机器人减速器和伺服电机是机器人关键核心部件。近年来,国内外研究者和技术研发人员致力于开发结构紧凑、体积小、质量轻、控制模式多样的机器人模块化关节。机器人模块化关节的核心技术是将伺服电机和减速器集成为结构紧凑的一体化模组。然而,现有机器人模块化关节中的电机和减速器仍为两个独立部件,且减速器通常采用行星减速器、谐波减速器和RV减速器等机械减速器,机械齿轮接触式啮合不可避免地产生摩擦、发热、噪声、精度下降和失效等问题。本论文探索研究将非接触传动的磁齿轮电机技术应用于机器人模块化关节,构建机器人磁齿轮关节电机,实现真正意义上的机器人电机和减速器一体化集成,为新型机器人模块化关节的设计与应用奠定理论和方法基础。本论文就转矩能力、传动比和齿槽转矩等问题,对磁齿轮关节电机关键技术作了探索性研究。设计了新型双磁场调制磁齿轮,在深入研究双磁场调制结构转矩能力增强机理的基础上,进一步建立了双磁场调制磁齿轮关节电机模型,有效提升了外定子型关节电机的转矩能力;在不增加现有磁齿轮复合电机结构复杂度的前提下,提出了二级磁齿轮关节电机及其设计方法,有效增大了传动比;深入研究了磁齿轮关节电机的耦合特性,发现了结构中引起齿槽转矩异常的隐性磁齿轮,提出抑制或消除隐性磁齿轮和降低齿槽转矩的方法,有效提高了输出转矩的平稳性。论文主要研究内容包括:1.讨论了磁耦合器的磁力传动机理,测试了磁耦合器样机的转矩、转速特性和过载特性,归纳出磁力传动极对数匹配和速度匹配原则;基于磁耦合器,进一步讨论了磁场调制原理及单级和二级磁齿轮的建立方法,分析了磁齿轮的转矩传递及电磁特性。2.设计了包含两个调磁环的新型双磁场调制磁齿轮,在磁场调制原理的基础上,分析了双磁场调制磁齿轮的工作原理和转矩传递;将双磁场调制磁齿轮分解成两个磁齿轮单元,揭示了两个调磁环与两个磁齿轮单元的对应关系,研究了两个调磁环相对位置对双磁场调制磁齿轮转矩特性的影响,当两个调磁环相对位置为0时,转矩能力最优;采用有限元仿真,优化了内调磁环尺寸;分析了传动比对双磁场调制磁齿轮转矩能力的影响,不同传动比下,双磁场调制磁齿轮的转矩能力普遍高于相同关键尺寸的传统磁齿轮,并且在大传动比下更具转矩优势;制备并测试了双磁场调制磁齿轮样机,实验验证了双磁场调制磁齿轮的转矩能力增强特性,样机的输入转速与输出转速之比符合理论传动比。3.对比分析了定子结构对准直驱电机齿槽转矩的影响,发现了定子磁场调制型准直驱电机中导致齿槽转矩异常和空载磁链不对称的隐性磁齿轮结构。基于双磁场调制磁齿轮,对定子磁场调制型准直驱电机进行结构改进,提出双磁场调制磁齿轮关节电机模型,有效抑制了由隐性磁齿轮引起的齿槽转矩。通过优化定子结构,有效提高了双磁场调制磁齿轮关节电机转矩能力,突破了外定子对内置磁齿轮转矩能力的限制,使定子参与磁齿轮传动。将双磁场调制磁齿轮关节电机拆分成两个永磁电机单元,揭示了双磁场调制磁齿轮关节电机气隙磁通密度、空载反电势和电磁转矩的叠加特性。4.设计了二级磁齿轮关节电机,其第一级为永磁游标电机,第二级为磁齿轮。针对第一级永磁游标电机,从有效减少永磁体用量的角度,对同极内嵌永磁游标电机的永磁体极弧系数作了优化。基于磁场调制原理,采用等效磁路法,推导了同极内嵌永磁游标电机的气隙磁通密度、空载反电势和电磁转矩的理论表达;提取出与转子永磁体极弧系数相关的优化因子,理论计算最优永磁体极弧系数为0.64,与有限元仿真结果相吻合;对比分析了同极内嵌永磁游标电机和传统NS极永磁游标电机的电磁特性,通过有限元仿真,验证了同极内嵌永磁游标电机永磁体用量减少36%时,空载反电势和输出转矩(Irms<11A)都得到了提升。5.分析了二级磁齿轮关节电机的耦合特性,提取出由磁通部分耦合引起的隐性磁齿轮结构,深入研究了隐性磁齿轮对二级磁齿轮关节电机齿槽转矩和转矩脉动的影响,揭示了其中一款二级磁齿轮关节电机样机失效的根本原因,即共用转子铁芯厚度能够调节通过关节电机内层气隙的磁通量,当共用转子铁芯厚度较小时,隐性磁齿轮起主导作用,从而导致齿槽转矩异常,样机无法启动;从抑制或消除隐性磁齿轮的角度,提出二级磁齿轮关节电机结构改进方法,包括选择不满足隐性磁齿轮形成条件的永磁体极对数配置、增大共用转子铁芯厚度以及设计隔磁气隙使内置电机和外置磁齿轮磁通解耦。优化后的二级磁齿轮关节电机齿槽转矩得到有效改善。6.设计了一款二级磁齿轮关节电机,结构上不满足隐性磁齿轮形成条件。分析了二级磁齿轮关节电机的电磁特性;制备了二级磁齿轮关节电机样机,测试了样机的空载反电势,实验估算的传动比与理论值吻合;对二级磁齿轮关节电机作双惯量系统等效,采用无传感控制方法驱动样机,并测试了样机的输出转速和转矩。样机共用转子转速与输出转子转速之比与外置磁齿轮传动比吻合。样机能够稳定运行,输出转子稳态转矩为4.74 Nm时,转矩脉动为2.95%。