(57)【要約】【課題】反転ハーモニックギヤアクチュエータを提供する。【解決手段】反転ハーモニックギヤアクチュエータは、モータ固定子と、モータ固定子の内部で半径方向に配置されるモータ回転子とを含む。反転ハーモニックギヤアクチュエータはまた、モータ回転子の内部で半径方向に配置される波形発生器を含み、波形発生器は、カム形状を伴う半径方向内側表面を有する。アクチュエータ出力軸は、波形発生器の内部で半径方向に配置される。フレックススプラインは、波形発生器の半径方向内側表面とアクチュエータ出力軸との間で半径方向に介在可能である。フレックススプラインは、波形発生器の半径方向内側表面と一致し、かつモータ回転子の回転よりも遅くアクチュエータ出力軸を回転駆動させるように変形可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転ハーモニックギヤアクチュエータであって、
モータ固定子と、
前記モータ固定子の内部で半径方向に配置されるモータ回転子と、
前記モータ回転子の内部で半径方向に配置される波形発生器であって、カム形状を伴う半径方向内側表面を備える、前記波形発生器と、
前記波形発生器の内部で半径方向に配置されるアクチュエータ出力軸と、
前記波形発生器の半径方向内側表面とアクチュエータ出力軸との間で半径方向に介在可能であるフレックススプラインであって、前記波形発生器の前記半径方向内側表面と一致し、かつ前記モータ回転子の回転よりも遅く前記アクチュエータ出力軸を回転駆動させるように変形可能である、前記フレックススプラインと、
を備える、前記反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項２】
前記フレックススプラインの半径方向内側表面は、前記アクチュエータ出力軸のギヤインターフェースの複数の第２のギヤ歯と噛合するように動作可能である複数の第１のギヤ歯を備える、請求項１に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項３】
前記フレックススプラインの前記半径方向内側表面は、前記アクチュエータ出力軸の前記ギヤインターフェース上のギヤ歯の数よりも大きい数のギヤ歯を備える、請求項２に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項４】
前記アクチュエータ出力軸は、前記モータ回転子から軸方向外向きに延在し、負荷を回転駆動させるスプラインインターフェースを備える、請求項３に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項５】
前記モータ回転子及び前記アクチュエータ出力軸の前記ギヤインターフェースは、実質的に円形である、請求項３に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項６】
前記波形発生器の前記半径方向内側表面と前記フレックススプラインの半径方向外側表面との間で半径方向に配置される複数のローラベアリング
をさらに備える、請求項１に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項７】
前記フレックススプラインと前記ローラベアリングとの間に配置されるローラベアリング内輪と、
前記波形発生器と前記ローラベアリングとの間に配置されるローラベアリング外輪と、
をさらに備える、請求項６に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項８】
前記モータ固定子に結合される複数の巻線と、
前記モータ回転子に結合される複数の磁石と、
をさらに備える、請求項１に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項９】
前記波形発生器及び前記モータ回転子は、単一要素で一体化される、請求項１に記載の反転ハーモニックギヤアクチュエータ。
【請求項１０】
反転ハーモニックギヤアクチュエータの組立方法であって、
波形発生器を前記モータ回転子の内部で半径方向に結合させることであって、前記波形発生器はカム形状を伴う半径方向内側表面を含む、前記結合させることと、
前記波形発生器の前記半径方向内側表面とアクチュエータ出力軸との間で半径方向にフレックススプラインを介在することであって、前記フレックススプラインは、前記波形発生器の前記半径方向内側表面と一致し、かつ前記モータ回転子の回転よりも遅く前記アクチュエータ出力軸を回転駆動させるように変形可能である、前記介在することと、
前記モータ回転子を、モータ固定子の内部で半径方向に位置付けることと、
を含む、前記方法。
【請求項１１】
前記フレックススプラインの半径方向内側表面は、前記アクチュエータ出力軸のギヤインターフェースの複数の第２のギヤ歯と噛合するように動作可能である複数の第１のギヤ歯を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記フレックススプラインの前記半径方向内側表面は、前記アクチュエータ出力軸の前記ギヤインターフェース上のギヤ歯の数よりも大きい数のギヤ歯を備え、前記アクチュエータ出力軸は、前記モータ回転子から軸方向外向きに延在し、負荷を回転駆動させるスプラインインターフェースを備え、前記モータ回転子及び前記アクチュエータ出力軸の前記ギヤインターフェースは、実質的に円形である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記波形発生器の前記半径方向内側表面と前記フレックススプラインの半径方向外側表面との間の複数のローラベアリング位置付けること、
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記フレックススプラインと前記ローラベアリングとの間のローラベアリング内輪を位置付けることと、
前記波形発生器と前記ローラベアリングとの間のローラベアリング外輪を位置付けることと、
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
複数の巻線を前記モータ固定子に結合することと、
複数の磁石を前記モータ回転子に結合することと、
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、作動システムに関し、より具体的には、反転ハーモニックギヤを伴うアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国海軍により付与されたＤ６３０５−ＡＤＰＣ−３０−Ｆ４−１００００００の下、政府支援により作成された。米国政府は、本発明の一定の権利を有する。
【０００３】
電気モータを使用する作動デバイスは、一般的に、出力速度を減速させ、かつ出力トルクを増加させるために、ギヤボックス等の追加のギヤ装置を必要とする。ギヤ装置は、一般的に、モータの端部に取り付けられ、結果的に、モータの出力軸を越えて延在する、より長い作動ユニットになる。従来、回転式アクチュエータは、遊星ギヤドライブと一般に称される遊星型減速ギヤドライブを使用し、電気駆動モータによって入力される高速回転を減速させる。また、回転式アクチュエータが、複数の段（遊星ギヤの複数のセット）を伴う遊星ギヤドライブを使用し、減速比を増加させ、モータのサイズ及び重量を小さくし、アクチュエータのトルク対重量の比率を増加させることが一般的である。複数の段を遊星ギヤドライブに組み込むことにより、減速比を増加させる一方で、また、望ましくないが、サイズ、重量、及び複雑性が増加する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の一態様による、反転ハーモニックギヤアクチュエータが提供される。反転ハーモニックギヤアクチュエータは、モータ固定子と、モータ固定子の内部で半径方向に配置されるモータ回転子とを含む。反転ハーモニックギヤアクチュエータはまた、モータ回転子の内部で半径方向に配置される波形発生器を含み、波形発生器は、カム形状を伴う半径方向内側表面を有する。アクチュエータ出力軸は、波形発生器の内部で半径方向に配置される。フレックススプラインは、波形発生器の半径方向内側表面とアクチュエータ出力軸との間で半径方向に介在可能である。フレックススプラインは、波形発生器の半径方向内側表面と一致するように変形可能であり、モータ回転子の回転よりも遅くアクチュエータ出力軸を回転駆動させる。
【０００５】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、フレックススプラインの半径方向内側表面は、アクチュエータ出力軸のギヤインターフェースの複数の第２のギヤ歯と噛合するように動作可能である複数の第１のギヤ歯を含む。
【０００６】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、フレックススプラインの半径方向内側表面は、アクチュエータ出力軸のギヤインターフェース上のギヤ歯の数よりも大きい数のギヤ歯を含む。
【０００７】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、モータ回転子及びアクチュエータ出力軸のギヤインターフェースは、実質的に円形である。
【０００８】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、または前述の実施形態のいずれかの代替として、さらなる実施形態は、アクチュエータ出力軸がモータ回転子から軸方向外向きに延在し及び負荷を回転駆動させるスプラインインターフェースを含む場合を含んでよい。
【０００９】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、または前述の実施形態のいずれかの代替として、さらなる実施形態は、波形発生器の半径方向内側表面とフレックススプラインの半径方向外側表面との間で半径方向に配置される複数のローラベアリングを含んでよい。
【００１０】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、または前述の実施形態のいずれかの代替として、さらなる実施形態は、フレックススプラインとローラベアリングとの間に配置されるローラベアリング内輪と、波形発生器とローラベアリングとの間に配置されるローラベアリング外輪とを含んでよい。
【００１１】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、または前述の実施形態のいずれかの代替として、さらなる実施形態は、モータ固定子に結合される複数の巻線と、モータ回転子に結合される複数の磁石とを含んでよい。
【００１２】
上記に説明された１つ以上の特徴に加えて、または前述の実施形態のいずれかの代替として、さらなる実施形態は、波形発生器及びモータ回転子が単一要素で一体化される場合を含んでよい。
【００１３】
追加または代替の実施形態による、反転ハーモニックギヤアクチュエータを組み立てる方法が提供される。本方法は、波形発生器をモータ回転子の内部で半径方向に結合させることを含む。波形発生器は、カム形状を伴う半径方向内側表面を含む。フレックススプラインは、波形発生器の半径方向内側表面とアクチュエータ出力軸との間で半径方向に介在される。フレックススプラインは、波形発生器の半径方向内側表面と一致するように変形可能であり、モータ回転子の回転よりも遅くアクチュエータ出力軸を回転駆動させる。モータ回転子は、モータ固定子の内部で半径方向に位置付けられる。
【００１４】
反転ハーモニックギヤを電気モータ内部に組み込む実施形態の技術的効果が達成される。反転ハーモニックギヤは、外付けギヤ装置を取り除きまたはそれを減らし、かつ小型パッケージ内でトルクの増加をもたらすために、モータ内部からのモータの出力軸の出力速度を減速させることができる。結果として生じるモータ直径の増加により、冷却表面積を拡大し、モータ巻線等の高温の構成要素をアクチュエータの半径方向外側に配列することによって、モータ冷却に関する要求事項を緩和することができる。
【００１５】
本開示として見なされる主題は、具体的に指摘され、本明細書の終わりにある、「特許請求の範囲」で明瞭に主張される。前述かつ他の特徴及び本開示の利点は、添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態による、反転ハーモニックギヤアクチュエータの断面図である。
【図２】本実施形態による、図１の反転ハーモニックギヤアクチュエータの別の断面図である。
【図３】本実施形態による、図２の反転ハーモニックギヤアクチュエータの一部の拡大図である。
【図４】本実施形態による、アクチュエータ出力軸とフレックススプラインとの間の相互関係の概略図である。
【図５】代替実施形態による、アクチュエータ出力軸とフレックススプラインとの間の相互関係の概略図である。
【図６】本実施形態による、反転ハーモニックギヤアクチュエータの組立工程である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に説明されるように、反転ハーモニックギヤアクチュエータが提供される。ハーモニックドライブは、運動制御システムのがたつきを減らすことができる。ハーモニックドライブのハーモニックギヤは、同心軸により高い減速比を可能にし、単段または多段遊星ギヤドライブと比較して、がたつきを少なくし、トルクウエイトレシオを高くすることを可能にする。ハーモニックギヤの構造及び動作は、金属の弾性機械的特性を使用した構成に基づくものである。ハーモニックギヤは、一般的に、波形発生器、可撓性（柔軟性）スプライン、及びリングギヤを含み、波形発生器は、一般的に、その外周の周囲に設置される薄型ベアリングを伴う楕円または楕円形カムであり、モータのシャフト上に搭載される。ハーモニックドライブと対照的に、反転ハーモニックギヤアクチュエータは、モータ回転子の半径方向内側に波形発生器を含み、波形発生器の半径方向内側表面のカム形状は、カム形状に一致するフレックススプラインを回転駆動させ、さらに、本実施形態に従って、実質的円形を有する半径方向内側のアクチュエータ出力軸を回転駆動させる。モータ回転子、モータ固定子、波形発生器、フレックススプライン、及びアクチュエータ出力軸は、相互に対して同軸上に整合される。反転ハーモニックギヤを電気モータの内部体積内に組み込むことで、アクチュエータに、外付け遊星ギヤシステムと類似するまたは改善された減速比をもたらし、結果的に、低重量及小さいパッケージサイズをもたらし得る。
【００１８】
図１〜図５を参照して、反転ハーモニックギヤアクチュエータ１００が提供される。反転ハーモニックギヤアクチュエータ１００は、電気モータ１０１、フレックススプライン１０２、及び波形発生器１０３を含む。電気モータ１０１は、巻線２０４をモータ固定子２０２に結合するように、固定子巻線支持部２０６の周囲に巻着される巻線２０４を伴うモータ固定子と２０２を含む。巻線２０４は、電流を受け入れ可能である。電気モータ１０１はまた、モータ固定子２０２の内部で半径方向に配置されるモータ回転子２０８を含む。モータ回転子２０８は、モータ回転子２０８に結合される磁石２１０の円周配列を含み、それにより、電流が巻線２０４に供給されるとき、磁束モーメントは、モータ回転子２０８内で誘導され、これは、モータ回転子２０８を、軸Ａを中心に回転させる。この回転運動は、波形発生器１０３の対応する回転駆動をする働きをする。波形発生器１０３は、モータ回転子２０８の内部で半径方向に配置される。モータ回転子２０８は、波形発生器１０３の実質的円形半径方向外側表面２１２に接触する、実質的円形を有し得る。ハーモニック運動を生み出すために、波形発生器１０３は、カム形状を伴う半径方向内側表面２１４を有する。カム形状は、複数のローラベアリング１０４を通ってフレックススプライン１０２まで並進し、これは、軸Ａを中心にアクチュエータ出力軸１０６を回転駆動させることができる。フレックススプライン１０２は、波形発生器１０３の半径方向内側表面２１４とアクチュエータ出力軸１０６との間で半径方向に介在可能であり、フレックススプライン１０２は、波形発生器１０３の半径方向内側表面２１４と一致し、かつモータ回転子２０８の回転よりも遅くアクチュエータ出力軸１０６を回転駆動させるように変形可能である。複数の実施形態では、モータ回転子２０８のアクチュエータ出力軸１０６に対する回転速度比は、例えば、基本ハーモニック構成で、８０：１〜２００：１であり得る。合成されたハーモニック構成に組み込まれるとき、モータ回転子２０８のアクチュエータ出力軸１０６に対する回転速度比は、例えば、４００：１〜１０，０００：１であり得る。
【００１９】
フレックススプライン１０２は、半径方向内側表面２１６を伴う弾性金属で作られることができ、半径方向内側表面２１６は、アクチュエータ出力軸１０６のギヤインターフェース２２２の複数の第２のギヤ歯２２０と噛合するように動作可能である複数の第１のギヤ歯２１８を含む。ギヤインターフェース２２２は、実質的に円形かつ剛性のギヤであり得、フレックススプライン１０２の半径方向内側表面２１６は、アクチュエータ出力軸１０６のギヤインターフェース２２２上にギヤ歯２２０の数よりも大きい数のギヤ歯２１８を含むことができる。波形発生器１０３の回転に関する半径方向内側表面２１４の波状運動は、フレックススプライン１０２を非円形状に合わせて形成することができ、その非円形状については、代替実施形態の２つの例として、アクチュエータ出力軸１０６に対する２つのギヤ噛合領域３０２を伴う楕円形状３００（図４）、または、アクチュエータ出力軸１０６に対する少なくとも３つのギヤ噛合領域４０２を伴う複数分裂形状４００（図５）等が挙げられる。フレックススプライン１０２が軸Ａを中心に回転するとき、ギヤ噛合領域３０２、４０２は、歯２１８と歯２２０との間において回転方式で前進する。フレックススプライン１０２とアクチュエータ出力軸１０６との形状の違いは、ギヤ噛合領域３０２の間で、かつギヤ噛合領域４０２の間で、歯２１８、２２０のずれをもたらし、ギヤインターフェース２２２の少ない数の歯２２０と組み合わされ、モータ回転子２０８の回転に対してアクチュエータ出力軸１０６の回転の減速をもたらす。
【００２０】
複数の実施形態では、複数のローラベアリング１０４は、波形発生器１０３の半径方向内側表面２１４とフレックススプライン１０２の半径方向外側表面２２４との間で半径方向に配置される。ローラベアリング内輪２２６は、フレックススプライン１０２とローラベアリング１０４との間に配置されることができ、ローラベアリング外輪２２８は、波形発生器１０３とローラベアリング１０４との間に配置されることができる。反転ハーモニックギヤアクチュエータ１００の内部の回転はまた、例えば、モータ回転子２０８とモータ固定子２０２との間で、モータ固定子２０２とアクチュエータ出力軸１０６との間で、及び／またはモータ回転子２０８とアクチュエータ出力軸１０６との間で、複数のモータベアリング１０８によって支持されることができる。
【００２１】
複数の実施形態では、アクチュエータ出力軸１０６は、モータ回転子２０８から軸方向外向きに延在し、負荷１１２を回転駆動させるスプラインインターフェース１１０を含む。負荷１１２は、飛行機荷重であり得、比較的大きい量のトルクにより、別の空気力学的表面に対して一方の空気力学的表面を枢動させることが要求される。代替として、負荷１１２は、航空エンジンの補助システム、エンジンの制御機構、または他の構成要素等の推進システムの構成要素であり得る。アクチュエータ出力軸１０６は、完全に１回転未満に回転が制限され得、または、設置制約及び使用制約に応じて、複数の回転を完全に支持することができる。
【００２２】
ここで、図６を参照すると、反転ハーモニックギヤアクチュエータ１００を組み立てる方法５００が図１〜図６を参照して説明される。特定の順序で説明されているが、方法５００のステップは、別の順序で行うことができ、追加のステップを含み得ることが理解されるであろう。
【００２３】
ブロック５１０において、波形発生器１０３は、モータ回転子２０８の内部で半径方向に結合され、波形発生器１０３は、カム形状を伴う半径方向内側表面２１４を有する。カム形状は、図４の楕円形状３００または図５の複数分裂形状４００に類似し得る。結合は、圧入結合であり得る。代替として、用語「結合される」または「結合する」はまた、波形発生器１０３が、単一要素として、モータ回転子２０８と一体的に形成される場合を含み得る。
【００２４】
ブロック５２０において、フレックススプライン１０２は、波形発生器１０３の半径方向内側表面２１４とアクチュエータ出力軸１０６との間で半径方向に介在される。フレックススプライン１０２は、波形発生器１０３の半径方向内側表面２１４と一致し、かつモータ回転子２０８の回転よりも遅くアクチュエータ出力軸１０６を回転駆動させるように変形可能である。複数のローラベアリング１０４は、波形発生器１０３の半径方向内側表面２１４とフレックススプライン１０２の半径方向外側表面２２４との間で半径方向に配置されることができる。ローラベアリング内輪２２６は、フレックススプライン１０２とローラベアリング１０４との間に位置付けられることができる。ローラベアリング外輪２２８は、波形発生器１０３とローラベアリング１０４との間に位置付けられることができる。
【００２５】
ブロック５３０において、モータ回転子２０８は、モータ固定子２０２の内部で半径方向に位置付けられ、それにより、モータ固定子２０２の巻線２０４を、電気モータ１０１のモータ回転子２０８の磁石２１０に近接して配列するようになる。モータ回転子２０８をモータ固定子２０２の内部に位置付ける前に、複数のモータベアリング１０８を電気モータ１０１の２つの以上の構成要素の間に介在することができる。アクチュエータ出力軸１０６のスプラインインターフェース１１０は、電流をモータ固定子２０２の巻線２０４を加えたことに応答して回転駆動される負荷１１２に係合することができる。
【００２６】
用語「約」は、出願時に利用可能である機器に基づいて、特定の量の測定値と関連付けられる一定の程度の誤差を含むことが意図される。例えば、「約」は、所与の値の±８％もしくは５％、または２％の範囲を含むことができる。
【００２７】
本明細書で使用された専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためのものであり、本開示を限定することを意図していない。本明細書に使用されるような、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈で他に明確に示さない限り、同様に、複数形を含むことが意図される。さらに、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」及び／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」は、本明細書で使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／または構成要素の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／またはそれらの群の存在または追加を除外するわけではないことが理解されるであろう。
【００２８】
本開示では例示の一実施形態または複数の実施形態を参照して説明されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の変更がされてもよく、同等のものがその要素の代わりになり得ることを当業者によって理解されるだろう。加えて、特定の状況または物質を本開示の教示に、その本質的範囲から逸脱することなく適応させるために、多くの修正がされてもよい。したがって、本開示は、本開示を実行するために想到される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されないが、本開示は、特許請求の範囲内に収まる全ての実施形態を含むことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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