CN103697141A - 磁场调制式永磁齿轮 - Google Patents

Abstract

磁场调制式永磁齿轮，属于永磁齿轮技术领域。本发明为了解决永磁齿轮的永磁体端部漏磁由于没被充分利用，而造成永磁体的利用率低的问题。它内转子轭与外转子轭之间为气隙，内转子轭的外侧壁表面沿圆周方向布设2N₁块内转子永磁体，相邻内转子永磁体的极性相反；外转子轭的内侧壁表面沿圆周方向布设2N₂块外转子永磁体，相邻外转子永磁体的极性相反；调磁环固定嵌放在内转子轭与外转子轭之间，调磁环侧壁的轴向截面为工字形，其工字形的中间竖直段与内转子轭和外转子轭在轴向的位置相对应，工字形的上水平段和下水平段在内转子轭和外转子轭的轴向的两端沿径向延伸。本发明为一种永磁齿轮。

Description

磁场调制式永磁齿轮

技术领域

本发明涉及磁场调制式永磁齿轮，属于永磁齿轮技术领域。

背景技术

永磁齿轮与机械齿轮类似，都是一种动力传递机构。相比于机械齿轮，永磁齿轮的输入端与输出端由于没有物理接触，而具有特殊的优势，即：1）降低噪声和振动；2）无需润滑，可减少维护，增加可靠性；3）具有过载保护能力；4）由于输入端和输出端的无接触性的特点，在有毒、有害流体泵类驱动中有巨大优势。永磁齿轮通过调整其内外转子上永磁体的个数，就可以获得不同的传动比。

现有的永磁齿轮中，由于永磁体的端部漏磁没被充分利用，造成永磁体的利用率低。

发明内容

本发明目的是为了解决永磁齿轮的永磁体端部漏磁由于没被充分利用，而造成永磁体的利用率低的问题，提供了一种磁场调制式永磁齿轮。

本发明所述磁场调制式永磁齿轮，它包括内转子轭、2N₁块内转子永磁体、外转子轭和2N₂块外转子永磁体，N₁和N₂均为正整数，且N₂>N₁；它还包括调磁环，

内转子轭与外转子轭之间为气隙，内转子轭的外侧壁表面沿圆周方向布设2N₁块内转子永磁体，相邻内转子永磁体的极性相反；外转子轭的内侧壁表面沿圆周方向布设2N₂块外转子永磁体，相邻外转子永磁体的极性相反；调磁环固定嵌放在内转子轭与外转子轭之间，并且与内转子轭之间形成内层气隙，与外转子轭之间形成外层气隙，调磁环侧壁的轴向截面为工字形，其工字形的中间竖直段与内转子轭和外转子轭在轴向的位置相对应，工字形的上水平段和下水平段在内转子轭和外转子轭的轴向的两端沿径向延伸；

调磁环由N₁+N₂块铁心块和N₁+N₂块非导磁块组成，铁心块和非导磁块沿圆周方向相间隔设置。

调磁环侧壁轴向截面的工字形上水平段和下水平段的长度相同，该上水平段内径与内转子轭的外径相同，上水平段外径与外转子轭的内径相同。

它还包括外壳，内转子轭、外转子轭和调磁环均设置在外壳内，调磁环固定在外壳上。

内转子轭、外转子轭和调磁环均为由硅钢片沿轴向叠压而成。

本发明的优点：本发明对现有永磁齿轮的结构进行了改进，它充分利用了内转子轭和外转子轭上永磁体的端部漏磁，通过增加调磁环的方式，为内转子永磁体和外转子永磁体在端部的漏磁提供了磁路，使其端部漏磁沿着调磁环走。调磁环的侧壁的轴向截面为工字形，能够覆盖内外转子永磁体的端部，对端部漏磁的调制达到了更好的效果。本发明提高了永磁体的利用率，并能够极大提高齿轮的转矩密度。

本发明所述永磁齿轮的转矩传递平稳性高。

附图说明

图1是本发明所述磁场调制式永磁齿轮的结构示意图；

图2是调磁环的铁心块和非导磁块的排布示意图；

图3是内转子永磁体、外转子永磁体和调磁环的位置对应关系示意图；

图4是磁场调制式永磁齿轮的立体结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述磁场调制式永磁齿轮，它包括内转子轭1、2N₁块内转子永磁体2、外转子轭3和2N₂块外转子永磁体4，N₁和N₂均为正整数，且N₂>N₁；它还包括调磁环5，

内转子轭1与外转子轭3之间为气隙，内转子轭1的外侧壁表面沿圆周方向布设2N₁块内转子永磁体2，相邻内转子永磁体2的极性相反；外转子轭3的内侧壁表面沿圆周方向布设2N₂块外转子永磁体4，相邻外转子永磁体4的极性相反；调磁环5固定嵌放在内转子轭1与外转子轭3之间，并且与内转子轭1之间形成内层气隙，与外转子轭3之间形成外层气隙，调磁环5侧壁的轴向截面为工字形，其工字形的中间竖直段与内转子轭1和外转子轭3在轴向的位置相对应，工字形的上水平段和下水平段在内转子轭1和外转子轭3的轴向的两端沿径向延伸；

调磁环5由N₁+N₂块铁心块5-1和N₁+N₂块非导磁块5-2组成，铁心块5-1和非导磁块5-2沿圆周方向相间隔设置。

本实施方式中，在径向上，调磁环5与内转子轭1和外转子轭3分别形成内外两层气隙；在轴向上，调磁环5与相应永磁体的端部形成气隙。内转子永磁体2和外转子永磁体4产生的磁场经过调磁环5的调制后在在气隙内相互作用，即实现齿轮转矩的平稳传递。所述永磁齿轮的传动比为N2：N1。内转子轭1和外转子轭3上的永磁体均为表贴式。

本发明的工作原理是：具有p对永磁磁极的转子以速度Ω_r旋转时，永磁体所产生的磁场经过静止的调磁环调制后，假定调磁环调磁铁心数为n_s，在气隙中形成一空间分布磁场，该磁场在半径为r，空间角度为θ处的磁感应强度径向分量B_r(r,θ)可表示为：

$B_r(r,\mathrm{\θ})=(\underset{m=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos (\mathrm{mp}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\Ω}}_{r}t)+\mathrm{mp}{\mathrm{\θ}}_0)\×({\mathrm{\λ}}_{r0}\left(r\right)+\underset{j-\mathrm{1,2,3},...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)\cos \left({\mathrm{jn}}_s\mathrm{\θ}\right)),---\left(1\right)$

其中：b_rm为没有调磁铁心时气隙磁场磁感应强度径向分量傅立叶系数；t为时间变量；θ₀为初始空间相位角；λ_r0为调磁环磁导平均值；λ_rj为引入调磁铁心后,调磁铁心对磁场径向分量调制函数的傅立叶分解系数。

通过变换,式(1)可以写成如下形式：

$\begin{array}{c}{B}_r(r,\mathrm{\θ})={\mathrm{\λ}}_{r0}\underset{m=\mathrm{1,3,4},...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos (\mathrm{mp}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\Ω}}_{r}t)+\mathrm{mp}{\mathrm{\θ}}_0)\\ +\frac{1}{2}\underset{m=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3},...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ((\mathrm{mp}+{\mathrm{jn}}_s)(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{mp}{\mathrm{\Ω}}_r}{\mathrm{mp}+{\mathrm{jn}}_s}t)+\mathrm{mp}{\mathrm{\θ}}_0)\\ +\frac{1}{2}\underset{m=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3},...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ((\mathrm{mp}-{\mathrm{jn}}_s)(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{mp}{\mathrm{\Ω}}_r}{\mathrm{mp}+{\mathrm{jn}}_s}t)+\mathrm{mp}{\mathrm{\θ}}_0)\end{array},,---\left(2\right)$

从谐波分析的角度看，式(2)中余弦函数内空间角度θ的系数表征的是谐波次数。综合式(2)中空间角度θ的系数,该气隙磁场所包含的各次谐波磁场次数可统一表示为：

p_m,k=|mp+kn_s|

m=1,3,5,...,∞，         (3)

k=0,±1,±2,±3,...±∞

同理从谐波分析的角度看，式(2)中余弦函数内时间变量t的系数表征的是谐波磁场对应的旋转速度。综合式(2)中时间变量t的系数，该气隙磁场所包含的各次谐波磁场对应旋转速度可统一表示为：

${\mathrm{\Ω}}_{m,k}=\frac{\mathrm{mp}}{\mathrm{mp}+{\mathrm{kn}}_s}{\mathrm{\Ω}}_r$

m=1,3,5,...,∞，      (4)

k=0,±1,±2,±3,...,±∞

综合式(3)和式(4)，根据旋转速度的不同，可以将气隙谐波磁场分为两大类：一类是没有调磁环时，即k=0时所对应的谐波磁场，其特点是谐波磁场转速与转子转速Ω_r相同；另一类是由于调磁环的引入，也就是k≠0时所对应的谐波磁场，其特点是谐波磁场的转速与转子转速Ω_r不同。

在所有调制谐波磁场中m=1，k=-1的组合所对应的p_1,-1次调制谐波磁场幅值最大。即p_1,-1次谐波磁场的次数及对应转速为：

p_1,-1=|p-n_s|

${\mathrm{\Ω}}_{1,-1}=\frac{p}{p-n_s}{\mathrm{\Ω}}_r,---\left(5\right)$

根据机电能量转换定律，两个磁场要进行稳定的能量传递，这两个磁场的磁极对数必须相同。因此在磁场调制式磁性齿轮中，总是将另外一个转子磁极对数取为|n_s-p|对。也就是说，如果内转子有N1对极，即2N1块永磁体，外转子有N2对极，即2N2块永磁体，则调磁铁心的块数应为N1+N2块，调磁环上的非导磁材料也为N1+N2块，这样磁场调制作用产生p_1,-1次调制谐波磁场与另外一个转子主磁场相互作用就会产生同步转矩。由于p_1,-1次调制谐波磁场的旋转速度为

因此在此同步转矩作用下，另外一个转子也以同步转速

Ω_r旋转。这样就实现了一个转子以速度Ω_r旋转，而另外一个转子以速度

Ω_r旋转的转速变比功能，因此磁性齿轮的传动比可表示为：

$G_r=\frac{{\mathrm{\Ω}}_r}{\frac{p}{p-n_s}{\mathrm{\Ω}}_r}=\frac{p-n_s}{p},---\left(6\right)$

这样选择永磁体和调磁环的数量配比，可以满足转矩平稳的需求，否则将无法平稳地传递转矩。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述调磁环5侧壁轴向截面的工字形上水平段和下水平段的长度相同，该上水平段内径与内转子轭1的外径相同，上水平段外径与外转子轭3的内径相同。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式还包括外壳6，内转子轭1、外转子轭3和调磁环5均设置在外壳6内，调磁环5固定在外壳6上。

本实施方式中，调磁环5与外壳6形成齿轮定子。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，本实施方式所述内转子轭1、外转子轭3和调磁环5均为由硅钢片沿轴向叠压而成。

Claims (4)

1.一种磁场调制式永磁齿轮，它包括内转子轭（1）、2N₁块内转子永磁体（2）、外转子轭（3）和2N₂块外转子永磁体（4），N₁和N₂均为正整数，且N₂>N₁；其特征在于，它还包括调磁环（5），

内转子轭（1）与外转子轭（3）之间为气隙，内转子轭（1）的外侧壁表面沿圆周方向布设2N1块内转子永磁体（2），相邻内转子永磁体（2）的极性相反；外转子轭（3）的内侧壁表面沿圆周方向布设2N₂块外转子永磁体（4），相邻外转子永磁体（4）的极性相反；调磁环（5）固定嵌放在内转子轭（1）与外转子轭（3）之间，并且与内转子轭（1）之间形成内层气隙，与外转子轭（3）之间形成外层气隙，调磁环（5）侧壁的轴向截面为工字形，其工字形的中间竖直段与内转子轭（1）和外转子轭（3）在轴向的位置相对应，工字形的上水平段和下水平段在内转子轭（1）和外转子轭（3）的轴向的两端沿径向延伸；

调磁环（5）由N₁+N₂块铁心块（5-1）和N₁+N₂块非导磁块（5-2）组成，铁心块（5-1）和非导磁块（5-2）沿圆周方向相间隔设置。

2.根据权利要求1所述的磁场调制式永磁齿轮，其特征在于，调磁环（5）侧壁轴向截面的工字形上水平段和下水平段的长度相同，该上水平段内径与内转子轭（1）的外径相同，上水平段外径与外转子轭（3）的内径相同。

3.根据权利要求1或2所述的磁场调制式永磁齿轮，其特征在于，它还包括外壳（6），内转子轭（1）、外转子轭（3）和调磁环（5）均设置在外壳（6）内，调磁环（5）固定在外壳（6）上。

4.根据权利要求3所述的磁场调制式永磁齿轮，其特征在于，内转子轭（1）、外转子轭（3）和调磁环（5）均为由硅钢片沿轴向叠压而成。

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