CN102624196B - 一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副 - Google Patents

Abstract

一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副，可广泛应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动等工业传动领域。其特征是：由定子机壳4、具有Z₁个嵌线槽的定子铁芯5和槽中装有2p₁个定子绕组6所组成的定子，和行星转子铁芯16及其外圆上分布有2p₂个转子永磁体17所组成的行星转子构成一对磁性齿轮副，极对数p₁与p₂互素并形成固定差值的少极差，由套装有轴承IV15的偏心输入轴1将少极差的定子与行星转子连成偏心结构，偏心输入轴1带动行星转子绕旋转轴线公转，行星转子的永久磁场通过径向偏心的气隙与定子电磁场耦合，转子永磁体17受定子电磁场作用而驱使行星转子绕自身轴线反向自转，通过输出机构9和输出轴11将低速自转输出。

Description

一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副

技术领域

本发明是一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副，是利用电磁式磁性齿轮传动技术来实现高转速小力矩机械能与低转速大力矩机械能相互转换的可控变速传动装置，可直接取代常规的机械齿轮传动离合变速系统，广泛应用于风力发电、水力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。

背景技术

在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与高转速低力矩机械能的相互转换，比如：风力发电和水力发电领域需要将极低转速且可变的风能、水的势能转换成高转速的发电用机械动能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将驱动电机的高速机械功率变换成转速很低而力矩很大的机械功率。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，现有公知的普遍方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，长期以来机械齿轮传动技术的基本形式没有变化，即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进行传动。这就给齿轮传动带来了一些不可消除的问题，如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音等，尽管可以采用油脂润滑技术,但以上问题依旧无法根除，导致使用维护极其繁琐，常规高变速比的机械齿轮变速系统传动效率低、噪声大、可靠性差。固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需要在更宽转速范围的多级、分档调速机构结构复杂，无法适应越来越多的无级变速的传动技术要求，为满足大范围变矩变速的使用要求，传统的做法采用了机械式离合变速机构，不仅导致整体结构复杂，而且长久频繁的离合操作对系统的可靠性和寿命挑战极大，也往往使得离合机构的操纵控制复杂化。

中国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，大力发展稀土材料的应用有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁材料在电驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的各类电机产品，其单位体积材料传送的力矩密度大，能源利用效率高而能耗小，显示出其稀土材料巨大的优越性。近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破，2004年英国和丹麦学者提出了磁场调制技术理论及其传动结构，并从实践上完成了一种新型径向磁场调制式磁性齿轮的设计及样机验证工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点,这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域。这种基于磁场调制技术的磁性齿轮结构有一个特点，即是采用磁场调制原理来对主动轮和从动轮的不同极数的永久磁场进行调制，具体在结构上的方法就是在主动轮和从动轮之间加设了一个具有定向定数的导磁栅铁心做导磁极，从而有目的地隔离两个不同极数的传动轮。

以上基于磁场调制技术而设计的磁性齿轮从理论原理到结构方案上存在两大致命的不足：第一，从理论上看，起磁场调制作用的导磁栅铁心极(齿)数必须满足约束条件，从而导致磁性齿轮在运转传动的任意时刻都只有不到一半的永磁体处于相互磁场耦合的工作状态，有一半以上的永磁体磁极处于闲置的非耦合状态，即稀土永磁体磁极的耦合度理论上就低于50%；第二，从结构上看，加设导磁栅铁心必然使磁性齿轮副具有了两个气隙，将必然消耗稀土永磁体的大量磁动势，如果不加厚磁极厚度则必然导致处于耦合工作状态的永磁体磁通量降低，从而影响所传递的转矩大小；第三，导磁栅铁心的存在使得气隙磁阻与磁势交变脉动，导致转矩周期性波动，不仅影响传动精度，而且导磁栅铁心所受的机械转矩大，其结构强度也是影响其寿命的主要因素。所以，要降低磁性齿轮传动技术的成本并进一步提高其传递的力矩，就必须从原理上突破磁场调制技术的理论约束，并且从结构设计上跳出双气隙的结构制约。

近期，本案发明人之一也提出过新型横向和径向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿轮副(201110277432.3、201120350893.4和201110355864.1、201120444409.4)，这种磁性齿轮副是利用两个传动轮副上的两种不同极数的永久磁场相互作用、相互耦合来达到传递力矩和变速传动的目的，但是这种少极差双永磁耦合变速的概念，由于稀土材料的永久磁场无法调节使其不能实现离合控制，更不能随负载大小来自动调节力矩大小，只能实现简单的变速传动的目的，截止目前为止国内外均还没有人提出过利用电磁场原理来改进少极差偏心磁性齿轮副的工作原理和具体应用结构，而这样的技术研究和结构发明对于既需要离合功能又要实现变速变矩目的应用场合却恰恰具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有机械式齿轮传动技术存在的问题以及目前公知的、基于磁场调制技术的磁性传动齿轮副的致命缺陷以及之前公布的少极差双永久磁场耦合式磁性齿轮存在的不足，本技术发明的目的在于提供一种磁场可调可控的径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副新结构。本发明的基本构思是，借鉴机械齿轮传动领域的新型少齿差行星齿轮传动的原理以及直流电机定子电流励磁原理，将输入给偏心结构的行星轮的公转通过转子永久磁场与定子电磁场相互异极性耦合吸引的原理来实现行星轮的自转，经输出结构将行星轮自转输出，从而实现了无机械接触、无摩擦的、励磁电流可随负载大小调节的且可实现离合功能的动力变速变矩传动。

以下结合图1、图2来说明这种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的工作原理及结构特征，图中：项1为偏心输入轴，项2为轴承I，项3为前端盖，项4为定子机壳，项5为定子铁芯，项6为定子绕组，项7为引出线，项8为后端盖输出转动盘，项9为输出机构，项10为轴承II，项11为输出轴，项12为轴承III，项13为行星转子轴承盖，项14为拉紧螺钉，项15为轴承IV，项16为行星转子铁芯，项17为转子永磁体，项18为外部电源；图中符号标识：N表示极性为N的永磁体，S表示极性为S的永磁体，a表示行星转子铁芯16与定子的偏心距，e表示定子与行星转子之间的最小气隙的长度，D₁表示定子铁芯5的内径，D₂表示行星转子的外径，n₁、T₁表示偏心输入轴1的输入转速和输入力矩，n₂、T₂表示输出轴11的输出转速和输出力矩，2p₁表示定子绕组6建立的定子电磁场的极数，2p₂表示转子永磁体17的分布极数，Z₁表示定子铁芯5内圆均布的嵌线槽的槽数，U表示外部电源18供给的端电压，I表示外部电源18提供的励磁电流。

从图1的径向结构工作原理拓扑图与图2的轴向结构全剖面图可知，径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的工作原理与机械式的K-H-V型少齿差行星齿轮类似：工作时，电压为U的外部电源18提供的电流I通过定子绕组6建立起极数为2p₁的定子电磁场，偏心输入轴1带动行星转子铁芯16绕旋转轴线公转，偏心公转的行星转子铁芯16上的转子永磁体17与定子电磁场通过偏心径向气隙而磁场耦合驱使行星转子绕自身轴线反向自转，再通过图中虚线框所示的输出机构9将行星转子的低速自转输出；当外部电源18被切断后，由于定子电磁场消失，偏心输入轴1仅能驱动行星转子公转无法实现行星转子的自转，对外不输出低速自转力矩，从而实现了电控离合功能；负载大小变化时，可通过调节外部电源18提供的定子励磁电流I的大小实现对负载力矩的随动跟踪调整。

一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的结构特征是：

一、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副由定子机壳4、具有Z₁个嵌线槽的定子铁芯5和槽中装有2p₁个定子绕组6所组成的定子，和行星转子铁芯16及其外圆上分布有2p₂个转子永磁体17所组成的行星转子构成一对磁性齿轮副，行星转子的永久磁场通过径向偏心的气隙与定子绕组6中的电流I产生的电磁场耦合，形成磁性齿轮副的径向磁场；定子绕组6的分布极数2p₁与转子永磁体17的分布极数2p₂之间极数差较小，极对数p₁和p₂为彼此互素的正整数对，并满足以下关系约束：p₁＞p₂，且1≤p₁-p₂＜4；

二、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的定子与行星转子呈偏心分布结构，由套装有轴承I2、轴承III12和轴承IV15的偏心输入轴1将少极差的磁性齿轮副连接成偏心结构；其中，行星转子铁芯16与旋转中心的偏心距a、定子与行星转子之间的最小气隙的长度e、定子铁芯5的内径D₁、行星转子的外径D₂、以及极对数p₁和p₂满足以下结构关系约束：(D₁-2×e)÷D₂=p₁÷p₂，a=0.5×(D₁-D₂-2×e)；

三、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副由螺栓将前端盖3、后端盖8与定子机壳4紧固装配为整体结构，在偏心输入轴1输入力矩T₁和转速n₁的输入状态下，其输出结构方式为定子机壳4固定而输出轴11旋转输出力矩T₂和转速n₂，此时，磁性齿轮副的传动满足约束：T₂÷T₁=n₁÷n₂=-p₂÷(p₁-p₂)，输入转速n₁和输出转速n₂的旋转方向相反。

采用上述技术方案所达到的技术经济效果：

与普通机械式齿轮传动副相比,本发明涉及的径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副具有如下明显的优势：

①高效节能、低炭环保：由于消除了普通机械式齿轮传动的接触摩擦,传动损耗仅仅包括一些铁心损耗,理论上最高传动效率可达到95%，比机械齿轮传动普遍提高8%，属于高效节能型产品，符合低炭环保经济特点，广泛推广应用可极大地节省能源，降低碳排放。

②能量(力矩)密度较高：少极差磁场耦合技术使得永磁体的磁场异极性耦合程度比磁场调制式结构的磁性齿轮提高很多，使磁性材料单位体积传送的转矩密度得到提高，本系列新型稀土磁性传动齿轮所传送的转矩密度高于60kN.m/m³；为磁性齿轮传动技术应用于需要大力矩的工业化动力传动及精密传动领域奠定了基础。

③无回差、无磨损，可靠性高、寿命长：由于无机械接触摩损，不仅消除了机械齿轮因齿隙和磨损而引起的不可避免的齿轮回差困扰，而且大大提高了传动机构的寿命极限，对于定位精度要求极高且频繁正反转的雷达伺服跟踪系统、工业机器人伺服驱动机构等领域有现实的应用价值。

④无污染、低噪音：不存在机械齿轮传动时因齿部啮合接触而产生的震动噪音，且无需润滑油脂，清洁、无油污、防尘、防水等，对于噪音要求极高的领域如长期水下航行的核潜艇降低本体噪音具有潜在的军事应用价值。

⑤传动平稳、缓冲隔离、可控调节、过载保护：转速传动比恒定，转速的动态瞬时稳定度高，运行平稳；在过载时因主、从动轮滑转而随时切断传动关系，不会损坏负载或者原动机；通过电磁场耦合隔离了原动机与负载机械，可方便实现电控离合功能，且可以实现对负载的跟踪随动功能。

⑥加工方便、工艺简单：无需昂贵的机械齿轮加工和检测设备，也不存在机械齿轮在设计加工上常常需要变位修正的设计加工繁琐，所有制造工艺技术均为电机工业领域成熟的工艺，一次性设备投资少，主要为装配作业，便于组织大规模流水线生产。

附图说明

图1是径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的径向结构工作原理拓扑图。

图2是径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的轴向结构全剖面图。

以上图中：1.偏心输入轴，2.轴承I，3.前端盖，4.定子机壳，5.定子铁芯，6.定子绕组，7.引出线，8.后端盖输出转动盘，9.输出机构，10.轴承II，11.输出轴，12.轴承III，13.行星转子轴承盖，14.拉紧螺钉，15.轴承IV，16.行星转子铁芯，17.转子永磁体，18.外部电源；图中符号标识：N表示极性为N的永磁体，S表示极性为S的永磁体，a表示行星转子铁芯16与定子的偏心距，e表示定子与行星转子之间的最小气隙的长度，D₁表示定子铁芯5的内径，D₂表示行星转子的外径，n₁、T₁表示偏心输入轴1的输入转速和输入力矩，n₂、T₂表示输出轴11的输出转速和输出力矩，2p₁表示定子绕组6建立的定子电磁场的极数，2p₂表示转子永磁体17的分布极数，Z₁表示定子铁芯5内圆均布的嵌线槽的槽数，U表示外部电源18供给的端电压，I表示外部电源18提供的励磁电流。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明：图1是径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的径向结构工作原理拓扑图。图2是径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的轴向结构全剖面图。

一、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的工作原理为：工作时，电压为U的外部电源18提供的电流I通过定子绕组6建立起极数为2p₁的定子电磁场，偏心输入轴1带动行星转子铁芯16绕旋转轴线公转，偏心公转的行星转子铁芯16上的转子永磁体17与定子电磁场通过偏心径向气隙而磁场耦合驱使行星转子绕自身轴线反向自转，再通过图中虚线框所示的输出机构9将行星转子的低速自转输出；当外部电源18被切断后，由于定子电磁场消失，偏心输入轴1仅能驱动行星转子公转无法实现行星转子的自转，对外不输出低速自转力矩，从而实现了电控离合功能；负载大小变化时，可通过调节外部电源18提供的定子励磁电流I的大小实现对负载力矩的随动跟踪调整。

从图2可以看出径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的内部结构特征如下：

二、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副由定子机壳4、具有Z₁个嵌线槽的定子铁芯5和槽中装有2p₁个定子绕组6所组成的定子，和行星转子铁芯16及其外圆上分布有2p₂个转子永磁体17所组成的行星转子构成一对磁性齿轮副，行星转子的永久磁场通过径向偏心的气隙与定子绕组6中的电流I产生的电磁场耦合，形成磁性齿轮副的径向磁场；定子绕组6的分布极数2p₁与转子永磁体17的分布极数2p₂之间极数差较小，极对数p₁和p₂为彼此互素的正整数对，并满足以下关系约束：p₁＞p₂，且1≤p₁-p₂＜4；

三、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的定子与行星转子呈偏心分布结构，由套装有轴承I2、轴承III12和轴承IV15的偏心输入轴1将少极差的磁性齿轮副连接成偏心结构；其中，行星转子铁芯16与旋转中心的偏心距a、定子与行星转子之间的最小气隙的长度e、定子铁芯5的内径D₁、行星转子的外径D₂、以及极对数p₁和p₂满足以下结构关系约束：(D₁-2×e)÷D₂=p₁÷p₂，a=0.5×(D₁-D₂-2×e)；

四、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副由螺栓将前端盖3、后端盖8与定子机壳4紧固装配为整体结构，在偏心输入轴1输入力矩T₁和转速n₁的输入状态下，其输出结构方式为定子机壳4固定而输出轴11旋转输出力矩T₂和转速n₂，此时，磁性齿轮副的传动满足约束：T₂÷T₁=n₁÷n₂=-p₂÷(p₁-p₂)，输入转速n₁和输出转速n₂的旋转方向相反。

五、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的行星转子的结构特征是：偏心且绕旋转中心轴线公转的行星转子是主动轮，行星转子铁芯16的内孔安装有轴承IV15，两端由行星转子轴承盖13和拉紧螺钉14压紧轴承；转子永磁体17用永磁材料制成，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于行星转子铁芯16的外圆，行星转子铁芯16由导磁的硅钢板经冲压加工制成冲片形再经叠压焊接为一整体，在行星转子铁芯16的磁轭部位加工有将其自转转换到输出轴11旋转中心转动的输出机构9所需要的圆周均布销孔。

六、径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的定子的特征是：驱使偏心公转的行星转子同时自转的从动机构是定子，定子机壳4由导磁的钢管经机械切削加工制成，定子铁芯5由导磁的硅钢板经冲压加工制成冲片形再经叠压焊接为一整体，定子铁芯内圆均匀分布有Z₁个嵌线槽，定子铁芯5采用紧配合装于定子机壳4内孔，定子绕组6用导电材料铜线绕制成型并嵌装于定子铁芯5内圆均布的Z₁个嵌线槽内，并经引出线7与外部电源18电路连接，电压为U的外部电源18提供的电流I通过定子绕组6建立起极数为2p₁的定子电磁场。

以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本技术发明原理的前提下，还可以作出若干结构变形和改进(如将本发明涉及的磁性齿轮副进行多极直轴串联即可构成多级变速传动系统)，这些也应该视为本技术发明的保护范围，这些都不会影响本技术发明实施的效果和实用性。

Claims (3)

1.一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副，其特征是：

径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副由定子机壳(4)、具有Z₁个嵌线槽的定子铁芯(5)和槽中装有2p₁个定子绕组(6)所组成的定子，和行星转子铁芯(16)及其外圆上分布有2p₂个转子永磁体(17)所组成的行星转子构成一对磁性齿轮副，行星转子的永久磁场通过径向偏心的气隙与定子绕组(6)中的电流I产生的电磁场耦合，形成磁性齿轮副的径向磁场；定子绕组(6)的分布极数2p₁与转子永磁体(17)的分布极数2p₂之间极数差较小，极对数p₁和p₂为彼此互素的正整数对，并满足以下关系约束：p₁＞p₂，且1≤p₁-p₂＜4；

径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副的定子与行星转子呈偏心分布结构，由套装有轴承I(2)、轴承III(12)和轴承IV(15)的偏心输入轴(1)将少极差的磁性齿轮副连接成偏心结构；其中，行星转子铁芯(16)与旋转中心的偏心距a、定子与行星转子之间的最小气隙的长度e、定子铁芯(5)的内径D₁、行星转子的外径D₂、以及极对数p₁和p₂满足以下结构关系约束：(D₁-2×e)÷D₂=p₁÷p₂，a=0.5×(D₁-D₂-2×e)；

径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副由螺栓将前端盖(3)、后端盖(8)与定子机壳(4)紧固装配为整体结构，在偏心输入轴(1)输入力矩T₁和转速n₁的输入状态下，其输出结构方式为定子机壳(4)固定而输出轴(11)旋转输出力矩T₂和转速n₂，此时，磁性齿轮副的传动满足约束：T₂÷T₁=n₁÷n₂=-p₂÷(p₁-p₂)，输入转速n₁和输出转速n₂的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副，其特征是：偏心且绕旋转中心轴线公转的行星转子是主动轮，行星转子铁芯(16)的内孔安装有轴承IV(15)，两端由行星转子轴承盖(13)和拉紧螺钉(14)压紧轴承；转子永磁体(17)用永磁材料制成，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于行星转子铁芯(16)的外圆，行星转子铁芯(16)由导磁的硅钢板经冲压加工制成冲片形再经叠压焊接为一整体，在行星转子铁芯(16)的磁轭部位加工有将其自转转换到输出轴(11)旋转中心转动的输出机构(9)所需要的圆周均布销孔。

3.根据权利要求1所述的一种径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副，其特征是：驱使偏心公转的行星转子同时自转的从动机构是定子，定子机壳(4)由导磁的钢管经机械切削加工制成，定子铁芯(5)由导磁的硅钢板经冲压加工制成冲片形再经叠压焊接为一整体，定子铁芯内圆均匀分布有Z₁个嵌线槽，定子铁芯(5)采用紧配合装于定子机壳(4)内孔，定子绕组(6)用导电材料铜线绕制成型并嵌装于定子铁芯(5)内圆均布的Z₁个嵌线槽内，并经引出线(7)与外部电源(18)电路连接，电压为U的外部电源(18)提供的电流I通过定子绕组(6)建立起极数为2p₁的定子电磁场。

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