CN101404440B - 基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱 - Google Patents

Abstract

基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱。本发明涉及永磁齿轮变速设备，它解决了现有大力矩机械齿轮变速箱存在偏载和侧向力，机械冲击，磨损严重，噪声大的缺点。它的高速转子永磁体和低速转子永磁体沿圆周方向分别均匀分布在高速转子轭和低速转子轭上，高速转子永磁体与低速转子永磁体的极对数不等，二者比值为齿轮变速箱的传动比，定子磁极的个数等于高速转子永磁体与低速转子永磁体的极对数之和；高速转子轭和低速转子轭分别过盈配合在高速转轴和低速转轴上，高速转轴和低速转轴分别与支撑环的两端转动连接，高速转轴、低速转轴和机壳的中心轴线相重合。它应用在原动机与负载之间，具有非接触、无噪声、无需润滑、自动过载保护等优点。

Description

基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱

技术领域

本发明涉及永磁齿轮变速设备，具体涉及一种无接触式永磁齿轮变速箱。 

背景技术

现有驱动系统通常采用机械齿轮箱作为变速设备。但机械齿轮变速箱存在着机械冲击和磨损严重，噪声高，体积庞大的缺点，而且大力矩机械齿轮变速箱还会由于输入轴与输出轴不同心，带来偏载和侧向力，从而增加磨损，加大噪声，降低使用寿命的问题。 

发明内容

本发明为了解决现有大力矩机械齿轮变速箱存在偏载和侧向力，机械冲击，磨损严重，噪声大的缺点，而提出的一种基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱。 

基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱包括高速端端盖、低速端端盖、机壳、定子磁极和支撑环；高速端端盖和低速端端盖分别装设在机壳的两个端面上；定子磁极沿圆周方向均匀分布在机壳内壁的定子槽内；支撑环过盈配合在定子磁极内侧；它还包括高速转子组件和低速转子组件；高速转子组件由高速转轴、高速转子轭和高速转子永磁体组成；高速转子永磁体沿圆周方向均匀分布在高速转子轭上，所述高速转子轭过盈配合在高速转轴上；低速转子组件由低速转子轭、低速转子永磁体和低速转轴组成；低速转子永磁体沿圆周方向均匀分布在低速转子轭上，所述低速转子轭过盈配合在低速转轴上；高速转子永磁体的极对数与低速转子永磁体的极对数不等，高速转子永磁体的极对数与低速转子永磁体的极对数比值为齿轮变速箱的传动比，定子磁极的个数等于高速转子永磁体的极对数与低速转子永磁体的极对数之和；高速转子组件和低速转子组件装设在机壳内，高速转轴同时与高速端端盖和支撑环的一侧内径转动连接，低速转轴同时与低速端端盖和支撑环的另一侧内径转动连接，高速转轴的中心轴线、低速转轴的中心轴线和机壳的中心轴线相重合。

本发明能实现驱动系统中原动机与负载之间的有效传动，具有非接触、无噪声、无需润滑、自动过载保护等优点。转子采用表面磁钢安装方式，可以达到很大的力矩密度。与通常应用于仪器仪表和医疗器械中的永磁齿轮相比，大大提高了力能指标，能替代传统的机械齿轮变速箱，应用于大力矩和大功率的伺服驱动系统中。 

附图说明

图1为本发明的结构纵剖视图；图2为高速转子组件和低速转子组件的结构示意图；图3为图1的A-A视图；图4为图1的B-B视图。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式由高速端端盖1-1、低速端端盖1-2、机壳2、定子磁极3、支撑环4、高速转子组件和低速转子组件组成；高速端端盖1-1和低速端端盖1-2分别装设在机壳2的两个端面上；定子磁极3沿圆周方向均匀分布在机壳2内壁的定子槽内；支撑环4过盈配合在定子磁极3内侧；高速转子组件由高速转轴5、高速转子轭7和高速转子永磁体8组成；高速转子永磁体8沿圆周方向均匀分布在高速转子轭7上，所述高速转子轭7过盈配合在高速转轴5上；低速转子组件由低速转子轭9、低速转子永磁体10和低速转轴11组成；低速转子永磁体10沿圆周方向均匀分布在低速转子轭9上，所述低速转子轭9过盈配合在低速转轴11上；高速转子永磁体8的极对数与低速转子永磁体10的极对数不等，高速转子永磁体8的极对数与低速转子永磁体10的极对数比值为齿轮变速箱的传动比，定子磁极3的个数等于高速转子永磁体8的极对数与低速转子永磁体10的极对数之和；高速转子组件和低速转子组件装设在机壳2内，高速转轴5同时与高速端端盖1-1和支撑环4的一侧内径转动连接，低速转轴11同时与低速端端盖1-2和支撑环4的另一侧内径转动连接，高速转轴5的中心轴线、低速转轴11的中心轴线和机壳2的中心轴线相重合。 

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于高速转轴5的外端和低速转轴11的外端分别设置有键槽12。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。增加键槽12用以与驱动系统中的原动机和负载配合连接，实现两侧的无接触传动。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于定子磁极3的材料为电工钢片。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同点在于高速转子永磁体8和低速转子永磁体10的材料为钕铁硼。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于高速端端盖1-1、低速端端盖1-2、机壳2、高速转轴5和低速转轴11的材料为非导磁的铝。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同点在于高速转子轭7和低速转子轭9的材料为钢。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述转动连接为轴承连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。 

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。 

本发明的基本原理为空间磁导调制原理，采用磁路的轴向径向交叉耦合方式，利用空间谐波传递磁场和能量。齿轮变速箱的磁路形式为轴向磁路，磁通由高速转子永磁体8穿过高速转子永磁体8与定子磁极3之间的径向气隙到达定子磁极3，沿轴向贯通定子磁极3，经定子磁极3和低速转子永磁体10之间的径向气隙到达低速转子永磁体10，再经定子磁极3沿轴向回到高速转子永磁体8，构成闭合磁路。 

工作原理具体说明如下：齿轮箱中的气隙磁通密度B(r，θ)为半径与角度的二元函数。在不考虑定子磁极3的作用时，将高速转子永磁体8产生的磁通密度进行径向分解： 

$B_r(r,\mathrm{\θ})=\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ({\mathrm{mp}}_h(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{h}t)+{\mathrm{mp}}_h{\mathrm{\θ}}_0)---\left(1\right)$

在加入定子磁极3之后，由于齿槽调制作用，使高速转子侧气隙磁密的径向分量中含有气隙比磁导项：

$B_r(r,\mathrm{\θ})=\left(\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ({\mathrm{mp}}_h(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{h}t)+{\mathrm{mp}}_h{\mathrm{\θ}}_0)\right)\·({\mathrm{\λ}}_{r0}\left(r\right)+\underset{j=\mathrm{1,2,3}...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)\cos \left({\mathrm{jn}}_s\mathrm{\θ}\right))$

$={\mathrm{\λ}}_{r0}\left(r\right)\·\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ({\mathrm{mp}}_h(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{r}t)+{\mathrm{mp}}_h{\mathrm{\θ}}_0)$ (2) 

$+\frac{1}{2}\·\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3}...}{\mathrm{\Σ}}\left((b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)\·\cos \left(({\mathrm{mp}}_h+{\mathrm{jn}}_s)\right)\·(\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{mp}}_h{\mathrm{\ω}}_r}{{\mathrm{mp}}_h+{\mathrm{jn}}_s}t)+{\mathrm{mp}}_h{\mathrm{\θ}}_0)\right)$

$+\frac{1}{2}\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3}...}{\mathrm{\Σ}}\left((b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)\·\cos \left(({\mathrm{mp}}_h-{\mathrm{jn}}_s)\right)\·(\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{mp}}_h{\mathrm{\ω}}_r}{{\mathrm{mp}}_h-{\mathrm{in}}_s}t)+{\mathrm{mp}}_h{\mathrm{\θ}}_0)\right)$

其中： 

ω_h—高速转子侧的机械旋转速度； 

P_h——高速转子永磁体8的极对数； 

n_s——定子磁极3的个数； 

b_rm(r)，λ_rj(r)——磁密傅立叶系数和气隙磁导傅立叶系数。 

选择永磁齿轮的低速转子永磁体10的极对数与最低次谐波次数相同，即： 

p_l＝|p_h-n_s|(3) 

此时永磁齿轮的低速转子永磁体10的旋转速度为： 

${\mathrm{\ω}}_l=\frac{p_h}{p_h-n_s}\·{\mathrm{\ω}}_h---\left(4\right)$

永磁齿轮变速箱的传动比为： 

$G_r=\frac{{\mathrm{\ω}}_h}{{\mathrm{\ω}}_l}=\frac{p_h-n_s}{p_h}---\left(5\right)$

其中ω_l——低速侧的转子转速； 

p_l——低速转子永磁体10的极对数。 

在驱动系统中，欲实现变速传动，可根据所需传动比适当选择高速转子永磁体8的极对数，低速转子永磁体10的极对数和定子磁极3的个数获得。 

Claims (7)

1.基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱，它包括高速端端盖(1-1)、低速端端盖(1-2)、机壳(2)、定子磁极(3)和支撑环(4)；高速端端盖(1-1)和低速端端盖(1-2)分别装设在机壳(2)的两个端面上；定子磁极(3)沿圆周方向均匀分布在机壳(2)内壁的定子槽内；支撑环(4)过盈配合在定子磁极(3)内侧；其特征在于它还包括高速转子组件和低速转子组件；高速转子组件由高速转轴(5)、高速转子轭(7)和高速转子永磁体(8)组成；高速转子永磁体(8)沿圆周方向均匀分布在高速转子轭(7)上，所述高速转子轭(7)过盈配合在高速转轴(5)上；低速转子组件由低速转子轭(9)、低速转子永磁体(10)和低速转轴(11)组成；低速转子永磁体(10)沿圆周方向均匀分布在低速转子轭(9)上，所述低速转子轭(9)过盈配合在低速转轴(11)上；高速转子永磁体(8)的极对数与低速转子永磁体(10)的极对数不等，高速转子永磁体(8)的极对数与低速转子永磁体(10)的极对数比值为齿轮变速箱的传动比，定子磁极(3)的个数等于高速转子永磁体(8)的极对数与低速转子永磁体(10)的极对数之和；高速转子组件和低速转子组件装设在机壳(2)内，高速转轴(5)同时与高速端端盖(1-1)和支撑环(4)的一侧内径转动连接，低速转轴(11)同时与低速端端盖(1-2)和支撑环(4)的另一侧内径转动连接，并且所述高速转轴(5)和低速转轴(11)之间有空间间隔，高速转轴(5)的中心轴线、低速转轴(11)的中心轴线和机壳(2)的中心轴线相重合。

2.根据权利要求1所述的基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱，其特征在于高速转轴(5)的外端和低速转轴(11)的外端分别设置有键槽(12)。

3.根据权利要求2所述的基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱，其特征在于定子磁极(3)的材料为电工钢片。

4.根据权利要求3所述的基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱，其特征在于高速转子永磁体(8)和低速转子永磁体(10)的材料为钕铁硼。

5.根据权利要求4所述的基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱，其特征在于高速端端盖(1-1)、低速端端盖(1-2)、机壳(2)、高速转轴(5)和低速转轴(11)的材料为非导磁的铝。

6.根据权利要求5所述的基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱，其特征在于高速转子轭(7)和低速转子轭(9)的材料为钢。

7.根据权利要求1或5所述的基于空间磁导调制的大力矩无接触式永磁齿轮变速箱，其特征在于所述转动连接为轴承连接。

Images