CN101673991A - 一种定子和一种轴向磁通永磁齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定子，其包括多个由软磁材料制成的导磁片以及一个由非磁性材料制成的衬底，所述衬底填充在所述导磁片之间的空隙中，以固定所述导磁片。本发明还提供了一种轴向磁通永磁齿轮，其包括：轴向平行设置的一个定子、一个高速转子和一个低速转子，其中，所述定子固定地设置在所述高速转子和所述低速转子之间，具有上述定子的结构；一个高速转轴，其一侧与所述高速转子固定相连，另一侧与第一外部设备相连；一个低速转轴，其一侧与所述低速转子固定相连，另一侧与第二外部设备相连。本发明的定子和轴向磁通永磁齿轮便于工业应用。

Description

一种定子和一种轴向磁通永磁齿轮

技术领域

本发明涉及一种定子和一种轴向磁通永磁齿轮。

背景技术

以往通常采用机械式齿轮箱来将驱动装置的工作速度转换成其负载所要求的速度。但是，机械式齿轮箱存在容易振动、老化、产生噪声等缺陷。因此，出现了利用磁体之间磁力的永磁齿轮。永磁齿轮可以分为径向磁通永磁齿轮和轴向磁通永磁齿轮。径向磁通永磁齿轮若要达到较高的转矩密度，其机械结构就会比较复杂，导致不易制造和装配。

而轴向磁通永磁齿轮则具有达到较高的转矩密度的潜力，因此，逐渐成为当前的一个研究方向。文献S.Mezani，K.Atallah，D.Howe，“Ahigh-performance axial-field magnetic gear”，Journal of AppliedPhysics 99，08R303(2006)公开了一种轴向磁通永磁齿轮的组成。该轴向磁通永磁齿轮包括一个由导磁片(ferromagnetic pole-pieces)组成的定子、一个由永磁体(permanent magnets)和铁芯(back-iron)组成的高速转子(high-speed rotor)和一个由永磁体(permanent magnets)和铁芯(back-iron)组成的低速转子(low-speed rotor)。但是，其并未提出实现轴向磁通永磁齿轮的具体结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于轴向磁通永磁齿轮的定子的具体结构，以及一种轴向磁通永磁齿轮的具体结构，使得定子以及轴向磁通永磁齿轮能够便于工业应用，并能够较为牢固，具有较高的效率。

本发明的定子包括多个由软磁材料制成的导磁片以及一个由非磁性材料制成的衬底，所述衬底填充在所述导磁片之间的空隙中，以固定所述导磁片。

作为一种具体实施方式，每个所述导磁片由硅钢片层叠而成，其中，所述硅钢片由第一绝缘层相互隔离开。

作为另一种具体实施方式，每个导磁片由铁粉芯材料压制而成。

优选地，在径向上，所述衬底具有环形轮廓，所述导磁片沿所述衬底的圆周均匀分布。

优选地，所述定子还包括一个由非磁性材料制成的内环片，用于将所述衬底的内环面包裹起来；和/或，所述定子还包括一个由非磁性材料制成的外环片，用于将所述衬底的外环面包裹起来。

优选地，所述非磁性材料为环氧树脂。

本发明的轴向磁通永磁齿轮包括：一个如上所述的本发明的定子；一个高速转子，其包括第一永磁体组；一个低速转子，其包括第二永磁体组；其中，所述定子、所述高速转子和所述低速转子轴向平行地设置，所述定子固定地设置在所述高速转子和所述低速转子之间；所述轴向磁通永磁齿轮还包括：一个高速转轴，其一侧与所述高速转子固定相连；一个低速转轴，其一侧与所述低速转子固定相连。

具体地，所述第一永磁体组和所述第二永磁体组相对地设置。

具体地，所述第一永磁体组和所述第二永磁体组分别由南北磁极对构成，其中，所述南北磁极交替地设置；所述第一永磁体组和所述第二永磁体组的南北磁极对数量不同，所述定子的导磁片的数量为所述第一永磁体组中的南北磁极对数量与所述第二永磁体组的南北磁极对数量之和。优选地，所述磁极之间插入有软磁材料以调整极弧系数。

优选地，每个所述磁极由永磁体块组装而成，其中，所述永磁体块由第二绝缘层相互隔离开。

进一步地，所述高速转子还包括：一个第一背板，其固定在所述高速转轴上，所述高速转轴穿过所述第一背板的轴心区域；一个第一铁芯，其固定在所述第一背板上；其中，所述第一永磁体组固定在所述第一铁芯上。

进一步地，所述低速转子还包括：一个第二背板，其固定在所述低速转轴上，所述低速转轴穿过所述第二背板的轴心区域；一个第二铁芯，其固定在所述第二背板上；其中，所述第二永磁体组固定在所述第二铁芯上。

具体地，所述第一永磁体通过表面粘贴技术固定在所述第一铁芯上；所述第二永磁体通过表面粘贴技术固定在所述第二铁芯上。

具体地，所述第一铁芯和所述第二铁芯分别由薄硅钢片卷绕而成或由铁粉芯压制而成。

优选地，所述定子、所述高速转子、所述低速转子、所述高速转轴和所述低速转轴的轴线相互重合。

进一步地，所述轴向磁通永磁齿轮还包括一个壳体，所述定子固定在所述壳体上。

本发明的定子利用了由非磁性材料制成的衬底来固定导磁片，还可由外环片和内环片来提高定子组装的精度和牢固程度，使得定子能够具有较好的牢固程度。本发明优选地采用由具有良好导热性能的环氧树脂作为衬底材料，便于散热。在用于构成本发明的定子的硅钢片之间利用绝缘材料进行了相互隔离，这样可降低涡流损耗，使得由本发明的轴向磁通永磁齿轮能够具有较好的性能。

本发明的轴向磁通永磁齿轮利用本发明的定子、高速转子和低速转子以及相应的高速转轴和低速转轴来实现，便于工业应用，并较为牢固，具有较高的效率。

附图说明

图1是本发明轴向磁通永磁齿轮第一实施例的轴向截面结构示意图；

图2是本发明轴向磁通永磁齿轮第二实施例的轴向截面结构示意图；

图3是本发明轴向磁通永磁齿轮第三实施例的轴向截面结构示意图；

图4a是用于实现本发明轴向磁通永磁齿轮的定子的径向截面结构示意图；

图4b是图4a所示的定子中的一个导磁片的径向截面结构示意图；

图4c是从图4b中的导磁片的侧面方向看的结构示意图；

图5a是用于实现本发明的轴向磁通永磁齿轮的转子的径向截面结构示意图；

图5b是图5a所示的转子的永磁体组中的一个磁极的结构示意图；

图5c是图5a所示的转子中的铁芯结构示意图；

图5d是用于图5a所示的转子的背板的径向截面结构示意图。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的轴向磁通永磁齿轮的第一实施例。

该轴向磁通永磁齿轮设置有一个高速转轴5和一个低速转轴6，优选地，这两个转轴的轴线相互重合地设置。高速转轴5的一侧与一个高速转子11固定相连，另一侧与一个驱动设备(如高速电机)相连；低速转轴6的一侧与一个低速转子13固定相连，另一侧与一个负载设备相连。

高速转子11包括一个固定在高速转轴5上的第一背板113、一个固定在第一背板113上的第一铁芯111和一个固定在第一铁芯111上的第一永磁体组112。其中，高速转轴5穿过所述第一背板113的轴心区域。

低速转子13包括一个固定在低速转轴6上的第二背板133、一个固定在第二背板133上的第二铁芯131和一个固定在第二铁芯131上的第二永磁体组132。其中，低速转轴6穿过第二背板133的轴心区域。

所述高速转子11、所述低速转子13和一个定子12轴向平行地设置。优选地，高速转子11、低速转子13和定子12的轴线相互重合地设置。更为优选地，在本发明的实施例中，两个转子11，13以及定子12的轴线与两个转轴5，6的轴线也相互重合。高速转子11和低速转子13的永磁体相对地设置，定子12则设置在高速转子11和低速转子13之间。优选地，高速转子11与低速转子13整体的半径相等。为了使定子12和两个转子11，13之间的气隙尽可能地小，定子12的两端最好尽可能地靠近两个转子的永磁体的相对的两个面。

该轴向磁通永磁齿轮还具有一个壳体3，定子12固定在壳体3上，其固定方式可以是例如螺栓连接、卡接、焊接等。为了避免定子12在工作过程中产生径向移动，还可以进一步利用一些销钉8来加固壳体3和定子12的连接。

本实施例中，高速转轴5由与其相连的驱动设备中的轴承(图中未示出)来提供支撑，低速转轴6由与其相连的负载设备中的轴承(图中未示出)来提供支撑。这种方案中，由于轴向磁通永磁齿轮本身不设置轴承系统，其结构较简单。

优选地，为了进行散热，还可以在所述高速转轴5或低速转轴6上固定风扇系统(图中未示出)。

图2示出了根据本发明的轴向磁通永磁齿轮的第二实施例。

第二实施例与第一实施例的区别在于，在壳体3上进一步设置有第一轴承20和第二轴承21，这些轴承20，21可同时支撑径向负载和轴向负载。其中，高速转轴5是由第一轴承20来进行支撑，低速转轴6是由第二轴承21来进行支撑，即无需借助驱动设备或负载设备等外部设备来提供对转轴的支撑。这种方案易于保持定子12的动态平衡。

在壳体3上安装轴承20，21的部位附近，还可相应地设置盖板4，以对轴承20，21提供预紧力。

图3示出了根据本发明的轴向磁通永磁齿轮的第三实施例。

第三实施例与第二实施例的区别在于，在定子12的轴心区域还设置有一个与定子12固定相连的轴承套9。该轴承套9由高强度的非磁性材料(例如不锈钢或铝合金等)制成，具有容纳轴承的槽。该轴承套9上设置有第三轴承22和第四轴承23，这些轴承22，23可同时支撑径向负载和轴向负载。壳体3上的第一轴承20和轴承套9上的第三轴承22一起对高速转轴5进行支撑。壳体3上的第二轴承21和轴承套9上的第四轴承23一起对低速转轴6进行支撑。采用这种方式可以较好地实现力的分配。

本领域技术人员可以理解，可以分别设置一个以上的上述第一、第二、第三、第四轴承。此外，根据本发明的轴向磁通永磁齿轮还可以有其它的具体实施方案。例如，可利用外部设备的轴承来支撑轴向磁通永磁齿轮其中的一个转轴，而利用轴向磁通永磁齿轮本身的轴承来支撑其另一个转轴。

根据本发明的轴向磁通永磁齿轮可以灵活地根据实际应用情况采用相应的轴承支撑方案，便于应用。

以下将更具体地来描述可用于实现本发明的轴向磁通永磁齿轮的定子12、高速转子11和低速转子13等部件的结构。

图4a给出了本发明的定子12的结构示意图。该定子12包括导磁片122和一个用于固定这些导磁片122的衬底121。

衬底121由非磁性材料制成，用于填充导磁片122之间的空隙，以固定这些导磁片122。优选地，可将具有良好导热性能的工程塑料(如环氧树脂)通过注入的方式填充在导磁片122之间。衬底121优选地具有环形轮廓。为了提高装配精度及定子的结构牢固程度，还可以利用一个内环片124和一个外环片123来分别将所述衬底121的内环面和外环面包裹起来。内环片124和外环片123可由高强度且导热性能好的非磁性材料制成，如不锈钢或铝合金。此外，也可以采用衬底材料通过注入的方式形成上述内环片124和/或外环片123。另选地，也可以只设置一个内环片124或者只设置一个外环片125。

导磁片122由硅钢片(laminated silicon steel)、铁粉芯(pressed ironpowder)或其他软磁材料制成。这些导磁片122相互隔离地嵌在所述衬底121中。优选地，这些导磁片122沿所述衬底121的圆周均匀分布。更为优选地，其中每个导磁片122呈一梯形截面，使得这些导磁片122在垂直于定子12轴向的截面上基本呈环状布置，如图4a所示。

图4b给出了利用硅钢片制成的导磁片122的一种优选结构。每个导磁片122可以由一些硅钢片1221层叠而成，这些硅钢片1221可以如图4b所示沿垂直方向排列，也可以沿其他方向如水平方向排列。这些硅钢片1221可由第一绝缘层1222相互隔离开，以降低涡流损耗。如图4c所示，可以在每个硅钢片1221上设置至少一个第一连接孔1223，以将这些硅钢片装配在一起，形成一个导磁片122。具体地，将线(例如玻璃纤维)穿入这些第一连接孔1223中，就可以将这些硅钢片1221牢固地绑定在一起。也可以在第一连接孔1223中注入非磁性材料(如环氧树脂)，从而将这些硅钢片1221连接在一起。优选地，硅钢片1221选用硅钢薄片。

在利用例如铁粉芯这类高阻软磁材料制成导磁片122时，可以直接将铁粉芯压制成优选地具有梯形截面的导磁片122。

本发明的高速转子11包括一个第一永磁体组112、一个第一铁芯111和一个第一背板113。

第一永磁体组112由永磁材料制成，例如具有高磁能密度的铁钕硼(NdFeB)或钐钴(SmCo₅)。如图5a所示，第一永磁体组112由南北磁极(S，N)对组成，且其中的那些南北磁极(S，N)交替地设置。还可在南磁极S和北磁极N之间插入软磁材料114(例如硅钢片)来调整转子的极弧系数(Pole-arc factor)以适应不同的应用。第一永磁体112通过例如表面粘贴技术固定在第一铁芯111上。第一永磁体组112优选地呈环形。

如图5b所示，为降低涡流损耗，第一永磁体112的每个磁极可以由若干永磁体块1121相互隔离地装配而成。优选地，可在这些永磁体块1121之间设置第二绝缘层1122，以使这些永磁体块1121相互隔离开。

第一铁芯111由硅钢片、铁粉芯或其他软磁材料制成。如图5c所示，第一铁芯111优选地呈环形，由薄硅钢片卷绕而成，也可由铁粉芯直接压制而成。

第一背板113由高强度的非磁性材料制成，例如不锈钢或铝合金。如图5d所示，第一背板113优选地呈环形。在构成轴向磁通永磁齿轮时，第一背板113固定在相应的转轴(如本发明上述实施例中的高速转轴5)上，其中，该转轴穿过第一背板113的轴心区域。在第一背板113上靠近其轴心区域处可设置至少一个第二连接孔1133，利用例如螺栓穿过所述第二连接孔1133可将背板113固定到相应的转轴上，第二连接孔1133优选地围绕第一背板113的轴心区域均匀布置。此外，在第一背板113上还可设置一些第三连接孔1132，这些第三连接孔1132优选地沿第一背板113的圆周均匀分布，通过例如焊接可将第一铁芯111沿着这些第三连接孔1132的周边固定在第一背板113上，还可以进一步利用高强度的胶来加固第一铁芯111和第一背板113之间的连接。

本发明中，低速转子13可采用和上述高速转子11相似的结构，低速转子13和高速转子11的不同之处在于它们的南北磁极对的数量不同，低速转子13的南北磁极对的数量大于高速转子11的南北磁极对的数量，以实现速度转换。在构成轴向磁通永磁齿轮时，导磁片122的数量应等于高速转子11的永磁体112的南北磁极对数量与低速转子13的永磁体132的南北磁极对数量之和。例如，假设所述高速转子11的永磁体112的南北磁极对数量为Nh，所述低速转子13的永磁体132的南北磁极对数量为N1，所述导磁片122的数量为Ns，则Ns＝N1+Nh。

在上述实施例中，当高速转轴5受到驱动设备的驱动而转动时，便带动高速转子11转动。然后，通过高速转子11和低速转子13之间的磁场耦合，使低速转子13以转换后的速度转动。低速转子13带动低速转轴6转动，低速转轴6的转动进而带动与其相连的外部负载。其中，定子12的作用是对磁场进行调节。本领域技术人员可以理解，根据具体的应用场合，也可以将低速转轴6与驱动设备相连，而将高速转轴5与负载设备相连。

本发明的定子利用了由高导热性和低导磁性的材料制成的框架来固定导磁片，还进一步利用玻璃纤维来牢固地绑定导磁片，还可由外环片和内环片来提高定子组装的精度和牢固程度，使得定子能够具有较好的牢固程度，同时便于散热。对于本发明的转子而言，其铁芯由卷绕在一起的软磁材料薄片构成，铁芯进而可焊接到背板上，因此较为牢固，还可以进一步利用胶来加固连接的牢固程度。此外，在本发明的定子和转子中，硅钢片之间或软磁材料薄片之间都利用绝缘材料进行了相互隔离，这样可降低涡流损耗，使得由本发明的定子和转子所构成的轴向磁通永磁齿轮能够具有较好的性能。

本发明上述的定子、高速转子和低速转子不仅可以相互结合在一起构成一种轴向磁通永磁齿轮，本发明所述的定子也可以和具有其它结构的高速转子和低速转子结合在一起构成轴向磁通永磁齿轮，本发明所述的高速转子和低速转子也可以和具有其它结构的定子结合在一起构成轴向磁通永磁齿轮。

因此，本领域技术人员可以理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (22)

1、一种定子，包括多个由软磁材料制成的导磁片(122)，其特征在于，

所述定子(12)还包括一个由非磁性材料制成的衬底(121)，所述衬底(121)填充在所述导磁片(122)之间的空隙中，以固定所述导磁片(122)。

2、根据权利要求1所述的定子，其特征在于，每个所述导磁片(122)由硅钢片(1221)层叠而成，其中，所述硅钢片(1221)由第一绝缘层(1222)相互隔离开。

3、根据权利要求1所述的定子，其特征在于，每个所述导磁片(122)由铁粉芯材料压制而成。

4、根据权利要求1所述的定子，其特征在于，在径向上，所述衬底(121)具有环形轮廓，所述导磁片(122)沿所述衬底(121)的圆周均匀分布。

5、根据权利要求4所述的定子，其特征在于，所述定子(12)还包括一个由非磁性材料制成的内环片(124)，用于将所述衬底(121)的内环面包裹起来；和/或，所述定子(12)还包括一个由非磁性材料制成的外环片(123)，用于将所述衬底(121)的外环面包裹起来。

6、根据权利要求1、2、3、4或5所述的定子，其特征在于，所述非磁性材料为环氧树脂。

7、一种轴向磁通永磁齿轮，包括：

一个定子(12)，其包括多个由软磁材料制成的导磁片(122)；

一个高速转子(11)，其包括第一永磁体组(112)；

一个低速转子(13)，其包括第二永磁体组(132)；

其中，所述定子(12)、所述高速转子(11)和所述低速转子(13)轴向平行地设置，所述定子(12)固定地设置在所述高速转子(11)和所述低速转子(13)之间；

其特征在于，所述轴向磁通永磁齿轮还包括：

一个高速转轴(5)，其一侧与所述高速转子(11)固定相连；

一个低速转轴(6)，其一侧与所述低速转子(13)固定相连；

所述定子(12)还包括一个由非磁性材料制成的衬底(121)，所述衬底(121)填充在所述导磁片(122)之间的空隙中，以固定所述导磁片(122)。

8、根据权利要求7所述的定子，其特征在于，每个所述导磁片(122)由硅钢片(1221)层叠而成，其中，所述硅钢片(1221)由第一绝缘层(1222)相互隔离开。

9、根据权利要求7所述的定子，其特征在于，每个所述导磁片(122)由铁粉芯材料压制而成。

10、根据权利要求7所述的定子，其特征在于，在径向上，所述衬底(121)具有环形轮廓，所述导磁片(122)沿所述衬底(121)的圆周均匀分布。

11、根据权利要求10所述的定子，其特征在于，所述定子(12)还包括一个由非磁性材料制成的内环片(124)，用于将所述衬底(121)的内环面包裹起来；和/或，所述定子(12)还包括一个由非磁性材料制成的外环片(123)，用于将所述衬底(121)的外环面包裹起来。

12、根据权利要求7、8、9、10或11所述的定子，其特征在于，所述非磁性材料为环氧树脂。

13、根据权利要求7所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述第一永磁体组(112)和所述第二永磁体组(132)相对地设置。

14、根据权利要求7或13所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述第一永磁体组(112)和所述第二永磁体组(132)分别由南北磁极(S，N)对构成，其中，所述南北磁极(S，N)交替地设置；所述第一永磁体组(112)和所述第二永磁体组(132)的南北磁极(S，N)对数量不同，所述定子(12)的导磁片(122)的数量为所述第一永磁体组(112)中的南北磁极对(S，N)数量与所述第二永磁体组(132)的南北磁极对数量之和。

15、根据权利要求14所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述磁极(S，N)之间插入有软磁材料以调整极弧系数。

16、根据权利要求14所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，每个所述磁极(S，N)由永磁体块(1121)组装而成，其中，所述永磁体块(1121)由第二绝缘层(1122)相互隔离开。

17、根据权利要求7或13所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述高速转子(11)还包括：

一个第一背板(113)，其固定在所述高速转轴(5)上，所述高速转轴(5)穿过所述第一背板(113)的轴心区域；

一个第一铁芯(111)，其固定在所述第一背板(113)上；

其中，所述第一永磁体组(112)固定在所述第一铁芯(111)上。

18、根据权利要求17所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述低速转子(13)还包括：

一个第二背板(133)，其固定在所述低速转轴(6)上，所述低速转轴(6)穿过所述第二背板(133)的轴心区域；

一个第二铁芯(131)，其固定在所述第二背板(133)上；

其中，所述第二永磁体组(132)固定在所述第二铁芯(131)上。

19、根据权利要求18所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述第一永磁体(112)通过表面粘贴技术固定在所述第一铁芯(111)上；所述第二永磁体(132)通过表面粘贴技术固定在所述第二铁芯(131)上。

20、根据权利要求18所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述第一铁芯(111)和所述第二铁芯(131)分别由薄硅钢片卷绕而成或由铁粉芯压制而成。

21、根据权利要求7所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述定子(12)、所述高速转子(11)、所述低速转子(13)、所述高速转轴(5)和所述低速转轴(6)的轴线相互重合。

22、根据权利要求7所述的轴向磁通永磁齿轮，其特征在于，所述轴向磁通永磁齿轮还包括一个壳体(3)，所述定子(12)固定在所述壳体(3)上。

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