一种基于非线性磁场映射的电动夹爪用磁齿轮及电动夹爪驱动模组的制作方法

本发明涉及电动夹爪驱动与磁齿轮传动，具体为一种基于非线性磁场映射的电动夹爪用磁齿轮及电动夹爪驱动模组。

背景技术：

1、电动夹爪可应用于精密装配、电子制造、医疗器械及实验室自动化等场合，通常用于对工件进行夹持、定位和搬运，现有电动夹爪的驱动结构通常采用驱动电机、机械减速器以及丝杠螺母副相配合的驱动方式，驱动电机输出的高速低转矩旋转运动经机械减速器减速增矩后，再通过丝杠螺母副转换为直线运动，从而带动夹爪进行开合动作；

2、在实际工作过程中，电动夹爪在不同工作行程阶段对驱动性能具有不同要求；在夹爪工作行程的接近段，为提高夹爪开合速度，需要驱动机构具有较高的输出转速，当采用较大的减速比时，虽然能够获得较大的输出转矩，但随着减速比增大，机械减速器的传动效率以及转矩密度容易受到影响，从而使夹爪的快速开合与传动性能之间存在一定的限制；

3、在夹爪工作行程的夹紧段，为保证对工件具有足够的夹持力，需要驱动机构能够提供较大的输出转矩，并具有相应的转矩密度，当机械减速器的输出转矩能力受到限制时，可能无法满足夹持过程中的转矩需求，若通过使驱动电机长时间处于较高负载甚至堵转状态来提高夹持力，则容易导致驱动电机发热增加；

4、此外，电动夹爪所夹持的工件部分具有较高的精密性，在受到电源波动、驱动冲击或外部作用力矩时，冲击载荷可能经机械减速器向传动系统传递，由于机械减速器采用机械啮合传动，其传动部件之间具有较为刚性的力矩传递关系，受到冲击时容易使夹持力产生较大波动，在特定工况下可能造成工件夹持不稳定甚至脱落；

5、磁齿轮通过磁场调制实现转矩传递，其传动过程中不需要传统机械齿轮之间的直接啮合，并能够在一定程度的过载状态下产生相对滑移，因此，磁齿轮也可应用于电动夹爪的减速传动结构中，但是，现有同轴磁齿轮通常采用内永磁转子、调磁块以及外永磁转子配合的结构形式，其调磁块数量q2与内转子极对数p1、外转子极对数p3之间通常满足q2＝p1＋p3的关系，减速比主要由内、外转子的极对数比例确定；

6、在需要获得较大减速比时，外转子永磁体在周向上的极弧宽度会受到限制，而内转子永磁体的极弧相对较宽，使得内、外转子两侧永磁体的极弧宽度存在较大差异，难以针对两侧结构同时进行优化，同时，较宽的内转子永磁体极弧通常需要配置相应的背铁结构，以保证磁路性能，由此会增加内转子的结构尺寸及质量，为此，我们提出一种基于非线性磁场映射的电动夹爪用磁齿轮及电动夹爪驱动模组。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于非线性磁场映射的电动夹爪用磁齿轮及电动夹爪驱动模组，以解决现有电动夹爪难以兼顾快速开合、大夹持力与抗冲击性能，以及高减速比磁齿轮转矩密度和传动效率受限的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于非线性磁场映射的电动夹爪用磁齿轮及电动夹爪驱动模组，包括磁齿轮，所述磁齿轮包括同轴嵌套的内转子、调磁转子和外转子；

3、所述内转子包括内转子轭部和沿周向表贴于所述内转子轭部的p1对极第一永磁体，所述第一永磁体的n极与s极沿周向交替排布；

4、所述外转子包括外转子轭部和沿周向表贴于所述外转子轭部的p3对极第二永磁体，所述第二永磁体的n极与s极沿周向交替排布；

5、所述调磁转子设置于内转子与外转子之间，所述调磁转子与内转子之间形成内气隙，所述调磁转子与外转子之间形成外气隙；

6、所述调磁转子包括沿周向分布的q2个铁磁块，相邻两个所述铁磁块之间由非导磁材料间隔，且各所述铁磁块经所述非导磁材料连接成整体；

7、每个所述铁磁块的径向内端与径向外端在周向上错开一偏转量δθ，且所述偏转量δθ沿周向按非线性规律分布，所述外气隙中机械角度φo处的磁通经铁磁块引导至所述内气隙中机械角度φᵢ处，所述内气隙中机械角度φᵢ与外气隙中机械角度φo满足映射关系：

8、φᵢ＝（p3/p1）·（φo−θ2）＋θ2

9、所述调磁转子的周向参考方位角为θ2；

10、所述外转子固定时调磁转子与内转子的转速比g＝ω2/ω1＝−p1/（p3−p1），所述内转子的转速为ω1，所述调磁转子的转速为ω2，负号表示所述调磁转子与内转子的旋向相反。

11、优选的，所述铁磁块的数量q2与极对数p1、p3相互独立，所述q2的取值范围为60～150。

12、优选的，所述铁磁块的周向占空比αfe为0.4～0.6，所述周向占空比αfe为单个铁磁块的周向宽度与相邻两个铁磁块的周向节距之比，所述铁磁块的径向厚度为3mm～5mm。

13、优选的，所述p3与p1之差分为1和2，当所述p3与p1之差为2第一永磁体的磁极与第二永磁体的磁极关于磁齿轮的中心对称分布，所述内转子与外转子承受的不平衡径向磁拉力相互抵消，当所述p3与p1之差为1第一永磁体的磁极与第二永磁体的磁极极数少、转矩密度最高，但所述内转子与外转子承受不平衡径向磁拉力需校核轴承，所述p3与p1之差为2时适用于对轴承寿命和振动要求高的精密夹爪场合。

14、优选的，所述第一永磁体和第二永磁体为钕铁硼永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体采用径向充磁磁体与切向充磁磁体交替排布的halbach阵列结构。

15、优选的，所述铁磁块由硅钢片沿轴向叠压而成，所述非导磁材料为铝合金。

16、优选的，还包括驱动电机、基于非线性磁场映射的电动夹爪用磁齿轮、丝杠螺母副、夹爪、壳体和控制器；

17、所述磁齿轮的外转子与壳体固定连接；

18、所述驱动电机的输出轴与磁齿轮的内转子连接，所述内转子为高速输入端；

19、所述磁齿轮的调磁转子与丝杠螺母副的丝杠连接，所述调磁转子为低速输出端；

20、所述丝杠螺母副的螺母经推杆与夹爪的夹指连接，所述螺母用于将丝杠的旋转运动转换为直线运动带动夹指开合。

21、优选的，所述控制器用于按照夹爪的工作行程对驱动电机进行分段控制，所述夹爪处于接近段时控制驱动电机以第一转速运行，所述夹爪处于夹紧段时控制驱动电机以低于第一转速的第二转速运行，所述驱动电机还能以转矩限幅方式运行。

22、优选的，所述磁齿轮的最大传递转矩由磁齿轮的磁路结构确定，所述丝杠螺母副一侧的负载转矩超过最大传递转矩调磁转子与内转子之间发生相对滑移，且所述驱动电机一侧出现转矩突变且超过最大传递转矩时调磁转子与内转子之间发生相对滑移，转矩回落至最大传递转矩以下时所述调磁转子与内转子恢复同步转动。

23、优选的，电动夹爪驱动模组的控制方法，包括以下步骤：

24、s1、获取所述夹爪的当前行程位置；

25、s2、当前行程位置处于接近段时，控制所述驱动电机以第一转速运行驱动夹爪开合；

26、s3、当前行程位置处于夹紧段时，控制所述驱动电机以低于第一转速的第二转速运行，转矩回落至最大传递转矩以下时控制所述驱动电机以转矩限幅方式运行，使所述磁齿轮的调磁转子经减速增矩后带动丝杠螺母副输出夹持力。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

28、（1）本发明通过使调磁转子的各铁磁块径向内端与径向外端在周向上错开偏转量δθ、且偏转量δθ沿周向按非线性规律分布，使内气隙与外气隙中的磁场满足φᵢ＝(p3/p1)·(φo−θ2)＋θ2的直接角度映射关系，内转子的p1对极磁场经铁磁块映射后在外气隙中形成p3对极磁场，并与外转子的p3对极永磁体耦合传递转矩，转矩传递基于直接的角度映射，因此铁磁块数量q2与极对数p1、p3解耦，不受q2＝p1＋p3的约束，外转子固定时减速比g＝−p1/(p3−p1)，极对数之差可小至1即可获得大减速比，且内、外转子永磁体的极弧宽度相近、可同时优化，无需厚重背铁，使磁齿轮在高减速比下保持较高的转矩密度和传动效率。

29、（2）本发明通过电动夹爪驱动模组采用驱动电机、磁齿轮与丝杠螺母副的组合结构，磁齿轮的高减速比与高转矩密度允许丝杠选用较大导程，配合按行程分段控制，夹爪在接近段以较高转速快速开合，在夹紧段经减速增矩输出夹持力，驱动电机无需堵转运行，发热量小，使夹爪的开合速度与夹持力能够兼得。

30、（3）本发明通过利用磁齿轮非接触传动所固有的过载滑移特性，当丝杠螺母副一侧负载转矩超过最大传递转矩或驱动电机一侧出现转矩突变时，调磁转子与内转子之间发生相对滑移，冲击载荷无法刚性传递至另一侧，从而保护丝杠、螺母、夹指等机械传动件，降低因夹持力骤失导致工件坠落的风险，转矩回落后调磁转子与内转子自动恢复同步，无需人工复位。

31、（4）本发明的磁齿轮采用非接触式转矩传递，无机械啮合磨损，运行噪声低，免维护，适用于精密装配、电子制造、医疗器械及实验室自动化等精密夹持场合。