎn)的齒數(shù)可改變電動(dòng)減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。

少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：由于旋轉(zhuǎn)磁場在定子圓周上旋轉(zhuǎn)12周時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周，電動(dòng)減速機(jī)的總傳動(dòng)比i=12×25＝300。

又根據(jù)定子內(nèi)徑為182 mm的Y180M－2型三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率為30 kW，而本例中的定子內(nèi)徑為288 mm，我們設(shè)定本例中電動(dòng)減速機(jī)的功率為30 kW，輸出轉(zhuǎn)矩為 T額＝95.49×300＝28 647 Nm，這里沒考慮損耗。

2 少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的特點(diǎn)

⑴傳動(dòng)比取值范圍寬。2Z少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)傳動(dòng)比取值i=10～150，在本例中只要改變行星齒輪和內(nèi)齒輪的配齒即可改變傳動(dòng)比。

⑶體積小。目前在大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械電動(dòng)拖動(dòng)中，基本是電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)組合安裝，占地面積大，級(jí)聯(lián)多，損耗大。而少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)，第一級(jí)由電磁裝置取代，完全保留了少齒差行星減速機(jī)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的性能。它是真正的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

⑷電驅(qū)動(dòng)簡單。少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)可直接采用三相交流電源驅(qū)動(dòng)，無需電子控制裝置，在需要調(diào)速時(shí)，可直接使用變頻器調(diào)速。

⑸調(diào)速范圍大，尤其在低速范圍內(nèi)更具有良好的調(diào)速性能。

⑹負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，當(dāng)負(fù)載載荷變動(dòng)時(shí)，自動(dòng)調(diào)整電磁驅(qū)動(dòng)角，保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

⑺具有相同的啟、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，特別適合在電梯曳引驅(qū)動(dòng)中使用。

⑻頻繁的正、反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

3 少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)的市場前景

少齒差行星電動(dòng)減速機(jī)是一個(gè)機(jī)電的一體化產(chǎn)品，更是一項(xiàng)新的傳動(dòng)技術(shù)。特別是應(yīng)用在電梯曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，可降低設(shè)備投入成本，減小機(jī)房尺寸，提高曳引系統(tǒng)的工作效率和調(diào)速性能，因此市場前景極為廣闊。

Optimization Design of Electric Planet-gear Speed Reducer with Fewer Tooth Difference

Bo Yilong

The article describes the technology of electric planet reducer with fewer tooth difference,introduces the performance features and the applications in the mechanical transmission equipment.

planet-gear speed reducer with fewer tooth difference;electric drive;mechatronics

TH132.425

A

1000-4866（2012）02-0003-03

薄一龍，男，2011年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)），現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)公司同忻礦工作。

2012-03-21

2012-04-17