CN103715860B - 一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮，属于非接触式传动领域，本发明解决常规平行轴齿轮转矩密度和永磁磁钢利用率较低等问题，同时克服同轴磁齿轮变速比固定，铁耗较大和运行效率较低的不足。本发明由太阳轮，齿圈以及置于太阳轮和齿圈间的若干行星轮，和行星轮与太阳轮，行星轮与齿圈间的若干导磁块、隔磁块组成。加入特殊的导磁块和隔磁块结构，为太阳轮与行星轮、行星轮与齿圈相互作用的永磁磁钢间提供了有效的磁路，直接参与转矩传递的永磁磁钢数量也成倍增加，有效提高了该永磁式行星齿轮的永磁磁钢的利用率和转矩密度。

Description

一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮

技术领域

本发明属于动力传动领域，特别是一种特殊的非接触式磁齿轮变速机构。

背景技术

传统的机械式行星齿轮变速结构具有结构简单、转矩传递密度大优点，但是作为一种接触式动力合成系统，行星齿轮在高速运行时具有较大的震动和噪声，啮合时需要专门的油路润滑和冷却，对润滑要求相对苛刻；另外，运行过程中载荷的变化会对齿轮产生较大的啮合冲力，从而会造成齿轮面发生点蚀、磨损、出现齿轮裂纹甚至断齿等故障。

磁齿轮具有非接触、无摩擦、无振动、无噪音、免润滑、免维护等优异特点，在航空航天、电动汽车、工业传动等领域受到日益重视。

目前，根据磁齿轮原理提出的平行轴磁齿轮，能实现动力的非接触式传递，但由于转矩传递仅通过相邻的单块永磁磁钢，转矩密度较低；同轴磁齿轮通过引入调磁铁心，提高了永磁磁钢的利用率和转矩传递密度，但由于磁场调制而引起的电机的铁耗的显著增加，降低了同轴磁齿轮的整体效率，同时由于中间调磁铁心固定不动，变速比固定，无法实现不同动力源的动力合成和变速运行。永磁式行星齿轮兼具机械行星齿轮结构特点和平行轴磁齿轮的传动的特点，该种永磁式行星齿轮不仅可实现转矩和能量的非接触式传递，而且能实现不同动力源的动力合成和功率传递，在混合动力汽车领域具有广泛的应用前景。但该类结构依然存在永磁磁钢利用率较低，转矩密度不高等问题。

发明内容

本发明的目的为了解决上述问题，根据永磁式行星齿轮转矩传递的机理，提出一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮。

本发明由太阳轮、太阳轮表贴式永磁磁钢、行星轮、行星轮表贴式永磁磁钢、齿圈、齿圈表贴永磁磁钢、行星架、背铁、导磁块和隔磁块构成。其特征是所述的太阳轮和行星轮间、行星轮和齿圈间加入若干个导磁块，同时导磁块间用隔磁块隔开，太阳轮和行星轮相切的部位设有气隙，行星轮和齿圈相切的部位设有气隙。所述导磁块的数目，其中齿圈与行星轮之间的导磁块数目为行星轮与太阳轮之间的导磁块数目的两倍；所述的隔磁块数目与导磁块数目相同，且与导磁块交替间隔放置。由于导磁块和隔磁块交替放置，为太阳轮与行星轮、行星轮与齿圈相互作用的永磁磁钢间提供了有效的磁路，直接参与转矩传递的永磁磁钢数量也成倍增加，有效提高了该永磁式行星齿轮的永磁磁钢的利用率和转矩密度。

进一步地，所述的导磁块为硅钢片；所述的隔磁块为锰钢非导磁合金；导磁块与太阳轮的接触面的弧长为太阳轮表贴式永磁磁钢一块的长度；导磁块与行星轮的接触面的弧长为行星轮表贴式永磁磁钢一块的长度；导磁块与齿圈的接触面的弧长为齿圈表贴式永磁磁钢一块的长度，相邻导磁块间用隔磁块隔开。

进一步地，所述齿圈半径=太阳轮的半径+2*行星轮的半径；齿圈表贴式永磁磁钢的极对数=太阳轮表贴式永磁磁钢的极对数+2*行星轮表贴式永磁磁钢的极对数；太阳轮表贴式永磁磁钢、行星轮表贴式永磁磁钢和齿圈表贴式永磁磁钢的数量分别为太阳轮表贴式永磁磁钢、行星轮表贴式永磁磁钢和齿圈表贴式永磁磁钢的极对数的两倍。

进一步地，所述的永磁磁钢为高性能稀土永磁磁钢，太阳轮表贴式永磁磁钢每块的弧长是相等的；行星轮表贴式永磁磁钢每块的弧长是相等的；齿圈表贴式永磁磁钢每块的弧长是相等的。

进一步地，所述的齿圈可以通过永磁体间的耦合力驱动行星架，或太阳轮可以通过永磁体间的耦合力驱动行星架，或太阳轮、齿圈共同通过永磁体间的耦合力驱动行星架；行星架固定，太阳轮由行星轮驱动齿圈，或齿圈由行星轮驱动太阳轮。

进一步地，所述的太阳轮与齿圈的极对数简化比为a:b，当a、b同为奇数时，行星轮的最大个数=2*齿圈的极对数/b；当a、b中至少有一个为偶数时，行星轮的最大个数=齿圈的极对数/b；太阳轮的转速*太阳轮贴有永磁磁钢极对数+齿圈转速*齿圈贴有永磁磁钢极对数=行星架转速*(太阳轮贴有永磁磁钢极对数+齿圈贴有永磁磁钢极对数)。

进一步地，太阳轮表贴式永磁磁钢、行星轮表贴式永磁磁钢和齿圈表贴式永磁磁钢的极对数在满足上文所述的公式的情况下成比例的增加或减少，行星轮的个数根据需要在行星轮的最大个数范围内增加或减少。

本发明的有益效果如下：1）这种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮能具有传统机械行星齿轮实现不同变速比的特点，同时能实现不同动力源的转矩合成和能量传递的特性。2）这种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮同时还具有磁齿轮的非接触、无摩擦、无振动、无噪音、免润滑、免维护等特点。3）这种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮与普通的永磁式行星齿轮相比，这种磁场增强型的永磁式行星齿轮变速结构的太阳轮和齿圈的所能承受的最大峰值转矩提高了80%，转矩密度得到了很大的提升，永磁磁钢的利用率上升。

附图说明

图1为本发明横截面结构示意图；

图2为传统的机械式行星齿轮结构示意图；

图3为永磁齿轮变速结构的示意图；

图4为一种新型的磁场调节型共轴磁齿轮变速结构的示意图；

图5为本发明的导磁块与隔磁块的安装位置；

图6为传统的永磁式行星齿轮结构的太阳轮的矩角特性曲线；

图7为本发明的太阳轮的矩角特性曲线；

图8为本发明的磁力线分布图；

图中：1、太阳轮，2、太阳轮表贴式永磁磁钢，3、行星轮，4、行星轮表贴式永磁磁钢，5、齿圈，6、齿圈表贴式永磁磁钢，7、行星架，8、背铁，9、导磁块，10、隔磁块。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1所示，磁场增强型永磁式行星齿轮变速结构包括太阳轮1、太阳轮表贴式永磁磁钢2、行星轮3、行星轮表贴式永磁磁钢4、齿圈5、齿圈表贴式永磁磁钢6、行星架7、背铁8、导磁块9和隔磁块10。太阳轮表贴式永磁磁钢2、行星轮表贴式永磁磁钢4和齿圈表贴式永磁磁钢6贴在由硅钢片叠压而成的被铁8表面，且沿各自所在的圆径向充磁，并按极性N、S、N、S的顺序排列。四个永磁行星轮3可以自转，并且可以自转的同时带动行星架7一起公转。

图2所示，为了增加永磁磁钢的利用率，在太阳轮1和行星轮3间，行星轮3和齿圈5间安装导磁块9。导磁块9的材料为硅钢片，导磁块9的弧长对应行星轮表贴式永磁磁钢4一极的弧长，在相邻的两个导磁块9间用隔磁块10进行隔磁。导磁块9和隔磁块10都固定在行星架7上随行星架7转动。

本发明所举实施例中齿圈5内部贴有14极对数的永磁磁钢、行星轮3表面贴有4对永磁磁钢、太阳轮1表面贴有6对永磁磁钢。4个行星轮3围绕太阳轮1旋转；太阳轮1与每个行星轮3间的导磁块9为1极对数，导磁块9间用隔磁块10隔开；每个行星轮3与齿圈5间的导磁块9为2极对数，导磁块9间用隔磁块10隔开。当太阳轮1单独输入时，机构减速比为太阳轮1的极对数/(太阳轮1的极对数+齿圈5的极对数)，即6/(6+14)=3:10；当齿圈5单独输入时，机构减速比为齿圈5的极对数/(太阳轮1的极对数+齿圈5的极对数)，即14/(6+14)=7:10；当太阳轮1和齿圈5共同输入时，太阳轮1的转速*太阳轮表贴式永磁磁钢2的极对数+齿圈3转速*齿圈表贴式永磁磁钢6的极对数=行星架7的转速*(太阳轮表贴式永磁磁钢2的极对数+齿圈表贴式永磁磁钢6的极对数)，行星架7的输出转矩为(太阳轮1转速*太阳轮1输入转矩+齿圈5转速*齿圈5输入转矩)/行星架7转速。齿圈5为一个环状结构，内圈贴有14对永磁磁钢，它由输入轴支撑旋转；太阳轮1表贴6对永磁磁钢，它由另一个输入轴支撑旋转；行星轮3表贴4对永磁磁钢，它由行星轴支撑旋转，行星轴固定在行星架7上，行星架7由输出轴支撑旋转；导磁块9与隔磁块10固定在行星架7上随行星架7旋转。扭矩通过原动机连接太阳轮1单独输入时，太阳轮1逆时针旋转，通过永磁磁钢间的无接触的扭矩带动行星轮3顺时针旋转，行星轮3旋转带动行星架7逆时针旋转输出转矩；扭矩通过原动机连接齿圈5单独输入时，齿圈5逆时针旋转，通过永磁磁钢间的无接触的扭矩带动行星轮5逆时针旋转，行星轮5旋转带动行星架7逆时针旋转输出转矩。扭矩通过2个原动机分别连接从太阳轮1和齿圈5共同输入时，太阳轮1和齿圈5旋转，通过永磁磁钢间的无接触的扭矩带动行星轮3旋转，扭矩在行星轮合成通过行星架7输出实现太阳轮1和齿圈5共同输入。

Claims (4)

1.一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮，包括太阳轮(1)、太阳轮表贴式永磁磁钢(2)、行星轮(3)、行星轮表贴式永磁磁钢(4)、齿圈(5)、齿圈表贴式永磁磁钢(6)、行星架(7)、背铁(8)、导磁块(9)和隔磁块(10)，其特征在于：太阳轮(1)位于齿轮的中心，行星轮(3)均匀分布在太阳轮(1)的外围，太阳轮(1)和行星轮(3)相切的部位设有气隙，每个行星轮(3)之间设有行星架(4)，齿圈(5)位于齿轮的最外层，行星轮(3)和齿圈(5)相切的部位设有气隙，太阳轮(1)、行星轮(3)和齿圈(5)的表面分别贴有太阳轮表贴式永磁磁钢(2)、行星轮表贴式永磁磁钢(4)和齿圈表贴式永磁磁钢(6)，太阳轮(1)与行星轮(3)间、行星轮(3)与齿圈(5)间设有导磁块(9)，行星轮(3)与齿圈(5)间的导磁块(9)数目为太阳轮(1)与行星轮(3)间的导磁块(9)数目的两倍，相邻导磁块(9)间用隔磁块(10)隔开，导磁块(9)与行星架(7)间也用隔磁块(10)隔开，隔磁块(10)的总数与导磁块(9)的总数相同，隔磁块(10)与导磁块(9)交替间隔放置；

所述太阳轮(1)、行星轮(3)、齿圈(5)的半径满足如下关系：齿圈(5)半径＝太阳轮(1)的半径+2*行星轮(3)的半径；

所述太阳轮表贴式永磁磁钢(2)、行星轮表贴式永磁磁钢(4)和齿圈表贴式永磁磁钢(6)的极对数满足如下关系：齿圈表贴式永磁磁钢(6)的极对数＝太阳轮表贴式永磁磁钢(2)的极对数+2*行星轮表贴式永磁磁钢(4)的极对数；

所述太阳轮表贴式永磁磁钢(2)、行星轮表贴式永磁磁钢(4)和齿圈表贴式永磁磁钢(6)的数量分别为太阳轮表贴式永磁磁钢(2)、行星轮表贴式永磁磁钢(4)和齿圈表贴式永磁磁钢(6)的极对数的两倍；

所述导磁块(9)与太阳轮(1)的接触面的弧长为太阳轮表贴式永磁磁钢(2)一块的长度；所述导磁块(9)与行星轮(3)的接触面的弧长为行星轮表贴式永磁磁钢(4)一块的长度；所述导磁块(9)与齿圈(5)的接触面的弧长为齿圈表贴式永磁磁钢(6)一块的长度；导磁块(9)和隔磁块(10)都固定在行星架(7)上随行星架(7)转动。

2.根据权利要求1所述的一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮，其特征在于：若所述太阳轮(1)与齿圈(5)的极对数简化比为a:b，当a、b同为奇数时，行星轮(3)的最大个数＝2*齿圈(5)的极对数/b；当a、b中至少有一个为偶数时，行星轮(3)的最大个数＝齿圈(5)的极对数/b。

3.根据权利要求1所述的一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮，其特征是：所述太阳轮表贴式永磁磁钢(2)每块的弧长是相等的；行星轮表贴式永磁磁钢(4)每块的弧长是相等的；齿圈表贴式永磁磁钢(6)每块的弧长是相等的。

4.根据权利要求1所述的一种磁场增强型高转矩密度永磁式行星齿轮，其特征在于：所述太阳轮表贴式永磁磁钢(2)、行星轮表贴式永磁磁钢(4)和齿圈表贴式永磁磁钢(6)为稀土永磁块；所述导磁块(9)为硅钢片；所述隔磁块(10)为锰钢非导磁合金。