CN101841280A - 一种应用鼠笼式调磁装置的同心磁力齿轮 - Google Patents

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Abstract

一种应用鼠笼式调磁装置的同心磁力齿轮，涉及机械工程传动技术领域。齿轮由内部永磁结构、中部调磁结构和外部永磁结构组成，内部永磁结构的外表面装有N极和S极紧密相间排列的永磁体，磁极对数为P1；中部调磁结构处于内部永磁结构和外部永磁结构之间，采用软磁材料直接加工成鼠笼式结构或由非导磁材料与软磁材料制成的调磁铁块的组合成鼠笼型结构，笼条数量为R；外部永磁结构的内表面装有N极和S极紧密相间排列的永磁体，磁极对数为P2；R＝P1+P2。当内永磁结构转动时，会产生一个磁极对数为P1的旋转磁场，而中部调磁结构将该旋转磁场调制成磁极数为P2的旋转磁场，同时其转速和转向均发生改变，带动外部永磁结构旋转，达到改变转速的目的。

Description

一种应用鼠笼式调磁装置的同心磁力齿轮
技术领域
本发明涉及机械工程中的传动技术领域，特别是一种新型的同心磁力齿轮，它可应用于大振动、无泄漏、大转矩高低速传动的非接触变速系统。
背景技术
在磁力传动领域中，磁力齿轮的应用并不多，主要是由于传统的啮合式磁力齿轮的永磁体利用率太低，只有靠近的两个磁极才对扭矩的传递起作用，导致传统磁力齿轮的扭矩密度很低。针对这个缺点，英国人K.Atalla和D.Howe提出了同心式磁力齿轮，它的内外转子上都布置有永磁体，两个转子之间有一个定子，定子是由一定数量的调磁铁块沿圆周方向均匀分布构成，可以将内转子和外转子上的永磁体产生的磁场进行调制，从而可以产生与外转子和内转子磁极对数相等的磁场，并改变磁场的旋转速度，从而达到了改变转速的目的。
但是这种同心磁力齿轮也有缺点，首先，由于内外转子与定子之间存在转速差，为了不影响定子的调磁功能以及提高其传动效率，定子调磁铁块的支撑件一般采用非金属材料，这样容易导致定子的刚度和加工精度就很难达到要求，其次，由于这种磁力齿轮的各个部分存在转速差，根据电磁感应定律，运行时效率会降低，转矩会减小，在磁力齿轮高速运行时尤为明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型同心磁力齿轮——鼠笼式调磁装置同心磁力齿轮。它由内外永磁结构和调磁装置组成，内永磁结构的外表面和外转子的内表面均装有N极和S极紧密相间排列的永磁体，调磁装置采用软磁材料加工成的鼠笼式结构或由非导磁材料与调磁铁块组合的鼠笼式结构，其结构刚度可以得到保证，因此内部永磁结构、外部永磁结构与鼠笼式调磁装置可以根据需要选取其中之一作为定子，剩下的两个作为转子，从而扩展了磁力齿轮的应用范围。
本发明的技术方案为：所述同心磁力齿轮由内部永磁结构(A)、中部调磁结构(B)、外部永磁结构(C)组成。内部永磁结构(A)的外表面装有N极和S极紧密相间排列的永磁体，磁极对数为P1；中部调磁结构(B)处于内部永磁结构和外部永磁结构之间，采用软磁材料直接加工成鼠笼式结构或由非导磁材料(如不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金、环氧树脂、尼龙等)与软磁材料制成的调磁铁块的组合的鼠笼型结构，笼条数量为R；外部永磁结构(C)的内表面装有N极和S极紧密相间排列的永磁体，磁极对数为P2；P1、R、P2之间的关系为R＝P1+P2。当内永磁结构(A)转动时，会产生一个磁极对数为P1的旋转磁场，而中部调磁结构(B)可以将该旋转磁场调制成磁极数为P2的旋转磁场，同时其转速和转向均发生改变，从而可以带动外部永磁结构(C)旋转，并达到改变转速的目的。
本发明的优点是：它将原磁力齿轮定子的结构改成开有纵向槽隙的笼型调磁结构，而没有采用非金属材料支撑件对调磁铁块进行支撑的结构，可以提高结构的加工性能和结构刚度，从而可以完成多种形式的运行，而每一种形式都有其各自的优点。
形式(一)：内部永磁结构(A)保持静止，中部调磁结构(B)和外部永磁结构(C)作为两个转子，其传动比为R∶P2，它可以用于外转式直接驱动结构，具有良好的直接驱动能力。
形式(二)：中部调磁结构(B)保持静止，外部永磁结构(C)和内部永磁结构(A)作为两个转子，其传动比为-P2；P1(负号表示方向相反)；它可以用于外转式直接驱动结构，也可以用于输入输出轴结构，并且可以达到改变转向的目的。
形式(三)：外部永磁结构(C)保持静止，内部永磁结构(A)和中部调磁结构(B)作为两个转子，其传动比为P1∶R，它可以用于输入输出轴结构，由于原磁力齿轮的内外转子与定子之间存在转速差，且两个转子的旋转方向相反，根据楞次定律，定子会阻碍转子的旋转，从而会产生损耗，而且转速越高损耗越大，传递的扭矩也会降低，而本磁力齿轮的鼠笼式转子与内转子转向相同，楞次定律产生的力会推动转子的旋转，可以增大转子的扭矩，因此效率会有所提高，而且随着转速的提高，传递的扭矩也会有所提高。所以形式(三)能够得到最优的扭矩传递效果。
形式(四)：外部永磁结构(C)、内部永磁结构(A)和中部调磁结构(B)均作为转子可以旋转，三个转子之间的关系为：P1Ω1＝RΩs-P2Ω2，它可以通过改变其中一个转子的转速而改变另外两个转子之间的传动比，在需要改变传动比的场合可以得到应用。
附图说明
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明
图1为形式(一)结构简图
图2为形式(二)结构简图
图3为形式(三)结构简图
图4为形式(四)结构简图
图5为形式(三)总体结构图
图6为形式(三)总成剖面图
图7为两种中部调磁结构的三维结构图
图中的标号分别代表：A、内部永磁结构；B、中部调磁结构、C、外部永磁结构
1、高速转轴；2、高速轴轴承；3、端环；4、壳体；5、定子永磁体；6、鼠笼式调磁装置；7、内转子永磁体；8、内转子基体；9、低速轴轴承；8、低速转轴
I、高速转子总成II、低速转轴总成III、定子总成
具体实施方式
以下对形式(三)为例对结构方案进行进一步说明。
形式(三)具体实施方式：
总体结构如图4所示，该装置包括：高速转子总成(I)、低速转子总成(II)和定子总成(III)。其中，高速转子总成(I)即为内部永磁结构(A)，通过平键与高速转轴连接；低速转子总成(II)即为中部调磁结构(B)，通过平键与低速转轴连接；定子总成(III)即为外部永磁结构(C)，装在结构外部。
具体结构为：高速转子总成(I)包括内转子基体(8)、内转子永磁体(7)。内转子永磁体(7)按N极、S极偶数相间紧密排列粘装在内转子基体(8)外表面上，磁极对数为P1。低速转子总成(II)包括鼠笼式调磁装置(6)和端环(3)；定子总成(III)包括壳体(4)和定子永磁体(5)。定子永磁体(5)按N极、S极偶数相间紧密排列粘装在壳体(4)内表面上，磁极对数为P1；鼠笼式调磁结构(6)可以有两种形式，可以采用杯状软磁材料在圆周方向均匀切割出数量为R的槽，也可以采用非导磁材料制成支撑结构，并固定上数量为R的软磁材料制成的调磁铁块，形成鼠笼式结构；其中，R等于高速转子永磁体磁极对数P1与定子永磁体磁极对数P2之和；端环(3)采用非导磁材料制成，用于增加鼠笼结构的刚度。
对于形式(一)和形式(二)，其内部永磁结构(A)、中部调磁结构(B)和外部永磁结构(C)的结构形式与形式(三)相同，不同之处在于：
形式(一)中的内部永磁结构(A)作为定子固定在壳体(4)上，中部调磁结构(B)作为高速转子与高速转轴(1)连接，外部永磁结构(C)作为低速转子与从动部件直接相连进行直接驱动；
形式(二)中的内部永磁结构(A)与高速转轴(1)相连作为高速转子，中部调磁结构(B)作为定子固定在壳体(4)上，外部永磁结构(C)作为低速转子与低速转轴(8)相连或直接与从动部件相连进行直接驱动。
形式(四)中的外部永磁结构(C)、内部永磁结构(A)和中部调磁结构(B)均作为转子，其转动速度各不相同。

Claims (5)

1.一种应用鼠笼式调磁装置的同心磁力齿轮，其特征在于：由内部永磁结构(A)、中部调磁结构(B)、外部永磁结构(C)组成，内部永磁结构(A)的外表面装有N极和S极紧密相间排列的永磁体，磁极对数为P1；中部调磁结构(B)处于内部永磁结构和外部永磁结构之间，采用软磁材料直接加工成鼠笼式结构或由非导磁材料与软磁材料制成的调磁铁块的组合的鼠笼式结构，笼条数量为R；外部永磁结构(C)的内表面装有N极和S极紧密相间排列的永磁体，磁极对数为P2；P1、R、P2之间的关系为R＝P1+P2，当内永磁结构(A)转动时，会产生一个磁极对数为P1的旋转磁场，而中部调磁结构(B)可以将该旋转磁场调制成磁极数为P2的旋转磁场，同时其转速和转向均发生改变，从而可以带动外部永磁结构(C)旋转，并达到改变转速的目的。
2.根据权利要求1所述的同心磁力齿轮，其特征在于：所述鼠笼式调磁装置同心磁齿轮存在四种运行形式：(一)内部永磁结构(A)保持静止，中部调磁结构(B)和外部永磁结构(C)作为两个转子，其传动比为R∶P2；(二)中部调磁结构(B)保持静止，外部永磁结构(C)和内部永磁结构(A)作为两个转子，其传动比为-P2；P1(负号表示方向相反)；(三)外部永磁结构(C)保持静止，内部永磁结构(A)和中部调磁结构(B)作为两个转子，其传动比为P1∶R；(四)外部永磁结构(C)、内部永磁结构(A)和中部调磁结构(B)均作为转子可以旋转，三个转子之间的关系为：P1Ω1＝RΩs-P2Ω2。
3.根据权利要求1所述的同心磁力齿轮，其特征在于：所述非导磁材料为不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金、环氧树脂或尼龙。
4.根据权利要求2所述的同心磁力齿轮，其特征在于：形式(三)运行形式的同心磁齿轮由高速转子总成(I)、低速转子总成(II)和定子总成(III)组成；其中，高速转子总成(I)即为内部永磁结构(A)，通过平键与高速转轴连接；低速转子总成(II)即为中部调磁结构(B)，通过平键与低速转轴连接；定子总成(III)即为外部永磁结构(C)，装在结构外部；高速转子总成(I)包括内转子基体(8)和内转子永磁体(7)，内转子永磁体(7)按N极、S极偶数相间紧密排列粘装在内转子基体(8)外表面上；低速转子总成(II)包括鼠笼式调磁结构(6)和端环(3)；定子总成(III)包括壳体(4)和定子永磁体(5)，定子永磁体(5)按N极、S极偶数相间紧密排列粘装在壳体(4)内表面上，磁极对数为P1；鼠笼式调磁结构(6)有两种形式，采用杯状软磁材料在圆周方向均匀切割出数量为R的槽，或采用非导磁材料制成支撑结构，并固定上数量为R的软磁材料制成的调磁铁块，形成鼠笼式结构；其中，R等于高速转子永磁体磁极对数P1与定子永磁体磁极对数P2之和；端环(3)采用非导磁材料制成，用于增加鼠笼结构的刚度。
5.根据权利要求2所述的同心磁力齿轮，其特征在于：对于其他三种形式，同心磁齿轮内部永磁结构(A)、中部调磁结构(B)和外部永磁结构(C)的结构形式与形式(三)相同，不同之处在于：形式(一)中的内部永磁结构(A)作为定子固定在壳体(4)上，中部调磁结构(B)作为高速转子与高速转轴(1)连接，外部永磁结构(C)作为低速转子与从动部件直接相连进行直接驱动；形式(二)中的内部永磁结构(A)与高速转轴(1)相连作为高速转子，中部调磁结构(B)作为定子固定在壳体(4)上，外部永磁结构(C)作为低速转子与低速转轴(8)相连或直接与从动部件相连进行直接驱动；形式(四)中的外部永磁结构(C)、内部永磁结构(A)和中部调磁结构(B)均作为转子，其转动速度各不相同。
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