超磁致伸縮諧波電機致動器磁路設(shè)計方法

朱林劍，曹向崢，2

（1.大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.北京星航機電裝備有限公司，北京100074）

1 引言

諧波齒輪傳動由于速比大、承載能力強、精度高[1]等特性而被廣泛應(yīng)用于航天、航空、機器人等領(lǐng)域[2-4]，但目前常用作減速裝置，仍需由驅(qū)動電機提供動力，并經(jīng)過波發(fā)生器傳入，慣量大、空間利用率低，在微小型及低速、高響應(yīng)要求的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。超磁致伸縮材料（Giant magnetostrictive material，GMM）具有應(yīng)變大、響應(yīng)快、頻帶寬等優(yōu)勢[5]，因此提出了一種利用超磁致伸縮材料磁致伸縮變形間接驅(qū)動柔輪變形，并經(jīng)諧波傳動輸出的集驅(qū)動、傳動于一體的構(gòu)想，有效地利用了空間，從而實現(xiàn)一種全新的有源低速、響應(yīng)快、扭矩大的超磁致伸縮諧波電機（Giant magnetostrictive harmonic motor，GMHM）。

驅(qū)動磁場一般由電磁線圈產(chǎn)生，而對于偏置磁場的產(chǎn)生，目前國內(nèi)外結(jié)構(gòu)形式不一，文獻[7-8]中采用了偏置線圈通入直流電產(chǎn)生偏置磁場，均勻性好且磁場可調(diào)控，但銅損大、發(fā)熱嚴重；文獻[9-10]中采用了外環(huán)套永磁結(jié)構(gòu)，其棒內(nèi)磁場均勻性好且磁能利用率高，但漏磁較嚴重、體積大；相比之下，圓片狀永磁結(jié)構(gòu)的磁場均勻性略差，設(shè)計不當易有損致動器位移和力學性能[11]，目前對該結(jié)構(gòu)致動器的研究較少，但由于其空間利用高、結(jié)構(gòu)緊湊、漏磁極少等特點更好地符合了諧波電機的要求。因此基于此結(jié)構(gòu)對諧波電機致動器磁場展開了合理性設(shè)計和優(yōu)化。

2 諧波電機結(jié)構(gòu)及工作原理

GMHM 原型圖及其致動器結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2 所示。將GMM棒分段，并于棒間和端部放置永磁圓片以產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場，而驅(qū)動磁場由電磁線圈產(chǎn)生。……