CN104578689A - 一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮。包括同轴安装在定子机壳内的主动轮、从动轮和调磁栅，主、从动轮分别装在调磁栅的两端，并存有间隙；主动轮内圈的外周面间隔均布装有主动轮永磁体；从动轮内圈的外周面间隔均布装有从动轮永磁体，相邻主、从动轮之间装有从动轮聚磁块；调磁齿间隔均布安装在调磁栅内圈外周围，呈T形调磁齿轴向部分的两端弧长相等；气隙磁场穿过轴向和径向气隙形成闭合磁路，利用永磁体和磁场相互作用实现无接触传动。本发明的传动效率高，单位体积的转矩密度大，可靠性高，不存在机械接触造成的磨损，无需润滑，可实现输入输出轴的隔离，具有过载保护功能，可广泛应用在风力发电、电动汽车、电动舰船等新能源领域。

Description

一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮

技术领域

本发明涉及了一种磁性齿轮，尤其是涉及了一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，可广泛用于风力发电、电动汽车和舰船等新能源领域。

背景技术

传统的变速变扭矩广泛采用机械齿轮箱，存在磨损、噪声、机械疲劳等问题，对于润滑和维护的要求较高，同时摩擦损耗降低了系统效率。针对机械齿轮固有的这些缺点，磁性齿轮技术近十年来获得越来越多的关注。

2001年英国科学家提出一种基于磁场调制技术的新型磁性齿轮结构，克服了传统磁性齿轮磁路差、传递转矩和效率低的缺点，使磁性齿轮技术成为近年来的研究热点。磁性齿轮传递力矩与机械齿轮相当，虽然具有无需润滑、低噪声以及自动过载保护等优点，但也存在转矩密度低等缺点。

发明内容

针对现有机械齿轮传动技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮。利用切向充磁的永磁体结合导磁材料实现磁力线聚合以提高气隙磁场密度，同时利用横向和轴向两种气隙磁场进行能量传递，实现无接触摩擦、高效、大扭矩的变速传动。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括定子机壳以及同轴安装在定子机壳内的主动轮、从动轮和调磁栅，主动轮和从动轮分别安装在调磁栅的两端，调磁栅外周围安装定子机壳，主动轮、从动轮与调磁栅之间均存有间隙；主动轮内圈的外周面沿圆周间隔均布安装有P₁对主动轮永磁体，相邻的两个主动轮永磁体之间均安装有主动轮聚磁块；从动轮内圈的外周面沿圆周间隔均布安装有P₃对从动轮永磁体，相邻的两个从动轮永磁体之间均安装有从动轮聚磁块；调磁栅为P₂块调磁齿间隔均布安装在调磁栅内圈外周围的结构，调磁齿的径向截面呈T形，调磁齿T形轴向部分的两端的弧长相等。

所述的主动轮中，相邻主动轮永磁体的极性方向相反，充磁方向沿圆周周向；所述的从动轮中，相邻从动轮永磁体的极性方向相反，充磁方向沿圆周周向。

所述的主动轮永磁体的极对数P₁、从动轮永磁体的极对数P₃和调磁栅的铁磁块数P₂满足以下公式：

P₂＝P₁+P₃。

所述的主动轮的旋转方向与从动轮的旋转方向相反，且主动轮的转速n₁和从动轮的转速n₂满足以下公式：

$\frac{n_1}{n_3}=\frac{P_3}{P_1}=\frac{P_3}{P_2-P_3};$

所述的主动轮的输入轴转矩T₁、从动轮的输出轴转矩T₂和传动效率η满足以下公式：

$\frac{T_3}{T_1}=\frac{P_3}{P_1}\·\mathrm{\η}.$

所述的聚磁块采用铁磁材料，主动轮内圈采用非导磁材料。

所述的主动轮永磁体与主动轮聚磁块之间胶粘，从动轮永磁体与从动轮聚磁块之间粘接。

所述的调磁栅采用导磁材料。

所述的调磁栅为由导磁材料一体成型。

所述的机壳采用非导磁材料。

所述的调磁齿为整块导磁材料或由钢片叠压等方式制成。

本发明的工作原理：聚磁块汇集来自两侧永磁体的磁通，可以获得比永磁体剩磁大得多的磁通密度，磁场通过轴向和径向两个气隙形成横向和轴向两种磁通，如图2所示，在主动轮和从动轮之间形成闭合磁路，利用永磁体和磁场之间的相互作用实现无接触传动。

与普通机械齿轮以及传统磁性齿轮相比，本发明涉及的双向气隙磁场的磁性齿轮具有以下明显的优势：

1、传动效率高：由于采用无摩擦传动，消除了传统机械齿轮的摩擦损耗，效率可高达95％以上，比机械齿轮普遍提高10％。

2、单位体积的转矩密度大，为普通电机的30倍，稀土永磁无刷电机在水冷条件下，其转矩密度可达到30Nm/L，横向磁通稀土永磁电机的转矩密度可达80Nm/L，传统磁性齿轮的转矩密度可达100Nm/L，而本新型双向气隙磁场的稀土永磁磁性齿轮的转矩密度可超过250Nm/L。

3、可靠性高，不存在机械接触造成的磨损，无需润滑。

4、可实现输入输出轴的隔离。

5、具有过载保护功能，当负载高于磁性齿轮的最高传递转矩时，从动轮滑转切断传动关系，不会损坏负载或原动机。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的侧向剖视图。

图3是本发明的主要部件爆炸示意图。

图4是本发明的主动轮永磁体分布图。

图5是本发明的从动轮永磁体分布图。

图6是本发明的调磁栅结构示意图。

图中：1.主动轮永磁体，2.主动轮聚磁块，3.输入轴，4.主动轮内圈，5.调磁栅，6.从动轮永磁体，7.从动轮聚磁块，8.输出轴，9.从动轮内圈，10.定子机壳，11、轴向磁通，12、横向磁通。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1～图3所示，本发明包括定子机壳10以及同轴安装在定子机壳10内的主动轮、从动轮和调磁栅5，主动轮和从动轮分别安装在调磁栅5的两端，调磁栅5外周围安装定子机壳10，主动轮和从动轮均为圆盘形，调磁栅5分别与主动轮、从动轮之间均存有间隙，主动轮内圈4中心设有输入轴3，主动轮内圈4的外周面沿圆周间隔均布安装有P₁对切向充磁的主动轮永磁体1，相邻的两个主动轮永磁体1之间均安装有主动轮聚磁块2；从动轮内圈9中心设有输出轴8，从动轮内圈9的外周面沿圆周间隔均布安装有P₃对切向充磁的从动轮永磁体6，相邻的两个从动轮永磁体6之间均安装有从动轮聚磁块7；如图6所示，调磁栅5为P₂块调磁齿间隔均布安装在调磁栅内圈外周围的结构，调磁齿的径向截面呈T形，主动轮、从动轮分别安装在环形面均布的调磁齿形成中心位置；调磁齿T形轴向部分的两端的弧长相等。由此，气隙磁场穿过主动轮与调磁栅5之间、从动轮与调磁栅5之间的径向气隙和轴向气隙的两处气隙，形成轴向磁通11和横向磁通12，在主动轮和从动轮之间建立闭合磁路。

如图4所示，主动轮中，相邻两块永磁体充磁方向相反相邻主动轮永磁体1的极性方向相反，充磁方向沿圆周周向，如图4箭头；如图5所示，从动轮中，相邻从动轮永磁体6的极性方向相反，充磁方向沿圆周周向，如图5箭头。

本发明的主动轮永磁体1的极对数P₁、从动轮永磁体6的极对数P₃和调磁栅4的铁磁块数P₂应满足以下公式：

P₂＝P₁+P₃

由此，本发明主动轮的旋转方向与从动轮的旋转方向相反，且主动轮的转速n₁和从动轮的转速n₂满足以下公式：

$\frac{n_1}{n_3}=\frac{P_3}{P_1}=\frac{P_3}{P_2-P_3};$

其主动轮的输入轴1转矩T₁、从动轮的输出轴8转矩T₂和传动效率η满足以下公式：

$\frac{T_3}{T_1}=\frac{P_3}{P_1}\·\mathrm{\η}.$

主动轮永磁体1与主动轮聚磁块2之间胶粘，从动轮永磁体6与从动轮聚磁块7之间粘接，永磁体采用钕铁硼。

优选的聚磁块2和聚磁块7采用复合软磁材料(SMC)，内圈4和内圈9采用非导磁材料，优选的是非导磁不锈钢。

优选的调磁栅5采用导磁材料，优选的是复合软磁材料(SMC)，调磁齿为T形的铁磁块。

优选的调磁栅5为由导磁材料一体成型，或者是调磁齿由硅钢片叠压等方式制成。

优选的机壳10采用非导磁材料，优选的是非导磁不锈钢。

本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：

图1所示，本实施例中主动轮永磁体极数为2P₁＝12，从动轮永磁体极数为2P₃＝38，调磁栅中的T形调磁齿数P₂＝25，传动转速比n₃/n₁＝3.17，其内部结构关系特征如下：

磁性齿轮由分布有2P₁块主动轮永磁体1以及2P₁块主动轮聚磁块2的主动轮、分布有2P₃块主动轮永磁体6以及2P₃块从动轮聚磁块7的从动轮、分布有P₂块T形调磁齿的调磁栅5和静止的机壳10构成，定子机壳10采用非导磁不锈钢。

磁性齿轮的主动轮、从动轮呈圆盘形状，主动轮和从动轮的外半径均为135.5mm，内半径均为80mm，主动轮与从动轮之间装有起磁场调制作用的调磁栅5，调磁栅的外半径为140mm，T形调磁齿的外部水平部分厚度为7mm，内部垂直部分厚度为6.5mm，每个齿的弧度为8.5度，调磁栅与主动轮、从动轮之间有径向和轴向两种间隙，气隙宽度均为0.5mm。

磁性齿轮的圆盘形主动轮由2P₁块主动轮永磁体1、2P₁块由铁磁材料制成的主动轮聚磁块2、输入轴3和由非导磁铝合金制成的主动轮内圈4构成，其轴向长度为25mm，主动轮永磁体1按照N极、S极间隔内嵌在主动轮内，充磁方向为圆周切向，永磁体之间用由铁磁材料制成的主动轮聚磁块2隔开，永磁体通过胶粘固定在聚磁块之间，铁磁材料由硅钢片叠压铆焊成整体，聚磁块通过打孔铆接固定在非导磁铝合金的主动轮内圈4上，内圈通过键硬连接在输入轴3上，外部动力通过输入轴传递给主动轮。

磁性齿轮的圆盘形从动轮由2P₃块从动轮永磁体6、2P₃块由铁磁材料制成的从动轮聚磁块7、输入轴8和由非导磁铝合金制成的从动轮内圈9构成，其轴向长度为18mm，从动轮永磁体6按照N极、S极间隔内嵌在从动轮内，充磁方向为圆周切向，永磁体之间用由铁磁材料制成的从动轮聚磁块7隔开，永磁体通过胶粘固定在聚磁块之间，铁磁材料由硅钢片叠压铆焊成整体，聚磁块通过打孔铆接固定在非导磁铝合金的从动轮内圈9上，内圈通过键硬连接在输出轴8上，通过输出轴向外部传递动力。

调磁栅5安装在机壳10上内，调磁栅5上沿圆周均匀分布有P₂块的T形调磁齿，调磁齿内部相连形成一个整体，调磁栅由铁磁材料制成，整个调磁栅一体成型。

实验结果显示，本优选实例的转矩密度可达290Nm/L，接近于300Nm/L，远远高于目前单独采用径向或轴向磁通的磁性齿轮，同时传动效率高达97％，在节能方面与机械齿轮相比具有明显优势。

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，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 (10)

1.一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：包括定子机壳(10)以及同轴安装在定子机壳(10)内的主动轮、从动轮和调磁栅(5)，主动轮和从动轮分别安装在调磁栅(5)的两端，调磁栅(5)外周围安装定子机壳(10)，主动轮、从动轮与调磁栅(5)之间均存有间隙；主动轮内圈(4)的外周面沿圆周间隔均布安装有P₁对主动轮永磁体(1)，相邻的两个主动轮永磁体(1)之间均安装有主动轮聚磁块(2)；从动轮内圈(9)的外周面沿圆周间隔均布安装有P₃对从动轮永磁体(6)，相邻的两个从动轮永磁体(6)之间均安装有从动轮聚磁块(7)；调磁栅(5)为P₂块调磁齿间隔均布安装在调磁栅内圈外周围的结构，调磁齿的径向截面呈T形，调磁齿T形轴向部分的两端的弧长相等。

2.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的主动轮中，相邻主动轮永磁体(1)的极性方向相反，充磁方向沿圆周周向；所述的从动轮中，相邻从动轮永磁体(6)的极性方向相反，充磁方向沿圆周周向。

3.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的主动轮永磁体(1)的极对数P₁、从动轮永磁体(6)的极对数P₃和调磁栅(4)的铁磁块数P₂满足以下公式：

P₂＝P₁+P₃。

4.根据权利要求3所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的主动轮的旋转方向与从动轮的旋转方向相反，且主动轮的转速n₁和从动轮的转速n₂满足以下公式：

$\frac{n_1}{n_3}=\frac{P_3}{P_1}=\frac{P_3}{P_2-P_3};$

所述的主动轮的输入轴(1)转矩T₁、从动轮的输出轴(8)转矩T₂和传动效率η满足以下公式：

$\frac{T_3}{T_1}=\frac{P_3}{P_1}\·\mathrm{\η}.$

5.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的聚磁块(2)采用铁磁材料，主动轮内圈(4)采用非导磁材料。

6.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的主动轮永磁体(1)与主动轮聚磁块(2)之间胶粘，从动轮永磁体(6)与从动轮聚磁块(7)之间粘接。

7.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的调磁栅(5)采用导磁材料。

8.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的调磁栅(5)为由导磁材料一体成型。

9.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的机壳(10)采用非导磁材料。

10.根据权利要求1所述的一种新型双向气隙磁场的磁性齿轮，其特征是：所述的调磁齿为整块导磁材料或由钢片叠压等方式制成。