CN104578676A - 一种可调速比直线磁齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调速比直线磁齿轮，包括装有永磁极片的高速动子、内嵌有双层磁化绕组的固定调磁电枢、装有永磁极片的低速动子三部分组成。调磁电枢设置在磁齿轮高速动子和低速动子之间，磁齿轮高速动子和调磁电枢之间形成第一气隙，调磁电枢和磁齿轮低速动子之间形成第二气隙。可调速比直线磁齿轮的高速和低速动子为运动部件，调磁电枢保持固定。本发明结构利用调磁极片对磁场进行调制，实现非接触式变速及推力传输，减少了接触损耗；将磁齿轮与记忆电机的概念结合起来，设计了一种新型嵌入双层磁化绕组结构的固定调磁电枢，磁化绕组能够动态地对高、低速动子上的铝镍钴永磁极片进行磁化或者去磁。

Description

一种可调速比直线磁齿轮

技术领域

本发明涉及一种可调速比直线磁齿轮，可与直线永磁电机联合构成复合电机，可用于电动汽车驱动、风力发电、海浪发电等领域。

背景技术

目前，对高力密度驱动装置的需求日益增多，以往多是通过将旋转运动转化为直线运动的方式来实现，但是这种转化系统效率低，磨损、可靠性、润滑等均是需要考虑的问题。直线磁齿轮则是更为理想的选择，这种传动机构外形简单，主动齿轮和从动齿轮之间没有物理接触，是通过磁场间相互耦合作用产生的磁力来实现推力和功率的传递。磁齿轮传动机构具有一些独特的特点，如无需润滑、无噪声、无摩擦能耗、无油污、防水防尘、有过载保护作用等。磁齿轮也可以与电机结合进一步提高力密度。

尽管磁齿轮的应用领域越来越广，收到的关注也日益增多，但是也有限制其发展的因素。例如，机械齿轮能够通过齿轮箱灵活改变速比，以适应不同的驱动要求，但普通磁齿轮的速比不能改变；在普通磁齿轮中，稀土永磁材料如钕铁硼、钐钴在磁齿轮中被广泛采用，但对价格和稀土元素供应的担忧越来越多。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可调速比直线磁齿轮，解决普通磁齿轮速比不能改变的问题，同时在该发明中，高、低速动子的永磁极片均采用非稀土铝镍钴永磁材料，比钕铁硼永磁材料具有更高的性价比；采用低矫顽力的铝镍钴永磁材料，根据应用需求，分别对相应的磁化绕组进行磁化和退磁处理，改变高速动子和低速动子的永磁磁极对数，灵活改变气隙磁密，可获得更宽泛的调速范围。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可调速比直线磁齿轮，包括高速动子、调磁电枢和低速动子；

所述高速动子包括高速动子铁心，在高速动子铁心的内表面沿运动方向表贴或内嵌有高速动子永磁磁片；

所述调磁电枢包括调磁体、高速侧磁化绕组和低速侧磁化绕组，所示调磁体由沿运动方向交错间隔排列的导磁体和非导磁体构成，高速侧磁化绕组和低速侧磁化绕组分别嵌入在调磁体的两侧，高速侧磁化绕组和低速侧磁化绕组之间通过气桥隔磁；

所述低速动子包括低速动子铁心，在低速动子铁心的内表面沿运动方向表贴或内嵌有低速动子永磁磁片；

所述调磁电枢设置在高速动子和低速动子之间，高速动子和调磁电枢之间形成第一气隙，调磁电枢和低速动子之间形成第二气隙；高速侧磁化绕组和高速动子永磁磁片正对，通过向高速侧磁化绕组通入短暂的电流脉冲对高速动子永磁磁片进行磁化或退磁；低速侧磁化绕组和低速动子永磁磁片正对，通过向低速侧磁化绕组通入短暂的电流脉冲对低速动子永磁磁片进行磁化或退磁；

所述高速动子、调磁电枢和低速动子并列耦合，保持调磁电枢固定，高速动子和低速动子按照速比分别进行高、低速直线运动，高速动子和低速动子运动方向相反，

本案的可调速比直线磁齿轮，永磁极对数多的低速动子以低速运行，同时永磁极对数少的高速动子以高速运行，调磁电枢用于调制高速动子和低速动子之间的磁通，通过改变高速动子和低速动子的磁极对数来实现磁齿轮速比调节的目的，获得更宽泛的调速范围。内嵌于固定的调磁电枢的双层结构磁化绕组只需通入短暂的电流脉冲，就能够实现对永磁磁片进行磁化或退磁；高速侧磁化绕组对高速动子永磁磁片进行磁化或退磁，同理低速侧磁化绕组负责低速动子永磁磁片的磁化和退磁处理；两层磁化绕组之间设置气桥的目的是使两层磁化绕组拥有各自独立的磁路以及能够独立施加激励。

优选的，所述高速动子永磁磁片、低速动子永磁磁片均采用铝镍钴永磁材料，比钕铁硼永磁材料具有更高的性价比。铝镍钴永磁材料具有高剩磁低矫顽力的特性，在可变速比磁齿轮中采用该材料可获得动态磁化的功能。铝镍钴永磁具有低矫顽力的特性，电枢电流可能引起意外退磁，因此很少在工业应用的电机中采用。本发明提出的新型磁齿轮就是利用这所谓的“劣势”形成可变速比的功能。更为重要的是，在正常运行状态时可变速比磁齿轮中没有电枢电流存在，铝镍钴永磁的意外退磁影响可以完全消除。铝镍钴永磁具有非稀土元素的优势，比其他永磁材料具有更高的居里温度，在恶劣的环境中这一点尤为重要。

优选的，所述调磁电枢的调磁体包括由导磁硅钢片叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置非导磁体，相邻非导磁体之间的导磁硅钢片部分形成导磁体。设高、低速动子的永磁磁极对数分别为N_h和N_l，则总共有N_h+N_l条镂空槽，两个镂空槽之间的铁心凸极导磁体有N_h+N_l个。

优选的，调磁电枢中非导磁材料可使用高温超导材料，从而使得漏磁现象大大减少。

优选的，所述高速动子铁心、低速动子铁心、调磁电枢中的导磁硅钢片均由普通硅钢片材料制成。

优选的，通过改变高速动子和低速动子的永磁磁极对数，从而改变直线磁齿轮的速比，具体设计为：高速动子的永磁磁极对数为N_h，低速动子的永磁磁极对数为N_l，构成调磁电枢的导磁硅钢片的数为N_S＝N_h+N_l，直线磁齿轮的速比为N_h和N_l均为自然数，且N_h<N_l。

优选的，所述高速动子永磁磁片片数为N_mh，低速动子永磁磁片片数为N_ml，高速侧磁化绕组组数为N_hw，低速侧磁化绕组组数为N_lw，N_mh、N_ml、N_hw和N_lw的值按照如下方式确定：

首先定义直线磁齿轮所需最少永磁磁片数量为：

$M_1=(m_{11},m_{12},...,m_{1(N_S-1)})$

其中，m_1k是对应直线磁齿轮的某个速比的永磁磁片数量最小值，通过计算N_S-k与k的最小公倍数得到：

m_1k＝[N_S-k,k]

其中，k＝1,2,3,…,(N_S-1)；据此得到N_mh、N_ml、N_hw和N_lw值为：

其中，n＝1,2,3,…，j,y＝1,2,…,(N_S-1)；

考虑到直线磁齿轮的实用性，设计N_mh,N_ml,N_hw,N_lw均等于2n[m_1j,…m_1y]

该直线磁齿轮可以为平板式结构，即高速动子、调磁电枢、低速动子均为平板状结构。

该直线磁齿轮可以为圆筒式结构，即高速动子、调磁电枢、低速动子均为同心圆筒状结构。

有益效果：本发明提供的可调速比直线磁齿轮，相对于现有技术，具有如下优势：1、直线磁齿轮具有非接触性的特点，具有无机械磨损、低噪音、活动部件之间物理绝缘和固有的过负载保护等优势；2、高速动子和低速动子永磁极片采用具有高剩磁低矫顽力特性的铝镍钴永磁材料，在可调速比磁齿轮双层磁化绕组通入短暂脉冲电流，该材料可获得动态磁化的功能，从而获得可变速比的功能，获取更为宽泛的调速范围；3、铝镍钴永磁具有非稀土元素的优势，比其他永磁材料具有更高的居里温度，在恶劣的环境中这一点尤为重要，且铝镍钴永磁比稀土永磁材料如钕铁硼、钐钴价格更具优势。

附图说明

图1为平板式、圆筒式可调速比直线磁齿轮剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种可调速比直线磁齿轮，包括高速动子1、调磁电枢2和低速动子3；所述高速动子1包括高速动子铁心11，在高速动子铁心11的内表面沿运动方向表贴或内嵌有高速动子永磁磁片12；所述调磁电枢2包括调磁体、高速侧磁化绕组21和低速侧磁化绕组22，所示调磁体由沿运动方向交错间隔排列的导磁体24和非导磁体25构成，高速侧磁化绕组21和低速侧磁化绕组22分别嵌入在调磁体的两侧，高速侧磁化绕组21和低速侧磁化绕组22之间通过气桥23隔磁；所述低速动子3包括低速动子铁心31，在低速动子铁心31的内表面沿运动方向表贴或内嵌有低速动子永磁磁片32；所述调磁电枢2设置在高速动子1和低速动子3之间，高速动子1和调磁电枢2之间形成第一气隙，调磁电枢2和低速动子3之间形成第二气隙；高速侧磁化绕组21和高速动子永磁磁片12正对，通过向高速侧磁化绕组21通入短暂的电流脉冲对高速动子永磁磁片12进行磁化或退磁；低速侧磁化绕组22和低速动子永磁磁片32正对，通过向低速侧磁化绕组22通入短暂的电流脉冲对低速动子永磁磁片32进行磁化或退磁；所述高速动子1、调磁电枢2和低速动子3并列耦合，保持调磁电枢2固定，高速动子1和低速动子3按照速比分别进行高、低速直线运动，高速动子1和低速动子3运动方向相反。

所述高速动子永磁磁片12和低速动子永磁磁片32的永磁磁片的片数相等，均采用具有高剩磁低矫顽力特性的铝镍钴永磁材料。

所述调磁电枢2的调磁体包括由导磁硅钢片24叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置非导磁体25，相邻非导磁体25之间的导磁硅钢片24部分形成导磁体24。

通过改变高速动子1和低速动子3的永磁磁极对数，从而改变直线磁齿轮的速比，具体设计为：高速动子1的永磁磁极对数为N_h，低速动子3的永磁磁极对数为N_l，构成调磁电枢2的导磁硅钢片24的数为N_S＝N_h+N_l，直线磁齿轮的速比为N_h和N_l均为自然数，且N_h<N_l。

N_S最初保持恒定，为了改变N_h和N_l，对永磁磁片进行磁化或退磁，以应对永磁磁极对数的变化，即所谓的“变极”能力；设高速动子永磁磁片12片数为N_mh，低速动子永磁磁片32片数为N_ml，高速侧磁化绕组21组数为N_hw，低速侧磁化绕组22组数为N_lw，N_mh、N_ml、N_hw和N_lw的值按照如下方式确定：

首先定义直线磁齿轮所需最少永磁磁片数量为：

$M_1=(m_{11},m_{12},...,m_{1(N_S-1)})$

其中，m_1k是对应直线磁齿轮的某个速比的永磁磁片数量最小值，通过计算N_S-k与k的最小公倍数得到：

m_1k＝[N_S-k,k]

其中，k＝1,2,3,…,(N_S-1)；据此得到N_mh、N_ml、N_hw和N_lw值为：

其中，n＝1,2,3,…，j,y＝1,2,…,(N_S-1)；

考虑到直线磁齿轮的实用性，设计N_mh,N_ml,N_hw,N_lw均等于2n[m_1j,…m_1y]

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可调速比直线磁齿轮，其特征在于：包括高速动子(1)、调磁电枢(2)和低速动子(3)；

所述高速动子(1)包括高速动子铁心(11)，在高速动子铁心(11)的内表面沿运动方向表贴或内嵌有高速动子永磁磁片(12)；

所述调磁电枢(2)包括调磁体、高速侧磁化绕组(21)和低速侧磁化绕组(22)，所示调磁体由沿运动方向交错间隔排列的导磁体(24)和非导磁体(25)构成，高速侧磁化绕组(21)和低速侧磁化绕组(22)分别嵌入在调磁体的两侧，高速侧磁化绕组(21)和低速侧磁化绕组(22)之间通过气桥(23)隔磁；

所述低速动子(3)包括低速动子铁心(31)，在低速动子铁心(31)的内表面沿运动方向表贴或内嵌有低速动子永磁磁片(32)；

所述调磁电枢(2)设置在高速动子(1)和低速动子(3)之间，高速动子(1)和调磁电枢(2)之间形成第一气隙，调磁电枢(2)和低速动子(3)之间形成第二气隙；高速侧磁化绕组(21)和高速动子永磁磁片(12)正对，通过向高速侧磁化绕组(21)通入电流脉冲对高速动子永磁磁片(12)进行磁化或退磁；低速侧磁化绕组(22)和低速动子永磁磁片(32)正对，通过向低速侧磁化绕组(22)通入电流脉冲对低速动子永磁磁片(32)进行磁化或退磁；

所述高速动子(1)、调磁电枢(2)和低速动子(3)并列耦合，保持调磁电枢(2)固定，高速动子(1)和低速动子(3)按照速比分别进行高、低速直线运动，高速动子(1)和低速动子(3)运动方向相反。

2.根据权利要求1所述的可调速比直线磁齿轮，其特征在于：所述高速动子永磁磁片(12)、低速动子永磁磁片(32)均采用铝镍钴永磁材料。

3.根据权利要求1所述的可调速比直线磁齿轮，其特征在于：所述调磁电枢(2)的调磁体包括由导磁硅钢片(24)叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置非导磁体(25)，相邻非导磁体(25)之间的导磁硅钢片(24)部分形成导磁体(24)。

4.根据权利要求3所述的可调速比直线磁齿轮，其特征在于：通过改变高速动子(1)和低速动子(3)的永磁磁极对数，从而改变直线磁齿轮的速比，具体设计为：高速动子(1)的永磁磁极对数为N_h，低速动子(3)的永磁磁极对数为N_l，构成调磁电 枢(2)的导磁硅钢片(24)的数为N_S＝N_h+N_l，直线磁齿轮的速比为N_h和N_l均为自然数，且N_h<N_l。

5.根据权利要求4所述的可调速比直线磁齿轮，其特征在于：所述高速动子永磁磁片(12)片数为N_mh，低速动子永磁磁片(32)片数为N_ml，高速侧磁化绕组(21)组数为N_hw，低速侧磁化绕组(22)组数为N_lw，N_mh、N_ml、N_hw和N_lw的值按照如下方式确定：

首先定义直线磁齿轮所需最少永磁磁片数量为：

其中，m_1k是对应直线磁齿轮的某个速比的永磁磁片数量最小值，通过计算N_S-k与k的最小公倍数得到：

m_1k＝[N_S-k,k]

其中，k＝1,2,3,…,(N_S-1)；据此得到N_mh、N_ml、N_hw和N_lw值为：

其中，n＝1,2,3,…，j,y＝1,2,…,(N_S-1)_；

考虑到直线磁齿轮的实用性，设计N_mh,N_ml,N_hw,N_lw均等于2n[m_1j,…m_1y]。

6.根据权利要求1所述的可调速比直线磁齿轮，其特征在于：该直线磁齿轮为平板式结构，即高速动子(1)、调磁电枢(2)、低速动子(3)均为平板状结构。

7.根据权利要求1所述的可调速比直线磁齿轮，其特征在于：该直线磁齿轮为圆筒式结构，即高速动子(1)、调磁电枢(2)、低速动子(3)均为同心圆筒状结构。