CN102996752B - 横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副 - Google Patents

Abstract

横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，可广泛应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。其特征是：由其上分布有2p₁个大磁盘永磁体1的圆盘形大磁盘、其上分布有2p₂个行星磁盘永磁体2的圆盘形行星磁盘构成一对磁性传动齿轮副，极数2p₁与2p₂之间极数差较小，两磁盘上的永磁体通过两磁盘间的气隙横向磁场而耦合，并由套装有轴承二12、轴承三13的偏心输入轴3将少极差的两磁盘连接成偏心结构，偏心输入轴3带动行星轮盘5绕旋转轴线公转，偏心公转的行星磁盘永磁体2与大磁盘永磁体1通过磁场耦合驱使行星轮盘绕自身轴线反向自转，再通过孔销式输出结构将行星轮盘的低速自转输出。

Description

横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副

技术领域

本发明是一种横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，是一种利用磁性齿轮传动技术来实现高转速低力矩机械能与低转速大力矩机械能相互转换的变速传动装置，可直接取代常规的机械齿轮传动变速系统，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，而且机械式齿轮传动的理论效率最多也只能达到85％，而常规高变速比的机械齿轮变速系统传动效率更低、噪声更大、可靠性很差，整个传动系统体积大。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。

我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对我国有现实的意义。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年英国工程师从理论和样机的具体实践上完成了一种新型径向磁场磁性齿轮的设计工作，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；但是，英国人提出的磁性齿轮结构采用传递力矩相对较小的径向磁场结构，这种径向磁场结构的磁性齿轮所传递的功率密度和力矩密度都不及横向磁场结构的磁性齿轮。本案发明人在之前的多项专利申请案(201110142746.2、201120177813.X、201110170001.7、201120210494.8及201120327120.4)中也分别首次提出了新型横向磁场结构和斜向磁场结构的磁性传动齿轮副新结构以及其具体应用结构。以上提出的关于磁性齿轮各种新结构方案都有一个共同特点，即都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。

以上几种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，即稀土永磁体的利用率理论上就低于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，根据稀土磁材的退磁特性可知：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，从而影响所传递的扭矩大小。这两大缺陷导致基于磁场调制技术的磁性齿轮所耗用的昂贵稀土材料的量相对比较大。所以，要降低磁性齿轮传动技术的成本，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。

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两大致命缺陷，本技术发明的目的在于提供一种新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副新结构。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，将输入给偏心结构的行星轮的公转通过永磁材料N极与S极异极性相吸引的原理来实现行星轮的自转，经孔销式输出结构将行星轮自转输出，从而实现了无机械接触、无摩擦的动力变速传动。

以下结合图2来说明这种横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的原理及结构特征，图中：项1为大磁盘永磁体，项2为行星磁盘永磁体，项3为偏心输入轴，项4为大磁盘盖，项5为行星轮盘，项6为机壳，项7为销轴套，项8为转动盘，项9为轴承一，项10为输出轴，项11为后端盖，项12为轴承二，项13为轴承三；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表示行星轮盘5与大磁盘盖4的偏心距，D₁表示大磁盘永磁体1的外径，D₂表示行星磁盘永磁体2的外径，n₁、T₁表示偏心输入轴3的输入转速和输入力矩，n₂、T₂表示输出轴10的输出转速和输出力矩，2p₁表示大磁盘永磁体1的分布极数，2p₂表示行星磁盘永磁体2的分布极数，d_o表示销轴套7的外径，d_H表示行星轮盘5上的销轴孔的内径，A表示A向视图代号。

从图2的工作原理拓扑图可知，横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形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：偏心输入轴3带动行星轮盘5绕旋转轴线公转，偏心公转的行星轮盘上的行星磁盘永磁体2与大磁盘永磁体1通过磁场耦合驱使行星轮盘绕自身轴线反向自转，再通过孔销式输出结构或图中虚线所示的双万向节机构将行星轮盘的低速自转输出。从图2可知：第一，从理论上突破了磁场调制技术的约束，取消了导磁栅铁心，两磁盘上的永磁体呈少极差特征，通过少极差耦合把基于磁场调制技术的磁性齿轮小于50％的磁极耦合面积提高到了70％左右，理论上可以达到75％，A向视图阴影斜线遮盖部分展示出两磁盘上永磁体耦合的区域大小；第二，采用平面的横向磁场单气隙结构，比磁场调制技术的磁性齿轮减少一个气隙，从而在达到相同磁通量的条件下可大大减小永磁体的厚度。

横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的结构特征是：

(一)、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由其上分布有2p₁个大磁盘永磁体1的圆盘形大磁盘、其上分布有2p₂个行星磁盘永磁体2的圆盘形行星磁盘、以及偏心输入轴3、轴承二12、轴承三13构成一对磁性传动齿轮副，两磁盘上的永久磁场穿过两磁盘之间的平面气隙而相互耦合，形成磁性传动齿轮副的横向磁场；大磁盘永磁体1的分布极数2p₁与行星磁盘永磁体2的分布极数2p₂之间极数差较小，极对数p₁和p₂为正整数对，并满足以下关系约束：

p₁＞p₂，且1≤p₁-p₂＜4；

(二)、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘与行星磁盘呈偏心分布结构，由套装有轴承二12、轴承三13的偏心输入轴3将少极差的两磁盘连接成偏心结构；其中，行星轮盘5与大磁盘盖4的偏心距a、大磁盘永磁体1外径D₁、行星磁盘永磁体2外径D₂、以及极对数p₁和p₂满足以下结构关系式约束：

D₁÷D₂＝p₁÷p₂且a＝0.5×(D₁-D₂)；

(三)、绕偏心输入轴3与中心轴线公转的行星轮盘5后端通过孔销式输出结构与销轴套7、转动盘8、输出轴10连接，将偏心距为a的行星轮盘5的自转转换到输出轴10旋转中心转动的孔销式结构尺寸，即销轴套7的外径d_o、行星轮盘5销轴孔的内径d_H，必须满足以下结构关系约束：

d_H＝d_o+2a；

(四)、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由螺栓将大磁盘盖4、后端盖11与机壳6紧固装配为整体结构，其输出方式分为两种：一为机壳6固定而输出轴10旋转输出力矩T₂和转速n₂,二为输出轴10固定而机壳6旋转输出力矩T₂和转速n₂，其输入和输出的旋转方向彼此相反，传动关系满足以下关系约束：

$\frac{T_2}{T_1}=\frac{n_1}{n_2}=-\frac{p_2}{p_1-p_2}.$

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,本发明涉及的新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副具有如下明显的优势：

①能量损耗小,传动效率高：由于消除了普通机械式齿轮传动副的接触摩擦,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96％，比机械齿轮传动普遍提高10％；

②单位体积传送的转矩密度高，为普通电机的10倍：研究表明，稀土永磁无刷电机在自然冷却、强制风冷、水冷却的条件下，其传送的转矩密度可分别达到10kN.m/m³、20kN.m/m³、30kN.m/m³，横向磁通稀土永磁电机传送的转矩密度可达40～80kN.m/m³，而本新型斜向气隙磁场的稀土磁性传动齿轮所传送的转矩密度可高于100kN.m/m³；

③可靠性高,寿命长：由于无机械接触，故无机械摩损，无需润滑，清洁、无油污、防尘防水等；

④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，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；

⑤具有过载保护作用，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，且结构简单；

⑥转速传动比恒定，转速的动态瞬时稳定度高，运行平稳；

另外，与基于磁场调制技术的磁性齿轮相比也具有无可比拟的优势：

⑦传动比可设计得更大，一级磁性齿轮副的传动比就可以达到100以上，两级少极差磁性齿轮副串联可以达到1000以上，没有磁场调制技术的磁性齿轮副的磁场调制导磁栅铁芯的机械强度制约；

⑧结构更简单、更紧凑，体积小、重量轻，比磁场调制技术的磁性齿轮副减轻重量可以达到35％以上

⑨节省稀土永磁材料的单台消耗，提高单位力矩密度和功率密度达一倍以上，极大地节省了单台装置的成本。

附图说明

图1是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的平面结构全剖面图。

图2是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的工作原理拓扑图。

图3是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘立体结构图。

图4是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的行星磁盘立体结构图。

以上图中：1.大磁盘永磁体，2.行星磁盘永磁体，3.偏心输入轴，4.大磁盘盖，5.行星轮盘，6.机壳，7.销轴套，8.转动盘，9.轴承一，10.输出轴，11.后端盖，12.轴承二，13.轴承三；

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表示行星轮盘5与大磁盘盖4的偏心距，D₁表示大磁盘永磁体1的外径，D₂表示行星磁盘永磁体2的外径，n₁、T₁表示偏心输入轴3的输入转速和输入力矩，n₂、T₂表示输出轴10的输出转速和输出力矩，2p₁表示大磁盘永磁体1的分布极数，2p₂表示行星磁盘永磁体2的分布极数，d_o表示销轴套7的外径，d_H表示行星轮盘5上的销轴孔的内径，A表示A向视图代号。

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是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的平面结构全剖面图，图2是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的工作原理拓扑图，图3是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘立体结构图，图4是横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的行星磁盘立体结构图。

一、从图2可知横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的工作原理为：偏心输入轴3带动行星轮盘5绕旋转轴线公转，偏心公转的行星轮盘上的行星磁盘永磁体2与大磁盘永磁体1通过磁场耦合驱使行星轮盘绕自身轴线反向自转，再通过孔销式输出结构或图中虚线所示的双万向节机构将行星轮盘的低速自转输出；图中A向视图阴影斜线遮盖部分展示出两磁盘上永磁体耦合的区域大小。

从图1、图3和图4可以看出横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的内部结构特征如下：

二、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由其上分布有2p₁个大磁盘永磁体1的圆盘形大磁盘、其上分布有2p₂个行星磁盘永磁体2的圆盘形行星磁盘、以及偏心输入轴3、轴承二12、轴承三13构成一对磁性传动齿轮副，两磁盘上的永久磁场穿过两磁盘之间的平面气隙而相互耦合，形成磁性传动齿轮副的横向磁场；大磁盘永磁体1的分布极数2p₁与行星磁盘永磁体2的分布极数2p₂之间极数差较小，极对数p₁和p₂为正整数对，并满足以下关系约束：

p₁＞p₂，且1≤p₁-p₂＜4；

三、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘与行星磁盘呈偏心分布结构，由套装有轴承二12、轴承三13的偏心输入轴3将少极差的两磁盘连接成偏心结构；其中，行星轮盘5与大磁盘盖4的偏心距a、大磁盘永磁体1外径D₁、行星磁盘永磁体2外径D₂、以及极对数p₁和p₂满足以下结构关系式约束：

D₁÷D₂＝p₁÷p₂且a＝0.5×(D₁-D₂)；

四、绕偏心输入轴(3)与中心轴线公转的行星轮盘5后端通过孔销式输出结构与销轴套7、转动盘8、输出轴10连接，将偏心距为a的行星轮盘5的自转转换到输出轴10旋转中心转动的孔销式结构尺寸，即销轴套7的外径d_o、行星轮盘5销轴孔的内径d_H，必须满足以下结构关系约束：

d_H＝d_o+2a；

五、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由螺栓将大磁盘盖4、后端盖11与机壳6紧固装配为整体结构，其输出方式分为两种：一为机壳6固定而输出轴10旋转输出力矩T₂和转速n₂,二为输出轴10固定而机壳6旋转输出力矩T₂和转速n₂，其输入和输出的旋转方向彼此相反，传动关系满足以下关系约束：

$\frac{T_2}{T_1}=\frac{n_1}{n_2}=-\frac{p_2}{p_1-p_2}.$

六、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的行星磁盘的结构特征是：偏心且绕旋转中心轴线公转的圆盘形行星磁盘是主动轮，它由2p₂个行星磁盘永磁体2、行星轮盘5组成；行星磁盘永磁体2用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于行星轮盘5的圆环平面上，行星轮盘5由导磁的钢板经常规的机械切削加工制成，在行星轮盘5的背面加工有将其自转转换到输出轴10旋转中心转动的孔销式结构所需要的圆周均布销孔。

七、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘的特征是：驱使偏心且绕旋转中心轴线公转的圆盘形行星磁盘同时产生自转的从动机构是圆盘形大磁盘，它由2p₁个大磁盘永磁体1、大磁盘盖4组成；大磁盘永磁体1用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于大磁盘盖4的圆环平面上，大磁盘盖4由导磁的钢板经常规的机械切削加工制成，大磁盘盖4同时兼作为端盖与机壳6紧固装配为一体。

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.横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，其特征是：

一、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由其上分布有2p₁个大磁盘永磁体(1)的圆盘形大磁盘、其上分布有2p₂个行星磁盘永磁体(2)的圆盘形行星磁盘、以及偏心输入轴(3)、轴承二(12)、轴承三(13)构成一对磁性传动齿轮副，两磁盘上的永久磁场穿过两磁盘之间的平面气隙而相互耦合，形成磁性传动齿轮副的横向磁场；大磁盘永磁体(1)的分布极数2p₁与行星磁盘永磁体(2)的分布极数2p₂之间极数差较小，极对数p₁和p₂为正整数对，并满足以下关系约束：

p₁＞p₂，且1≤p₁-p₂＜4；

二、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘与行星磁盘呈偏心分布结构，由套装有轴承二(12)、轴承三(13)的偏心输入轴(3)将少极差的两磁盘连接成偏心结构；其中，行星轮盘(5)与大磁盘盖(4)的偏心距a、大磁盘永磁体(1)外径D₁、行星磁盘永磁体(2)外径D₂、以及极对数p₁和p₂满足以下结构关系式约束：

D₁÷D₂＝p₁÷p₂且a＝0.5×(D₁-D₂)；

三、绕偏心输入轴(3)与中心轴线公转的行星轮盘(5)后端通过孔销式输出结构与销轴套(7)、转动盘(8)、输出轴(10)连接，将偏心距为a的行星轮盘(5)的自转转换到输出轴(10)旋转中心转动的孔销式结构尺寸，即销轴套(7)的外径d_o、行星轮盘(5)销轴孔的内径d_H，必须满足以下结构关系约束：

d_H＝d_o+2a；

四、横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由螺栓将大磁盘盖(4)、后端盖(11)与机壳(6)紧固装配为整体结构，其输出方式分为两种：一为机壳(6)固定而输出轴(10)旋转输出力矩T₂和转速n₂,二为输出轴(10)固定而机壳(6)旋转输出力矩T₂和转速n₂，其输入和输出的旋转方向彼此相反，传动关系满足以下关系约束：

$\frac{T_2}{T_1}=\frac{n_1}{n_2}=-\frac{p_2}{p_1-p_2}.$

2.根据权利要求1所述的横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，其特征是：偏心且绕旋转中心轴线公转的圆盘形行星磁盘是主动轮，它由2p₂个行星磁盘永磁体(2)、行星轮盘(5)组成；行星磁盘永磁体(2)用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于行星轮盘(5)的圆环平面上，行星轮盘(5)由导磁的钢板经常规的机械切削加工制成，在行星轮盘(5)的背面加工有将其自转转换到输出轴(10)旋转中心转动的孔销式结构所需要的圆周均布销孔。

3.根据权利要求1所述的横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，其特征是：驱使偏心且绕旋转中心轴线公转的圆盘形行星磁盘同时产生自转的从动机构是圆盘形大磁盘，它由2p₁个大磁盘永磁体(1)、大磁盘盖(4)组成；大磁盘永磁体(1)用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于大磁盘盖(4)的圆环平面上，大磁盘盖(4)由导磁的钢板经常规的机械切削加工制成，大磁盘盖(4)同时兼作为端盖与机壳(6)紧固装配为一体。