CN102780381B - 一种磁力传动变速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁力传动变速装置，包括输入模块、连接模块和输出模块，输入模块与连接模块通过双层联轴器连接，连接模块与输出模块通过双层联轴器连接；连接模块的级联数为1个或多个，连接模块的级联数有多个时，连接模块之间通过双层联轴器串联连接。本发明的输入模块与动力输入源经输入联轴器相联，功率P经输入端输入后，经由包括输入模块、连接模块及输出模块输出，连接模块可根据负载情况，N个串联，实现共计N个磁力变速机构分流传递，每个磁力变速机构承担的功率均为P/N；而输出端经输出联轴器再将此N个变速机构分流的功率合成为总功率P输出。本发明通过合理改变级联模块的数量，达到改变系统传动比的目的。

Description

一种磁力传动变速装置

技术领域

本发明涉及机电传动系统中的变速装置，特别是一种磁力传动变速装置。

背景技术

机电传动系统中的变速装置是工业生产、交通运输、医疗保健、新能源利用等领域中必不可少的组成部分，现有的变速装置一般均采用以机械齿轮为代表的刚性接触式运动或动力传递方法，这种方法的优点是体积小、传动精度高，在合理的工况范围内使用具有较高的可靠性；缺点是工作时易产生摩擦损耗、振动和噪声，需要定期润滑和维护等。另外，当输入端载荷处于不规则变化时，机械齿轮箱中的齿轮由于偏载运行而易造成损坏。磁力变速机构利用永磁体产生的磁场相互耦合实现无接触变速传动，其优于传统齿轮的显著特点是：（1）输入端与输出端物理隔离，仅由气隙磁场进行传动，可有效减缓冲击，隔离扭振；（2）过载保护：当承受过大载荷时，磁性传动装置将出现打滑现象，而不会像传统机械齿轮那样造成齿形损坏；（3）不会像机械齿轮那样出现齿与齿之间的传动噪声；（4）不会像机械齿轮那样需要润滑油及其附属的液压设备，使其制造成本及维护费用大为降低。

虽然磁性齿轮具有上述突出优点，但受磁性材料及其本身传动结构设计的限制，磁性齿轮的传递功率及传动比一般均严重偏小，限制了其在各领域中的广泛应用。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可实现任意大功率及任意大传动比的磁力传动变速装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种磁力传动变速装置，包括输入模块、连接模块和输出模块，所述的输入模块与连接模块通过双层联轴器连接，所述的连接模块与输出模块通过双层联轴器连接；

所述的输入模块的结构由外至内依次为外磁圈组件A、调磁环组件A和内磁圈组件A，所述的外磁圈组件A与调磁环组件A之间、调磁环组件A与内磁圈组件A之间均有一层气隙；

所述的连接模块的结构与输入模块的结构相同，由外至内依次为外磁圈组件B、调磁环组件B和内磁圈组件B，所述的外磁圈组件B与调磁环组件B之间、调磁环组件B与内磁圈组件B之间均有一层气隙；

所述的输出模块的结构由外至内依次为外部定子、外磁圈组件C、调磁环组件C和内磁圈组件C，所述的外部定子与外磁圈组件C之间、外磁圈组件C与调磁环组件C之间、调磁环组件C与内磁圈组件C之间均有一层气隙；所述的外磁圈组件C为一双层永磁体转子，外磁圈组件C的外层还套装一层外部定子；所述的外部定子中的定子绕组连接三相电流，用以精确调整所需要的输出转速；

所述的外磁圈组件A与外磁圈组件B结构相同，所述的调磁环组件A、调磁环组件B和调磁环组件C结构相同，所述的内磁圈组件A、内磁圈组件B和内磁圈组件C结构相同；

所述的连接模块的级联数为1个或多个，所述的连接模块的级联数有多个时，连接模块之间通过双层联轴器串联连接。

本发明所述的输入模块通过双层联轴器直接连接输出模块，省去连接模块。

本发明所述的输入模块通过双层联轴器连接连接模块，省去输出模块。

本发明的工作原理如下：

本发明的输入模块与动力输入源经输入联轴器相联，功率P经输入端输入后，经由包括输入模块、连接模块及输出模块输出，所述的连接模块可根据负载情况，N个串联，实现共计N个磁力变速机构分流传递，如图1所示，每个磁力变速机构承担的功率均为P/N；而输出端经输出联轴器再将此N个变速机构分流的功率合成为总功率P输出。

本发明所述的输入模块的外磁圈组件A、调磁环组件A和内磁圈组件A的磁极数分别为a_I、b_I和c_I；则传动比为：

$i_I=-\frac{c_1}{a_1};$

所述的连接模块的级联数为1时的外磁圈组件B、调磁环组件B和内磁圈组件B的磁极数分别为a_II1、b_II1和c_II1，所对应的传动比为i_II1；级联数为2时的外磁圈组件B、调磁环组件B和内磁圈组件B的磁极数分别为a_II2、b_II2和c_II2，所对应的传动比为i_II2；级联数为n时的外磁圈组件B、调磁环组件B和内磁圈组件B的磁极数分别为a_IIn、b_IIn和c_IIn，所对应的传动比为i_IIn；则

$i_{\mathrm{II}1}=\frac{1}{\frac{a_{\mathrm{II}1}}{c_{\mathrm{II}1}}(\frac{a_I}{c_I}+1)+1}$

$i_{\mathrm{II}2}=\frac{1}{-\frac{a_{\mathrm{II}2}}{c_{\mathrm{II}2}}(1-\frac{1}{i_{\mathrm{II}1}})+\frac{1}{i_{\mathrm{II}1}}}$

$i_{\mathrm{IIn}}=\frac{1}{-\frac{a_{\mathrm{IIn}}}{c_{\mathrm{IIn}}}(\frac{1}{i_{\mathrm{II}(n-2)}}-\frac{1}{i_{\mathrm{II}(n-1)}})+\frac{1}{i_{\mathrm{II}(n-1)}}}$

所述的n≥3;

所述的输出模块的调磁环组件C和内磁圈组件C的磁极数分别为b_III和c_III，外磁圈组件C的内侧永磁体A的磁极数为a_III；所对应的转速分别为ω_f、ω_i及ω_o；所对应的传动比为i_III；则

$i_{\mathrm{III}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_f}{{\mathrm{\ω}}_i}=\frac{a_{\mathrm{III}}{\mathrm{\ω}}_o+c_{\mathrm{III}}{\mathrm{\ω}}_i}{b_{\mathrm{III}}{\mathrm{\ω}}_i};$

通过对外磁圈组件C的外层套装定子中三相绕组的电流控制，精确调整ω_o的数值，进而实现对负载转速的精确控制。

所述的调磁环组件A、调磁环组件B或调磁环组件C的极块数b_m由下式计算：

b_m=a_m+c_m，m=I,II,III

总传动比i为：

当连接模块的级联数为1时：

当连接模块的级联数为2时：

当连接模块的级联数为n(n≥3)时： $i=\frac{i_{\mathrm{III}}}{-\frac{a_{\mathrm{IIn}}}{c_{\mathrm{IIn}}}(\frac{1}{i_{\mathrm{II}(n-2)}}-\frac{1}{i_{\mathrm{II}(n-1)}})+\frac{1}{i_{\mathrm{II}(n-1)}}}$

由上面的公式可见，本发明可根据生产的具体要求，在满足不同负载及其转速的情况下，通过合理改变级联模块的数量，达到改变系统传动比的目的。

本发明当输入端为低转速输入时，其输出端为低扭矩、高转速，且与传统传动机构相比，其径向尺寸很小，增速比很大；当输入端为高转速输入时，其输出端为大扭矩、低转速，且与传统传动机构相比，其径向尺寸很小，减速比很大。

本发明当输入端转速非实时变化且输出端无需调速时，输出模块可以省略；当输入端转速时实变化（如风力发电）或输出端要求无级调速时，可通过调整外部定子中三相绕组的电流，以调整输出模块中外磁圈组件C的转速以达到输出端恒转速（如风力发电）或无级调速要求。

现以一仅包含输入模块及连接模块且其级联数为2的传动装置为例，若设输入模块、连接模块的外磁圈组件的磁极数分别为：

a_I、a_II1、a_II2且a_I1=a_II1=a_II2=38

输入模块及连接模块的调磁环组件的调磁极块数分别为：

b_I、b_II1、b_II2且b_I1=b_II1=b_II2=46

输入模块及连接模块的内磁圈组件的磁极数分别为：

c_I、c_II1、c_II2且c_I1=c_II1=c_II2=8

则装置的减速传动比为：

$i_{\mathrm{II}1}=\frac{1}{\frac{a_{\mathrm{II}1}}{c_{\mathrm{II}1}}(\frac{a_I}{c_I}+1)+1}=\frac{1}{\frac{46}{8}(\frac{46}{8}+1)+1}\≈0.025$

$i_{\mathrm{II}2}=\frac{1}{-\frac{a_{\mathrm{II}2}}{c_{\mathrm{II}2}}(1-\frac{1}{i_{\mathrm{II}1}})+\frac{1}{i_{\mathrm{II}1}}}=\frac{1}{-\frac{46}{8}(1-\frac{1}{0.025})+\frac{1}{0.025}}\≈0.0038$

装置的增速传动比为

$\frac{1}{i_{\mathrm{II}2}}=\frac{1}{0.0038}=264.25$

即经过简单的两级级联后，若装置为减速输出，其输出转速为输入转速的0.0038倍；若装置为增速输出，其输出转速为输入转速的264.25倍；而每级分担的功率则仅为总输入的1/3。

本发明与现有磁性传动装置或技术相比，具有如下的突出性质和显著优点：

1、由于本发明采用多级传动结构，可实现输入端的功率分流，使每个参与传动的模块均匀承担所需的传递功率。

2、由于本发明采用多级传动结构，将输入的功率分流，大功率传动时，所需的径向尺寸可以较传统机械齿轮或磁性齿轮缩小很多。

3、由于本发明的输入模块、连接模块及输出模块的所有磁圈及调磁环均可参与运动，可在较小的传动空间内，实现较大的功率及传动比。

4、本发明是一种采用模块化磁力变速级联装置，经功率分流和级联变速后，该装置可实现任意所需的大功率及大传动比要求，适用于车辆、舰船、航空、风力发电及自动化工业所需的大功率及大传动比的机电传动系统。

5、本发明采用模块化级联方法，将多个具有相同或相似结构的磁性传动装置级联起来，可实现功率分流及大传动比传动。与传统的机械齿轮及磁性齿轮相比，本发明装置的传动功率及传动比越大，其所节约的空间也越大。

6、本发明的输入模块、连接模块和输出模块具有相同的结构特性及相似的传动特性，在研制过程中减少了加工制造的复杂性，可利用相同的生产工艺、设备，且提高了系统中零部件的互换性。

附图说明

本发明共有附图14张，其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是外磁圈组件结构图。

图4是外磁圈组件端面图

图5是调磁圈组件结构图。

图6是调磁圈组件端面图

图7是内磁圈组件结构图。

图8是内磁圈组件端面图

图9是图1的B-B剖面图。

图10是外部定子结构图。

图11是双层外磁圈组件截面图。

图12是无输出模块的结构示意图。

图13是控制系统简图。

图14是机械结构示意图。

图中：1、外磁圈组件A，2、调磁环组件A，3、内磁圈组件A，4、外磁圈组件B，5、调磁环组件B，6、内磁圈组件B，7、外部定子，8、外磁圈组件C，9、调磁环组件C，10、内磁圈组件C，11、动力输入源，12、输入联轴器，13、输出联轴器，14、瓦形永磁体A，15、环形轭铁A，16、纯铁或磁钢片，17、非导磁材料，18、瓦形永磁体B，19、环形轭铁B，20、定子铁心，21、三相绕组，22、导磁材料环，23、内层环形轭铁，24、外层环形轭铁，25、永磁体A，26、永磁体B，27、控制器，28、三相逆变器，29、光电编码器，30、输入轴A，31、外壳A，32、空心轴A，33、基座，34、双层连联轴器A，35、外环A，36、内环A，38、外壳B，39、输入轴B，41、外环B，42、空心轴B，43、双层联轴器B，44、外环B，45、内环B，46、输入轴C，47、前端盖，48、外壳C，49、后端盖，50、输出轴，51、轮毂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。如图1-14所示，一种磁力传动变速装置主要由输入模块、连接模块及输出模块构成。输入模块的磁通回路由三层组件和两层气隙构成：三层组件分别为外磁圈组件A1、调磁环组件A2和内磁圈组件A3。外磁圈组件A1由多块磁极相反的瓦形永磁体A14及环形轭铁A15组成；调磁环组件A2由多块纯铁或磁钢片16通过非导磁材料17以栅栏结构组成；内磁圈组件A3也由多块磁极相反的瓦形永磁体B18及环形轭铁B19组成。

连接模块与输入模块的磁通回路一致，也由三层组件和两层气隙构成，三层组件分别为外磁圈组件B4、调磁环组件B5和内磁圈组件B6，其组件结构与输入模块的对应组件完全相同。

输出模块的机械结构与输入模块及连接模块基本相同，不同的是在其外磁圈组件C8的外层又套装一层外部定子7，定子7中的绕组21通电后与外磁圈组件C8构成一组独立的磁通回路；输出模块的外磁圈组件C8为一内、外双层永磁体转子，其内层永磁体A25与调磁环组件C9、内磁圈组件C10及两层气隙构成磁齿轮磁通回路；外磁圈组件C8的外层永磁体B26与外部定子7及气隙构成类似于永磁电机的磁通回路；输出模块的端面结构如附图6所示。输出模块的外部定子7由硅钢片压制而成定子铁心20及其绕制于槽中的三相绕组21构成，其结构与普通永磁电机的定子结构相似。外磁圈组件C8由非导磁材料环22、内层环形轭铁23、外层环形轭铁24及内、外层的多块永磁体A25和永磁体B26组成，中间非导磁材料环22将外磁圈组件C8分为内外两层独立的磁性部件。

各级模块的联接方式为：输入模块的外磁圈组件A1及连接模块的调磁环组件B5分别与动力输入源11通过输入联轴器12相联，输入模块的内磁圈组件A3与连接模块的外磁圈组件B4相联，连接模块的内磁圈组件B6可与负载或输入模块的调磁环组件C9相联，输入模块的调磁圈组件2与基座固定。当级联数为1的模式满足不了输入端传动功率及传动比要求时，则可重复使用连接模块即增加级联数，按附图1所示方式进行联接，以形成多级传动，将输入端功率分流，并增大或减小传动比。输出模块为一转速精确调整模块，其调磁环组件C9与上级连接模块的内磁圈组件B6相联，而输出模块的内磁圈组件C10则与负载相联，外部定子7固定在基座上，双层磁结构的外磁圈组件C8受外部定子7中绕组21电流的作用，控制其旋转运动，以实现对内磁圈组件C10转速的精确调整。

当输出负载对转速的精确性要求较低或转速为定输入、定输出时，可取消输出模块，由连接模块的输出端通过输出联轴器13直接与负载相连。

附图1中，当输出端要求增速时，则输入模块与连接模块的外磁圈组件A1、外磁圈组件B4为低速圈磁极数较多的磁圈，内磁圈组件A3、内磁圈组件B6为高速圈磁极数较少的磁圈；当输出端要求减速时，则输入模块与连接模块的外磁圈组件A1、外磁圈组件B4为高速圈磁极数较少的磁圈，内磁圈组件A3、内磁圈组件B6为低速圈磁极数较多的磁圈。

在某些特定场合如风力发电，当输入端的载荷及转速易发生波动或输出端要求无级调速精确调整时，通过控制输出模块中外部定子7中的三相绕组21的电流，实现对外磁圈组件C8的调速控制，进而实现对输出转速的精确控制，输出模块的控制系统如附图11所示。附图11中，连接模块将转矩传递给输出模块的调磁环组件C9，此时内磁圈组件C10与调磁环组件C9以及外磁圈组件C8的内层永磁体A25组成一个完整的永磁齿轮系统，而外磁圈组件C8中的外层永磁体B26与外部定子7构成了另一个与永磁电机磁场回路基本相同的独立磁场回路，此时外磁圈组件C8的转速由外部定子绕组21中的电流控制。具体工作过程如下：如果从连接模块输出的转速，与期望值相符，不需要对之进行精确调整，则由以单片机或DSP为核心的控制器27向三相逆变器28发出指令，将从电网吸收的电能转化为三相直流电流，将外磁圈组件C8固定；若从连接模块接受到的转速大于或小于期望转速，则由控制器27向三相逆变器28发出指令，将从电网接受的电能转换为低频三相交流电，驱动外磁圈组件C8绕与输入轴转速相同或相反的方向旋转，以改变外磁圈组件C8与调磁环组件C9之间的相对转速，进而实现对内磁圈组件C10转速的精确调节。

由安装在输出轴50附近的光电编码器29检测输出转速是否满足要求，并将信号反馈于控制器27，经控制运算后，将控制信号传递给三相逆变器28，以控制定子21中的三相绕组电流。

为更加明晰本发明的具体实施方式，给出一个包含输入模块、连接模块级联数为1及输出模块的级联机构及其相应的机械结构示意图，见附图14。

动力源11将转矩传递给输入模块的输入轴A30，通过键联结，带动外壳A31旋转，输入模块的外磁圈组件A1压制在外壳A31内侧，使之与输入轴A30同步旋转；调磁环组件A2固定于基座33上静止不动；内磁圈组件A3压制在输出转矩的空心轴A32上，空心轴A32将内磁圈组件A3的转矩输出；同时输入模块还将输入轴A30的转矩直接输出。

输入模块与连接模块之间以双层连联轴器A34相连，分为外环A35与内环A36，两环之间以轴承相连，各自独立转动，外环A35传递空心轴A32的转矩，内环A36传递输入轴A30的转矩。

连接模块通过双层联轴器34，接受输入模块输出的内外双层转矩。连接模块的外磁圈组件B4压制在外壳B38内侧，与联轴器外环A35相联；调磁环组件B5的前端与连接模块的输入轴B39相联，轴39与联轴器内圈33相联，同时调磁环组件B5的后端与连接模块的输出空心轴B42相连，将转矩传递给双层联轴器B43的外环B41；内磁环组件6压制在轴40上，将转矩传递给双层联轴器B43的内环B45

输出模块作为精确调整模块，只接受双层连轴器43的内环B45转矩，输出模块的输入轴C46将内环转矩传递给调磁环组件9，驱动调磁环组件9旋转；输出模块的双层外磁圈组件C8固定于前端盖47及后端盖49上，通过轴承与外壳C48相连，其运动状态受外部定子7中三相绕组21的电流控制，外部定子7压制于定子外壳C48上；内磁圈组件C10压制在输出模块的输出轴50上，轴50为装置整体的转矩输出轴，与负载相连。

动力源11将转矩传递给输入模块的输入轴A30，通过键联结，带动外壳A31旋转，输入模块的外磁圈组件A1压制在外壳A31内侧，使之与输入轴A30同步旋转；调磁环组件A2固定于基座33上静止不动；内磁圈组件A3压制在输出转矩的空心轴A32上，空心轴A32将内磁圈组件A3的转矩输出；同时输入模块还将输入轴A30的转矩通过双层连联轴器A34的内环A36输出至连接模块的输入轴B39。

输入模块与连接模块之间以双层连联轴器A34相连，双层连联轴器A34分别由外环A35及内环A36组成，两环之间以轴承相连，各自独立转动，外环A35传递空心轴A32的转矩，内环A36传递输入轴A30的转矩。

连接模块通过双层联轴器34，接受输入模块输出的内外双层转矩。连接模块的外磁圈组件B4压制在外壳B38内侧，与联轴器外环A35相联；调磁环组件B5的前端与连接模块的输入轴B39相联，输入轴B39与联轴器的内环A36通过键相联，同时调磁环组件B5的后端与连接模块的输出空心轴B42相连，将转矩传递给双层联轴器B43的外环B44；内磁圈组件B6压制在轴40的轮毂51上，而轮毂51压制在轴40上，将转矩传递给双层联轴器B43的内环B45。

输出模块作为精确调整模块，只接受双层连轴器34的内环A36转矩，输出模块的输入轴C46将内环A36的转矩传递给调磁环组件9，驱动调磁环组件9旋转；输出模块的双层外磁圈组件C8分别固定于前端盖47及后端盖49上，通过轴承与外壳C48相连，其运动状态受外部定子7中三相绕组21的电流控制，外部定子7压制于定子外壳C48上；内磁圈组件C10压制在输出模块的输出轴50的轮毂51上，而轮毂51压制在轴50上，轴50作为装置整体的转矩输出轴，与负载相连。

Claims (1)

1.一种磁力传动变速装置，其特征在于：包括输入模块、连接模块和输出模块，所述的输入模块与连接模块通过双层联轴器连接，所述的连接模块与输出模块通过双层联轴器连接；

所述的输入模块的结构由外至内依次为外磁圈组件A1、调磁环组件A2和内磁圈组件A3，所述的外磁圈组件A1与调磁环组件A2之间、调磁环组件A2与内磁圈组件A3之间均有一层气隙；

所述的连接模块的结构与输入模块的结构相同，由外至内依次为外磁圈组件B4、调磁环组件B5和内磁圈组件B6，所述的外磁圈组件B4与调磁环组件B5之间、调磁环组件B5与内磁圈组件B6之间均有一层气隙； 

所述的输出模块的结构由外至内依次为外部定子（7）、外磁圈组件C8、调磁环组件C9和内磁圈组件C10，所述的外部定子（7）与外磁圈组件C8之间、外磁圈组件C8与调磁环组件C9之间、调磁环组件C9与内磁圈组件C10之间均有一层气隙；所述的外磁圈组件C8为一双层永磁体转子，外磁圈组件C8的外层还套装一层外部定子（7）；所述的外部定子（7）中的定子绕组（21）连接三相电流，用以精确调整所需要的输出转速；

所述的外磁圈组件A1与外磁圈组件B4结构相同，所述的调磁环组件A2、调磁环组件B5和调磁环组件C9结构相同，所述的内磁圈组件A3、内磁圈组件B6和内磁圈组件C10结构相同；

    所述的输入模块的外磁圈组件A1及连接模块的调磁环组件B5分别与动力输入源（11）通过输入联轴器（12）相联，输入模块的内磁圈组件A3与连接模块的外磁圈组件B4相联，连接模块的内磁圈组件B6与负载或输入模块的调磁环组件C9相联，输入模块的调磁环组件A2与基座固定；

所述的连接模块的级联数为1 个或多个，所述的连接模块的级联数有多个时，连接模块之间通过双层联轴器串联连接。

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