CN103370561A - 磁齿轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于实现在磁齿轮结构中减少磁铁内部产生的涡电流，高效地传递扭矩的磁齿轮。为了解决上述问题，在磁齿轮结构中采用在内侧转子部的铁芯的内部配置磁铁的结构。另外，该磁铁也可以使用例如由NdFeB的粉末成形的粘结磁体。极数多的外侧转子侧的涡电流的影响较大，因此也可以采用仅在极数多的外侧转子的内部配置磁铁的结构。另外，也可以将埋入的磁铁分割为多个。另外，磁铁的分割越细涡电流越难发生，因此进一步细分割进行组装的方法也有效。通过在轴向使具有与电磁钢板同等的厚度的板状的磁铁叠层而构成，也能够进一步减少涡电流。

Description

磁齿轮机构

技术领域

本发明涉及非接触传递扭矩的磁齿轮机构。

背景技术

在产业用设备、家用电器、汽车、铁路等的动力驱动源中使用电动机或原动机。在这些动力机械中，常常将电动机或原动机输出的输出扭矩和转速通过机械式齿轮（gear）减速并转换为所需的扭矩和转速来使用。然而，与机械式变速器（gearbox）一起使用高速电气设备时，虽然能够实现高的系统扭矩密度，但需要进行润滑和冷却。另外，可靠性也是重要的问题。着眼于所述问题而研究出的方案为非专利文献1或非专利文献2中公开的磁齿轮机构。该磁齿轮机构与机械式齿轮机构相比磨耗和发热所致的损失少，而且能够传递比较大的扭矩。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.33,No.2,2009《关于永磁式磁齿轮效率提高的考察》（「永久磁石式磁気ギアの効率向上に関する一考察」）

非专利文献2：Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.34,No.3,2010《关于永磁式磁齿轮的转子结构的研究》（「永久磁石式磁気ギアの回転子構造に関する検討」）

发明内容

发明要解决的课题

然而，在上述非专利文献1中，虽然公开了诸如在磁齿轮机构中堆积永磁铁并在厚度方向分割的结构，但终究还是计算得到的值，还留有如下问题，即在分割的各个磁铁中产生涡电流，损耗并引起发热。

另外，在上述非专利文献2中，公开了将磁齿轮机构的转子结构设为埋入磁铁型结构的结构，但存在如下问题，该结构只是为了不比表面磁铁型结构降低扭矩传递力而实施的一个实例，并不是专攻涡电流对策而大幅降低损失的结构，还是留有在靠近间隙（gap）磁铁的表面产生涡电流的问题。

于是，本发明目的在于，实现高效地传递扭矩的磁齿轮机构。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，优选构成为：磁齿轮机构具有：具有多个极的永磁铁的两个转子；和在该转子之间由软磁性材料构成的具有多个极的磁极片体，通过该磁极片调制各自的磁铁极数比的磁通来传递旋转，上述转子由软磁性材料的叠层体构成，永磁铁配置于软磁性材料的内部，使上述转子的永磁铁在与调制磁通的磁极片体相对的面露出而配置，并在轴向分割为多个。

发明效果

根据本发明，能偶实现高效地传递扭矩的磁齿轮机构。

附图说明

图1表示本发明的第一实施例的磁齿轮机构的横截面图。

图2表示本发明的第一实施例的磁齿轮机构的转子铁芯的轴向中央部截面结构。

图3是说明本发明的第一实施例的磁齿轮机构的磁铁配置状态的轴向截面图，（a）图表示现有的表面磁铁结构，（b）图表示本发明的埋入型磁铁结构。

图4表示本发明的第一实施例的埋入型磁铁结构与现有结构的磁铁和磁极片部的涡电流损失的计算结果的比较。

图5表示本发明的第二实施例的磁齿轮机构的磁铁保持状态下仅将多极侧设为埋入型结构的结构和此时的损失计算结构。

图6是本发明的第三实施例的磁齿轮机构的磁铁保持状态，表示在埋入磁铁的槽内分割的结构的例子和轴方向上也分割的结构。

图7是本发明的第四实施例的磁齿轮机构的磁铁保持状态的例子，表示采用表面磁铁型结构时通过磁铁分割减少涡电流的例子。

图8作为本发明的第五实施例的磁铁分割结构的极端例，表示将磁铁细分割为粒状进行组装的结构的例子。

图9表示作为本发明的第五实施例的将磁铁分割为粒状进行组装时的损失计算结果。

具体实施方式

以下，利用附图说明本发明的实施例。

实施例1

以下，利用图1和图2对本发明的第一实施例进行说明。

图1表示本发明的磁齿轮机构的横截面图。另外，图2表示作为图1所示的磁齿轮机构的磁性耦合部的中心的A-A截面。

首先，以图1为中心说明结构。保持磁轴承机构的转子的壳体由后支架31、外罩32、前支架33构成。

在附图左侧突出的轴21为低速侧转子的轴。该轴21为通过置于前支架的轴承24a、24b支承一侧的结构。但是，考虑到轴振动，将轴承24a与24b的轴间距离设为某一程度的距离。低速侧转子的材质为非磁性金属，由非磁性不锈钢、黄铜、铜、钛、铝等构成。这是为了不使多极磁铁产生的漏磁通流到转子轴。

低速侧转子轴21具有外转子（outer rotor）型的转子结构，在杯型的转子的内侧保持转子铁芯22。构成为，在该转子铁芯的间隙表面附近，具有插入磁铁的孔，在该孔配置有磁铁23。

此时，转子铁芯由电磁钢板或压粉磁芯、非晶体、坡明德合金等软磁性体构成。另外，磁铁在周方向配置有多个，并且配置为在极向相邻的磁铁中内方向（径向轴中心方向）与外方向（径向轴中心反方向）交替。软磁性体铁芯的转子表面形状中，插入磁铁的孔的周方向部以能够充分保持转子的强度的厚度尽量薄地构成。这样做的目的在于尽量减少相邻的极不同的磁铁间的磁通相互作用（授受）。本实施例的低速侧转子极数为34极（17极对）。

附图右侧的轴11为高速侧转子。轴11是通过轴承14a、14b两端支承的结构。采用的结构为在利用轴承支承的轴的中央，固定有电磁钢板或压粉磁芯、非晶体、坡明德合金等软磁性体的铁芯12，并且采用在该软磁性体的转子铁芯表面附近具有插入磁铁的孔并且在该孔配置有磁铁13的结构。该磁铁在周方向配置有多个，并且配置为极向在相邻的磁铁中内方向与外方向交替。软磁性体铁芯的转子表面形状中，插入磁铁的孔的周方向部以能够充分保持转子的强度的厚度尽量薄地构成。这样做的目的在于尽量减少相邻的极不同的磁铁间的磁通相互作用。本实施例的高速侧转子极数为14极（7极对）。

在高速侧转子与低速侧转子之间配置用于调制磁通的磁极片。此例中，在周方向以均等节距（pitch）配置24个磁极。为了使磁通穿过，磁极片1的材质由电磁钢板或压粉磁芯、非晶体、坡明德合金等软磁性材料构成。但是，出于防止磁通所致的涡电流的目的，对于电磁钢板等，在轴向使薄板叠层而构成。另外，如图1所示，磁极片1需要使高速侧转子与低速侧转子的磁极的轴向长度一致或缩短。其目的在于防止磁铁的磁通在轴向扩散而降低磁通密度。

另外，原因还在于对于在轴向使电磁钢板叠层而制成的磁极片，磁通在轴向作用，从而在软磁性材料的板的面方向产生涡电流造成损失（热）。因此，需要具有与转子磁极相同的轴向长度，以能够使磁通不在轴向扩散地相互作用。磁极片在周方向等节距地具有24个，该磁极片与磁极片之间需要由非磁性体且非导电性的材料构成。在本实施例中，磁极片的周围与磁极片间由高强度树脂材料或陶瓷构成，磁极片被包围在这两个部件之中。与转子的间隙尺寸越小越好，因此，与间隙的相对面需要非常薄地构成。

包围有该磁极片的磁极片体固定于保持该磁极片体的磁极片保持基座3，该磁极片保持基座3构成为以相对于后侧支架31能够旋转的方式被轴承4a、4b支承。其目的在于通过使磁极片体旋转，改变传递旋转扭矩的齿轮传动比（速度比）。本磁齿轮的齿轮传动比（速度比）由高速侧转子与低速侧转子的极对数之比决定。在本实施例中，高速侧的极对数为7，低速侧的极对数为17，因此齿轮传动比（速度比）为17除以7得到的2.43。

该齿轮传动比为磁极片体静止时的齿轮传动比，因此，通过磁极片体旋转，由于高速与磁极片体、磁极片体与低速侧的磁极片体的相对速度改变，因此能够连续地改变齿轮传动比。于是，在本实施例中，采用的结构为在固定有磁极片体的磁极片保持基座3的外周部安装齿轮机构37，经由配置在固定于后侧支架31的电动机35的输出轴前端的小齿轮，使磁极片保持基座3能够相对于后侧支架31旋转。

图3表示各种磁铁保持形状和磁极片结构的例子。图3（a）表示现有的磁齿轮的一般的结构。磁耦合部的磁铁为在转子表面有磁铁露出的结构。因此高频磁通从磁铁的表面流入内部，在磁铁内部产生涡电流损失（热）。因为该涡电流在阻碍磁通的方向流过，因此抵消了有效磁通，也降低了效率。

图3（b）表示本实施例的磁铁配置结构。由于采用在软磁性材料的内部埋入磁铁的形式，称作埋入磁铁型。在该结构中，磁铁的表面没有在与磁极片相对的齿轮面露出，产生在齿轮面上的高频磁通在软磁性材料的磁极表面处接收。

软磁性材料的铁芯如上所述采用在轴向使电磁钢板、非晶体等叠层的结构，因此成为对该高频磁通也难以产生涡电流损失的结构。另外，由压粉磁芯等构成铁芯时，能够使对高频的磁通的涡电流损失几乎为零。磁极片的结构也在图3（a）和图3（b）中表示不同的结构。图3（a）中，磁极片以等节距配置，它们之间由非磁性且非导电性的材料构成。

图3（b）表示考虑到由电磁钢板等铁板制作，通过一次冲压就能够将整体制作的形状。设置薄壁的桥形件，并且构成为将不构成磁极片的部分作为空隙打通的形状，从而制造变容易。可以认为通过饱和能够使桥形件处于与空隙相同的状态，优选尽量薄地构成桥形件，以能够减少直到实现饱和为止的磁通。作为本实施例的特征举出：利用厚度为0.35mm的电磁钢板时，构成为薄至上述厚度的七成左右的0.3mm左右。

图4表示利用FEA（Finite Element Analysis：有限元分析）计算图3的结构下的涡电流损失的结果。适用于产业的AC伺服电机等的主流的额定转速为3000r/min。于是，将输出侧（低速侧）的转速设为3000r/min进行了计算，图3是计算低速侧为3000r/min并且以传递最大扭矩的相位关系旋转时的涡电流损失的结果。磁铁的材质为NdFeB的烧制稀土类磁铁。磁铁的残留磁通密度为1.25T，电阻率为14.4μΩm。此时，在图3（a）的结构中，将磁铁与磁极片的损失相加得到的损失为1901W，齿轮效率降低为68%。在本实施例的埋入型磁铁结构中，即图3（b）的结构中，将磁铁与磁极片的损失相加得到的损失低至83W，能够得到齿轮效率高至96%的效率。这样，能够通过抑制磁铁内部与磁极片部的涡电流损失，实现能够以非常高的效率传递扭矩的磁齿轮结构（磁齿轮）。

实施例2

接着，利用图5对本发明的第二实施例进行说明。

观察第一实施例的图4所示的表面磁铁型的涡电流损失的计算结果可知，低速侧的损失远远大于高速侧的损失。此处，表面磁铁型是指在转子的表面形成有磁铁。从而可知，不是将两个转子均设为埋入结构，而是仅将损失较大的高速侧的转子设为埋入结构，由此，能够得到大大减少涡电流损失的效果。图5表示将高速侧的磁铁设为表面磁铁型并且将高速侧的磁铁设为埋入结构的例子。图5（b）表示该结构的涡电流损失计算结果。可知，高速侧的损失与两者都为表面磁铁型时相比减少，低速侧的损失能够大幅减少。这样，仅通过至少将一个转子设为埋入磁铁结构，也能够得到效率充分高的齿轮。

实施例3

接着，利用图6说明本发明的第三实施例。

图4、图5所示的涡电流损失的计算结果中，得到了即使采用本实施例的埋入磁铁型也无法使低速侧（多极侧）的涡电流损失为零的结果。其原因在于高频磁通存在于磁铁内。于是，为了进一步减少涡电流损失，需要使电流难以在磁铁中流过。于是，在第三实施例中表示通过分割磁铁将磁铁的内部的电流细分使电流不流过磁铁间的结构。图6（a）表示在磁铁插入槽内部磁铁被分割为多个的例子。另外，图6（b）表示轴向上的图。在轴向上也通过分割磁铁，能够减小磁铁的涡电流的回路，因此能够大幅减少涡电流损失。

实施例4

利用图7对本发明的第四实施例进行说明。

通过将磁铁细分割使涡电流难以流过的结构在表面磁铁型中也有效。因此，如图7所示，在表面磁铁型的情况下，也将通过在轴向、周方向分割磁铁来防止涡电流作为目的，构成磁齿轮的转子。图7表示该例。如上所示，低速侧（多极）侧的涡电流增大，因此需要使低速侧转子的分割比高速侧转子的分割更细。

实施例5

利用图8说明本发明的第五实施例。

图8表示作为前面分割的延伸将转子磁铁极端分割的例子。采用将磁铁细分割为粉末状成形的方法。根据此方法，磁铁只能在颗粒的大小之中形成涡电流回路，因此涡电流几乎能够变为零。磁铁的成形利用能够磁场取向的模具进行。准备适当量的细分割至数十μm大小的磁铁粉末材料41，并且利用在模具（die）43内填充对模具（punch）44施加压力进行冲压成形等方法成形。此时，一边使电流通过配置在模具43内的磁场取向用的线圈42，一边进行成形，由此能够将磁铁的易磁化方向高精度地取向为使电流流过而产生的磁场的方向。

将利用这种方法制成的磁铁13或23组装于转子，就能够构成几乎没有涡电流的磁齿轮。

冲压成形中使用的磁铁材料为NdFeB磁铁的粉末或SmFeN的粉末也能够获得高磁通密度的材料。SmFeN比NdFeB电阻高，因此不仅能够得到进一步减少涡电流的效果，而且即使以更大的粒径成形也能够得到涡电流的减少效果强等效果。

图9表示利用由NdFeB粉末成形的磁铁的电阻率的测量结果350μΩm的值计算图3（a）所示的形状的磁铁中产生的损失的结果。计算条件假设为低速侧的转速为3000r/min，以传递最大扭矩的相位关系旋转的情况。结果，高速侧的磁铁中产生的涡电流损失几乎为零，低速侧（多极侧）也得到了低至4W的结果。此时的齿轮传动为99.1%，处于几乎不发生齿轮部分的损失的状态。

另外，利用如上所述的方法制造的磁铁（粘接磁铁）存在热脆弱且磁力也较弱的问题，作为如上述实施例所示的扭矩传递机构的一种的磁齿轮结构（磁齿轮）与电动机不同，主要着眼于高效地传递扭矩，而不像电动机那样需要磁力，因此只要使用由上述的方法制造的磁铁就能够最大限度地利用其优点。在如上述实施例所示的磁齿轮中，与机械式齿轮结构不同，既不会机械接触，发热作用也低，从而在使用粘结磁体的方面上看合适。

产业上的可利用性

根据本实施例的磁齿轮机构能够利用于家电、产业、汽车、铁路、机器人等，具有利用电动机或原动机产生动力并且将其增速或减速并传递动力的机构的广泛的用途。另外，也能够应用于与将风力、水力、核动力、火力等动能转换为电的发电机相连的动力传递机构。

附图符号

1 磁极片

2 非磁性部件

3 磁极片保持基座

4a、4b、14a、14b、24a、24b 轴承

11 轴

12 铁芯

13、23 磁铁

21 低速侧转子的轴

22 转子铁芯

31 后支架

32 外罩

33 前支架

34 轴承压板

35 磁极片组驱动用电动机

36 小齿轮

37 平齿轮

41 磁铁粉末

42 取向控制用线圈

43 模具（die）

44 模具（punch）

45 电源

Claims (4)

1.一种磁齿轮机构，其特征在于，具有：

具有多个极的永磁铁的两个转子；和

在该转子之间由软磁性材料构成的具有多个极的磁极片体，

通过该磁极片调制各自的磁铁极数比的磁通来传递旋转，

所述转子由软磁性材料的叠层体构成，永磁铁配置于软磁性材料的内部，

使所述转子的永磁铁在与调制磁通的磁极片体相对的面露出而配置，并在轴向分割为多个。

2.如权利要求1所述的磁齿轮机构，其特征在于：

磁铁的分割数在多极侧的磁铁与少极侧的磁铁中不同，多极侧的磁铁的分割数较多。

3.如权利要求1所述的磁齿轮机构，其特征在于：

磁极片叠层电磁钢板等铁板而构成，其形状构成为在周方向上做成一体，作为孔挖通了空隙部的形状。

4.一种磁齿轮机构，其特征在于，具有：

具有多个极的永磁铁的两个转子；和

在该转子之间具有多个极的磁极片体，

使用将所述转子的永久磁铁细分割为粉末状的状态一边进行磁场取向一边成形的磁铁作为转子。

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