CN102324821B - 一种同轴磁齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴磁齿轮，包括由外至内排列、同轴心的外转子、静止磁环和内转子。外转子为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极；静止磁环固定安装在内、外转子之间，由永磁体和非永磁体相互间隔排列组成；内转子外环等距排列内转子凸极，其上设置内转子永磁体，内转子也可采用其它能够产生有效N-S磁极的结构形式；为保证内、外转子正常旋转，三部件之间设有气隙。本发明利用外转子凸极结构，将静止磁环磁场在内气隙侧调制出一系列谐波旋转磁场，选用内转子永磁体极对数与某一需要的谐波磁场极对数相同，二者耦合作用实现稳定的转矩传递。该磁齿轮具有转矩密度高、外转子机械强度大、加工制造方便的特点。

Description

一种同轴磁齿轮

技术领域

本发明属于机电领域，涉及一种适用于非接触式变速驱动场合的同轴磁齿轮。

背景技术

工业应用中，很多需要变速驱动的场合，通常利用体积庞大的齿轮箱等机械装置来实现。大量机械装置的使用将不可避免地带来噪声、震动、摩擦损耗以及定期维护等问题，并将明显增加系统的复杂性、体积和重量。此外，机械齿轮不具备过载自保护能力，当传递的转矩超过其齿轮承受能力时，容易发生安全事故。

相较而言，磁齿轮是一种非接触式传动装置，不存在噪声、震动、摩擦损耗以及润滑等问题，而且能够实现输入与输出之间的物理隔离，还具备过载自保护能力，安全可靠性较高。转矩传递能力一直是磁齿轮的重要性能指标，长期以来，永磁材料性能及磁路拓扑结构的限制导致磁齿轮的转矩密度相对较低。近年来，随着高性能钕铁硼永磁材料的出现，为了能够实现磁齿轮转矩传递能力的突破，有关磁齿轮新型磁路拓扑结构的探索再次成为国内外学者的研究热点。目前，传统的同轴磁齿轮包括由外至内排列、同轴心的外转子、调磁环和内转子，内、外转子均采用表贴永磁体结构，不但降低了转子的机械承受力，而且表贴的永磁体在转子旋转时容易脱落。同时，调磁环采用导磁块与非导磁块间隔排列构成，由于调磁环与内、外转子之间有二层气隙，导致磁齿轮的转矩密度较低，种种原因均限制了传统同轴磁齿轮的应用。因此，研究高转矩传递能力的新型磁齿轮拓扑结构具有重要的理论意义和实用工程价值。

发明内容

技术问题：本发明针对传统的磁齿轮磁路拓扑结构的不足，提供了一种具有较高转矩密度和外转子机械强度，加工制造方便的同轴磁齿轮。

技术方案：本发明的同轴磁齿轮，包括由外至内排列、同轴心的外转子、静止磁环、内转子和转轴；所述外转子为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极；所述静止磁环是由等距间隔排列的磁环永磁体组成的环形部件，两相邻磁环永磁体之间设置有非导磁块，所述磁环永磁体径向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述内转子固定设置在转轴上，内转子的外环上设置有等距间隔排列的内转子永磁体；所述外转子凸极与静止磁环之间设有外气隙；静止磁环与内转子永磁体之间设有内气隙。

本发明中，所述外转子凸极的个数、磁环永磁体的极对数、内转子永磁体极对数满足以下关系：p _pms =n _o ±p _pmi ，其中，n _o 为外转子凸极个数，p _pms 为静止磁环永磁体极对数，p _pmi 为磁齿轮内转子永磁体极对数。

本发明中，所述内转子的外环上设置有等距排列的内转子凸极，所述内转子永磁体设置在内转子凸极表面。

本发明的另一种技术方案中，磁齿轮包括由外至内排列、同轴心的外转子、静止磁环、内转子和转轴；所述外转子为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极；所述静止磁环是由等距间隔排列的磁环永磁体组成的环形部件，两相邻磁环永磁体之间设置有导磁块，所述磁环永磁体沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述内转子固定设置在转轴上，内转子的外环上设置有等距间隔排列的内转子永磁体；所述外转子凸极与静止磁环之间设有外气隙；静止磁环与内转子永磁体之间设有内气隙。

该方案中，所述外转子凸极的个数、磁环永磁体的极对数、内转子永磁体极对数满足以下关系：p _pms =n _o ±p _pmi ，其中，n _o 为外转子凸极个数，p _pms 为静止磁环永磁体极对数，p _pmi 为磁齿轮内转子永磁体极对数。

该方案中，所述内转子的外环上设置有等距排列的内转子凸极，所述内转子永磁体设置在内转子凸极表面。

有益效果：本发明提供了一种全新的同轴磁齿轮结构，与现有的同轴磁齿轮相比，具有以下优点： 

1. 本发明的外转子为简单的凸极结构，其作用是将静止磁环的磁场在内气隙侧调制出与磁齿轮内转子永磁体极对数一致的旋转磁场，该旋转磁场与内转子永磁磁场相互耦合，可实现稳定的转矩传递。该磁齿轮具有转矩密度高、外转子机械强度大、加工制造方便的特点。

与传统的同轴磁齿轮相比，本发明中外转子仅为简单的凸极结构，不但能够提高外转子的机械承受力，而且更易于加工制造，有利于降低生产成本；

2. 本发明的外转子旋转时，静止磁环产生的磁场在外转子凸极结构的调制作用下，能够在内气隙侧产生一系列的谐波旋转磁场。当内转子永磁磁场与某一谐波旋转磁场极对数一致时，通过磁场耦合作用可实现转矩的有效传递。为了获得较高的转矩密度，所选用谐波磁场应为众谐波磁场中幅值最大的一个。此外，磁环产生的基波磁场仍处于静止状态，有利于减小静止磁环内的磁滞损耗；

3. 当外转子凸极的个数、磁环永磁体的极对数、内转子永磁体极对数满足以下关系：p _pms =n _o ±p _pmi ，其中，n _o 为外转子凸极个数，p _pms 为静止磁环永磁体极对数，p _pmi 为磁齿轮内转子永磁体极对数，此时利用了谐波磁场中幅值最大的谐波分量，磁齿轮能够获得最优的转矩传递能力；

4. 本发明的磁环永磁体径向充磁方案中，置于静止磁环相邻永磁体之间的非导磁块，一方面能够起到固定永磁体的作用，另一方面还能够有效减少永磁体极间漏磁；

5. 本发明的磁环永磁体沿圆周切向充磁方案中，构成静止磁环的导磁块，一方面能够为沿圆周切向充磁的永磁体提供磁通通路形成等效的N-S极，另一方面还能够起到固定永磁体的作用；

6. 本发明利用变磁阻原理采用凸极表贴永磁体结构的内转子，与其它结构形式的内转子相比，在保证转矩传递能力的前提下，可进一步节省磁钢和铁的用量；

 附图说明

图1为磁环采用径向充磁的同轴磁齿轮截面结构；

图2为磁环采用切向充磁的同轴磁齿轮截面结构；

图3为表面贴装永磁体式内转子截面结构；

图4为内嵌永磁体式内转子截面结构；

图5为传统的同轴磁齿轮截面结构。

图中有：外转子1，外转子凸极11，外转子永磁体12，静止磁环2，磁环永磁体21，非导磁块22，导磁块23，内转子3，内转子凸极31，内转子永磁体32，外气隙4，内气隙5，转轴6，调磁环7，调磁环导磁块71，调磁环非导磁块72。图中箭头代表永磁体充磁方向。

具体实施方式

本发明的同轴磁齿轮，包括由外至内排列、同轴心的外转子1、静止磁环2、内转子3和转轴6；所述外转子1为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极11；所述静止磁环2是由等距间隔排列的磁环永磁体21组成的环形部件，两相邻磁环永磁体21之间设置有非导磁块22，所述磁环永磁体21径向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述内转子3固定设置在转轴6上，内转子的外环上设置有等距间隔排列的内转子永磁体32；所述外转子凸极11与静止磁环2之间设有外气隙4；静止磁环2与内转子永磁体32之间设有内气隙5。

本发明中，所述外转子凸极11的个数、磁环永磁体21的极对数、内转子永磁体32极对数满足以下关系：p _pms =n _o ±p _pmi ，其中，n _o 为外转子凸极个数，p _pms 为静止磁环永磁体极对数，p _pmi 为磁齿轮内转子永磁体极对数。

本发明中，所述内转子3的外环上设置有等距排列的内转子凸极31，所述内转子永磁体32设置在内转子凸极31表面。

本发明的另一种技术方案中，磁齿轮包括由外至内排列、同轴心的外转子1、静止磁环2、内转子3和转轴6；所述外转子1为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极11；所述静止磁环2是由等距间隔排列的磁环永磁体21组成的环形部件，两相邻磁环永磁体21之间设置有导磁块23，所述磁环永磁体21沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述内转子3固定设置在转轴6上，内转子3的外环上设置有等距间隔排列的内转子永磁体32； 所述外转子凸极11与静止磁环2之间设有外气隙4；静止磁环2与内转子永磁体32之间设有内气隙5。

该方案中，所述外转子凸极11的个数、磁环永磁体21的极对数、内转子永磁体32极对数满足以下关系：p _pms =n _o ±p _pmi ，其中，n _o 为外转子凸极个数，p _pms 为静止磁环永磁体极对数，p _pmi 为磁齿轮内转子永磁体极对数。

该方案中，所述内转子3的外环上设置有等距排列的内转子凸极31，所述内转子永磁体32设置在内转子凸极31表面。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的外转子1需为凸极结构，用以调制磁环产生的磁场，为了获得较高的转矩传递能力，实际应用中，凸极极弧系数需要优化设计，一般选在0.5左右为宜。

所述的外转子1、内转子3、磁环永磁体沿圆周切向充磁方案中构成静止磁环的导磁块23由硅钢叠片或其它导磁材料构成，与普通永磁同步电机的转子铁心制造工艺相同。

所述的磁环永磁体径向充磁方案中，置于静止磁环永磁体21之间的非导磁块22由环氧树脂或其它非导磁材料构成，与永磁体21沿圆周依次间隔排列构成静止磁环，固定安装在内、外转子之间。为了获得较高的转矩传递能力，非导磁块22与永磁体21相比，所占比例相对很小，只要在制造工艺允许的范围内起到固定永磁体的作用即可。

所述的磁环永磁体沿圆周切向充磁方案中，静止磁环永磁体21和导磁块23沿圆周依次间隔排列组成一个整体，固定安装在内、外转子之间，为了获得较高的转矩密度且节省永磁体用量，永磁体21和导磁块23的弧长比例控制在1:1左右为宜。

内转子可利用变磁阻原理采用凸极表贴永磁体结构，采用该结构时，极弧系数宜选在0.7左右，与图3所示的表贴永磁体结构相比，提高了单位体积永磁体的利用率，降低了生产成本。为了防止永磁体32在内转子高速旋转的情况下脱落，可在相邻内转子凸极31和永磁体32之间填充非导磁材料。当然，还可以采用常见的普通永磁同步电机中转子表贴永磁体的固定方式实现防止永磁体脱落的目的。

本发明中，内转子也可采用图3、图4所示的其它形式的转子结构，只需保证内转子能够产生有效的N-S极即可。其中，图3所示为内转子外环等距表贴永磁体结构，相邻永磁体径向充磁，充磁方向相反，构成N-S结构；图4所示为等距内嵌永磁体结构，相邻永磁体沿圆周切向充磁，充磁方向相反，构成聚磁式N-S结构。在外转子1和静止磁环2之间的外气隙4可以保证外转子正常旋转；在静止磁环2和内转子3之间的内气隙5可以保证内转子正常旋转。

本发明中，转轴6与外部的动力输入装置或动力输出装置连接，起到输入或输出动力的作用。因此，转轴6可以是和内转子3单独的部件，内转子3固定设置在转轴6外圆周上；当然转轴6也可以是和内转子3制成一体的部件，乃至于转轴6可以在结构上视为内转子3的位于轴心的一部分。但无论采用哪种结构形式，都在本发明的保护范围之内。

所述的构成静止磁环的永磁体21、置于内转子凸极31表面的永磁体32由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成。

所述磁环永磁体径向充磁方案中，构成静止磁环的永磁体21径向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成N-S结构。

所述磁环永磁体沿圆周切向充磁方案中，构成静止磁环的永磁体21沿圆周切向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成聚磁式N-S结构。

所述的置于内转子凸极表面的永磁体32径向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成N-S结构。

外转子凸极的磁场调制功能，能够将静止磁环永磁体产生的磁场，在内气隙侧调制出一系列空间谐波磁场。当外转子旋转时，相应的谐波磁场随之旋转。当磁齿轮内转子永磁体极对数等于其中任意一个旋转谐波磁场的极对数时，磁齿轮内转子通过磁场的耦合作用，就能够稳定旋转，实现转矩传递。所以，内转子有多种结构形式，只需保证能够产生有效的N-S磁极与谐波磁场耦合作用即可。为了实现变速传动的效果，一般要求所选用的谐波旋转磁场的极对数不能等于外转子凸极的个数。同时，考虑到内、外转子的半径不同，内转子外环周长较小，所设置的永磁体极对数不宜太多，所以，为了实现较好的转矩传递效果，一般内转子的永磁体极对数相较外转子凸极数要少的多，即内转子做高速转子，外转子做低速转子。此时，当所选用的谐波磁场的极对数等于静止磁环的永磁体极对数与外转子凸极个数之差的绝对值时，利用了幅值最大的谐波旋转磁场，磁齿轮能够实现最优的转矩传递能力。即磁齿轮外转子凸极个数、静止磁环永磁体极对数、内转子永磁体极对数应满足以下关系：

p _pms =n _o ±p _pmi                               （1）

n _o 、p _pms 、p _pmi 分别为外转子凸极数、静止磁环永磁体极对数、磁齿轮内转子永磁体极对数。当p _pms =n _o ＋p _pmi 时，磁齿轮内、外转子旋转速度比满足：

Ω _i /Ω _o =－n _o /p _pmi                             （2）

Ω _i 、Ω _o 分别为磁齿轮内、外转子旋转速度，负号表示磁齿轮内、外转子旋转方向相反。当p _pms =n _o －p _pmi 时，磁齿轮内、外转子旋转速度比满足：

Ω _i /Ω _o =n _o /p _pmi                               （3）

此时，磁齿轮内、外转子的旋转方向相同。

磁环永磁体沿圆周切向充磁方案与磁环永磁体径向充磁方案相比，由于静止磁环永磁体采用聚磁式结构，能够进一步提高磁齿轮的转矩传递能力。此外，在满足（1）式的条件下，为了减小内转子转矩脉动，所选用的p _pms 、p _pmi 值之间的最小公倍数应尽可能大，同时，在满足转速比的需要下，n _o 、p _pms 、p _pmi 值不能选用过大，以免增加加工制造的难度，也不能选用过小，以免影响磁场调制效果，降低磁齿轮的转矩密度。本发明涉及的新型同轴磁齿轮不但转矩密度高，而且外转子结构简单，在加工制作成本和机械承受力方面具有明显的优势。

Claims (4)

1.一种同轴磁齿轮，其特征在于，该磁齿轮包括由外至内排列、同轴心的外转子（1）、静止磁环（2）、内转子（3）和转轴（6）；

所述外转子（1）为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极（11）；

所述静止磁环（2）是由等距间隔排列的磁环永磁体（21）组成的环形部件，两相邻磁环永磁体（21）之间设置有非导磁块（22），所述磁环永磁体（21）径向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；

所述内转子（3）固定设置在转轴（6）上，内转子（3）的外环上设置有等距间隔排列的内转子永磁体（32）；

所述外转子凸极（11）与静止磁环（2）之间设有外气隙（4）；静止磁环（2）与内转子永磁体（32）之间设有内气隙（5）。

2.根据权利要求1所述的一种同轴磁齿轮，其特征在于，所述外转子凸极（11）的个数、磁环永磁体（21）的极对数、内转子永磁体（32）的极对数满足以下关系：p_pms=n_o±p_pmi，

其中，n_o为外转子凸极个数，p_pms为静止磁环永磁体极对数，p_pmi为磁齿轮内转子永磁体极对数。

3.一种同轴磁齿轮，其特征在于，该磁齿轮包括由外至内排列、同轴心的外转子（1）、静止磁环（2）、内转子（3）和转轴（6）；

所述外转子（1）为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极（11）；

所述静止磁环（2）是由等距间隔排列的磁环永磁体（21）组成的环形部件，两相邻磁环永磁体（21）之间设置有导磁块（23），所述磁环永磁体（21）沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；

所述内转子（3）固定设置在转轴（6）上，内转子（3）的外环上设置有等距间隔排列的内转子永磁体（32）；

所述外转子凸极（11）与静止磁环（2）之间设有外气隙（4）；静止磁环（2）与内转子永磁体（32）之间设有内气隙（5）。

4.根据权利要求3所述的一种同轴磁齿轮，其特征在于，所述外转子凸极（11）的个数、磁环永磁体（21）的极对数、内转子永磁体（32）的极对数满足以下关系：p_pms=n_o±p_pmi，

其中，n_o为外转子凸极个数，p_pms为静止磁环永磁体极对数，p_pmi为磁齿轮内转子永磁体极对数。

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