CN105141109A - 一种磁场调制型同轴磁齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场调制型同轴磁齿轮，包括依次排列、同轴布置的第一转子、定子磁调制环以及第二转子，所述第一转子和第二转子中，任一个为凸极转子，另一个为永磁转子；所述凸极转子包括：导磁本体，以及沿周向间隔排布在所述导磁本体朝向所述定子磁调制环表面上的铁磁性凸极；所述永磁转子朝向所述定子磁调制环的表面具有连续排布的N-S磁场回路；所述定子磁调制环包括间隔排布的导磁件，相邻导磁件之间为非导磁件区域；本发明中只有永磁转子采用了永磁材料，在保证转矩传递能力的情况下，节省了永磁材料的用量，降低了制造成本，凸极转子为简单的凸极结构，能够提高转子的机械强度并且便于加工制造。

Description

一种磁场调制型同轴磁齿轮

技术领域

本发明涉及磁力传动技术领域，特别涉及一种磁场调制型同轴磁齿轮。

背景技术

随着高性能永磁材料的发展，在诸多工业应用领域，采用磁力传动代替传统机械传动成为可能，相比于后者，磁力传动具有非接触传动、无摩擦、低振动噪音、过载保护、可靠性高等优点。在众多磁力传动部件中，英国谢菲尔德大学于2001年发表题为《ANovelHigh-PerformanceMagneticGear》的论文，提出一种基于磁场调制原理的磁齿轮拓扑结构，极大地提升了磁齿轮转矩密度，替代体积庞大的机械齿轮变速箱应用到许多需要变速驱动的场合。

近年来，随着高性能稀土永磁材料需求的激增以及价格的上扬，提升单位永磁体转矩密度，尽可能地缩减永磁体用量或者寻求低成本永磁体替代成为拓展磁齿轮应用领域的关键因素。为了提升磁齿轮的转矩传递能力，新型的磁齿轮拓扑结构被不断提出，磁齿轮的磁路拓扑已经从传统的径向磁场同轴型拓展到轴向磁场同轴型、直线型、横向磁通型等多种结构。考虑到磁齿轮在优化设计过程中的灵活时效性以及在工业应用领域中的制造加工便捷性，传统的同轴磁齿轮拓扑结构研究仍然具有重要的理论以及应用价值，其研究成果也往往可以便捷地延伸到其他拓扑结构中。

申请号为201110252784.3的中国专利文献公开了一种同轴磁齿轮，包括由外至内排列、同轴心的外转子、静止磁环和内转子。外转子为环形导磁体，在其内环上设置有等距排列的外转子凸极；静止磁环固定安装在内、外转子之间，由永磁体和非永磁体相互间隔排列组成；内转子外环等距排列内转子凸极，其上设置内转子永磁体；为保证内、外转子正常旋转，三部件之间设有气隙；该发明利用外转子凸极结构，将静止磁环磁场在内气隙侧调制出一系列谐波旋转磁场，选用内转子永磁体极对数与某一需要的谐波磁场极对数相同，二者耦合作用实现稳定的转矩传递，具有转矩密度高、外转子机械强度大、加工制造方便的特点。

上述技术虽然能够提升外转子的机械强度，但是增加了定子的加工制造难度，并且不能提升高速内转子的机械强度。

发明内容

本发明提供了一种磁场调制型同轴磁齿轮，在保证转矩传递能力的同时制造成本低，转子和定子的机械强度高，加工制造方便。

一种磁场调制型同轴磁齿轮，包括依次排列、同轴布置的第一转子、定子磁调制环以及第二转子，所述第一转子和第二转子中，任一个为凸极转子，另一个为永磁转子；

所述凸极转子包括：导磁本体，以及沿周向间隔排布在所述导磁本体朝向所述定子磁调制环表面上的铁磁性凸极；

所述永磁转子朝向所述定子磁调制环的表面具有连续排布的N-S磁场回路；

所述定子磁调制环包括间隔排布的导磁件，相邻导磁件之间为非导磁件区域。

本发明中，所述永磁转子朝向所述定子磁调制环的表面上连续排布的N-S磁场回路所产生的磁场通过所述定子磁调制环上导磁件的调制，在凸极转子气隙侧产生旋转谐波磁场，基于变磁阻原理，该谐波磁场利用凸极转子，形成磁阻最小的回路闭合，当永磁转子旋转时，该谐波磁场也随之旋转，进而带动凸极转子进行旋转，永磁、凸极转子之间实现稳定的转矩传递，实际应用中，为了获得较高的转矩传递能力，凸极转子的极弧系数、径向高度以及定子磁调制环导的导磁件的周向宽度、径向高度均需要优化设计。与现有技术相比，在保证一定转矩传递能力的情况下，只有永磁转子上设置了永磁体，而凸极转子和定子磁调制环都没有设置永磁体，节省了永磁材料的用量，降低了制造成本，并且由于其中一个转子没有安装永磁体，还提高了的该转子的机械强度。

同轴磁齿轮可以是径向磁场型、轴向磁场型或者锥形磁场型，本发明结构可以适用于上述三种类型，通过设置不同的定子磁调制环以及配合的永磁转子和凸极转子来实现，对应设置的定子磁调制环分别为筒状、环状、锥形桶。

为了提升永磁转子在高速运转过程中的稳定性，使永磁体不易脱落，同时进一步减少永磁材料的用量，优选的，所述永磁转子包括：导磁基体，以及沿周向排布在所述导磁基体朝向所述定子磁调制环表面上的永磁体安装槽，安装在永磁体安装槽内的永磁体，各永磁体与导磁基体构成N-S磁场回路，所有永磁体沿相同磁极方向朝向定子磁调制环。

通过设置永磁体安装槽来固定永磁体，与贴装永磁体相比，不易脱落；相邻永磁体安装槽之间为导磁基体，各永磁体与导磁基体构成N-S磁场回路，与现有技术中通过连续排布磁极相反的永磁体相比，永磁材料的用量更少，进一步降低制造成本。

永磁体安装槽分布在永磁转子面向定子磁调制环的表面，槽的结构可以根据制造工艺以及磁场结构的需要进行设置，安装的永磁体的相对充磁方向相同，即全部N极面向定子磁调制环，或者全部S极面向定子磁调制环，永磁体与导磁基体相间排列提供磁场回路，永磁材料可以是钕铁硼，钐钴或铁氧体等，采用平行充磁或径向充磁。

为了方便制造和安装，优选的，所述永磁体安装槽为开放的外置槽，所述永磁体为一体式结构的永磁块、嵌装在外置槽内。

为了提高永磁转子的机械强度，优选的，所述永磁体安装槽为封闭的内置槽。

为了在等量永磁材料的用量下，提升永磁体在内置槽中形成的磁场强度，优选的，所述内置槽为U型槽。U型槽的结构的中心为导磁基体的一部分，与U型槽内的永磁组件配合可以形成大面积的永磁结构。

优选的，所述永磁体包括三块分别安装在U型槽的底部和两侧的永磁块，各永磁块相同的磁极朝向U型槽的中心。各永磁体的相对充磁方向相同，与相邻内转子铁芯形成一对N-S磁场回路，且一对极下的永磁体提供的磁通并联相加，内置槽的结构还可以采用其它径向式、切向式、混合式等磁路结构，

为了节省永磁材料，优选的，所述U型槽仅底部安装有永磁体。

优选的，所述永磁转子的永磁体个数n1、凸极转子的铁磁性凸极个数n2、定子磁调制环的导磁件个数Z满足关系：n1+n2＝Z。此时能够获得最大的转矩传递能力，内外转子的转速比为n2/n1，且旋转方向相反。此外，为了尽可能地提升转矩传递能力，n1不宜选取太大。

为了节省制造材料，优选的，所述非导磁件区域为空气隙。通过连接导磁件的端部实现固定。

为了提高定子磁调制环的机械强度，优选的，所述非导磁件区域填充非导磁材料。通过非导磁材料来固定连接各导磁件，可以大大提高定子磁调制环的连接强度。

本发明的有益效果：

(1)本发明中只有永磁转子采用了永磁材料制造，在保证转矩传递能力的情况下，节省了永磁材料的用量，降低了制造成本。

(2)本发明的凸极转子为简单的凸极结构，能够提高转子的机械强度并且便于加工制造。

附图说明

图1为实施例1的磁场调制型同轴磁齿轮的横截面剖视示意图。

图2为实施例2的磁场调制型同轴磁齿轮的横截面剖视示意图。

图3为实施例3的磁场调制型同轴磁齿轮的横截面剖视示意图。

图4为实施例4的磁场调制型同轴磁齿轮的横截面剖视示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的磁场调制型同轴磁齿轮包括：由内向外布置、同轴心的内转子1、定子磁调制环2和外转子3，本实施例以及下述的三个实施例都采用的是径向磁场型磁齿轮，定子磁调制环2处在内转子1和外转子3之间的气隙中，而且内、外转子与定子磁调制环2之间分别存在气隙。

本实施例中，内转子1为永磁转子，内转子1由内转子铁芯11和内转子永磁体12组成，内转子永磁体12嵌入在内转子铁芯11的外表面上的永磁体安装槽中；外转子3为凸极转子，在其内表面上设置均匀分布的铁磁性凸极31；定子磁调制环2固定安装在内、外转子之间，沿周向均匀分布若干导磁块21，相邻导磁块之间为空气隙或其它非导磁材料22。

磁齿轮的内转子1、定子磁调制环2、外转子3，三者同轴心相互独立，均可以自由旋转，一般在轴向两端固定定子磁调制环2使其处于静止状态，而内、外转子自由旋转来进行转矩传递。

内转子铁芯11、定子磁调制环导磁块21、外转子3由硅钢叠片或其它导磁材料构成。

内转子永磁体12，材料可以是钕铁硼，钐钴或铁氧体等，采用不同的充磁方式，例如平行充磁，径向充磁等方式进行制造，相邻内转子永磁体12的相对充磁方向相同(如箭头所示)，永磁体12与相邻内转子铁芯11提供磁场N-S回路。

内转子永磁体12产生的磁场，通过定子磁调制环2的调制，在外转子3气隙侧调制出旋转谐波磁场，该谐波磁场的极对数与外转子的凸极31个数相同，基于变磁阻原理，该谐波磁场利用外转子凸极，形成磁阻最小的回路闭合，当内转子1旋转时，该谐波磁场也随之旋转，进而带动外转子3进行旋转，内、外转子之间实现稳定的转矩传递，实际应用中，为了获得较高的转矩传递能力，外转子凸极31的极弧系数、径向高度以及定子磁调制环导磁块21的周向宽度、径向高度均需要优化设计。

外转子3的凸极31个数n2、内转子1的永磁体12个数n1、定子磁调制环的导磁块21个数Z，满足n2+n1＝Z，此时能够获得最大的转矩传递能力，内外转子的转速比为n2/n1，且旋转方向相反。此外，为了尽可能地提升转矩传递能力，n1不宜选取太大。

本实施例的磁齿轮内转子永磁体12嵌入在均匀分布的内转子铁芯表面凹槽中，相邻的永磁体相对充磁方向相同，与内转子铁芯提供一对N-S磁场回路。采用该结构时，永磁体的极弧系数宜选在1.2～1.6之间，与传统的N-S永磁转子(相邻的永磁体磁极相反)相比，该内转子产生的磁场强度更大，提高了单位体积永磁体的利用率以及转矩传递能力；在内转子高速旋转情况下，永磁体不易脱落；永磁体作用于外转子凸极的磁阻转矩周期与内转子一对极的旋转周期一致，传递转矩更大。

实施例2

如图2所示，本实施例中除了内转子1的结构与实施例1不同以外，其余结构相同。

本实施例的内转子1的永磁体安装槽采用内置式，永磁体12嵌入在均匀分布的内转子铁芯的内置槽中，内置槽为U型槽，各永磁体的磁性方向如箭头所示，相对位置相同的U型槽中，各永磁体的相对充磁方向朝向U型槽中心，并共同与相邻内转子铁芯形成一对N-S磁场回路，且一对极下的永磁体提供的磁通并联相加，内置式槽结构的也可以采用其它径向式、切向式、混合式等磁路结构，只需要保证一对极下的永磁体提供的磁通串并联相加，与相邻内转子铁芯形成一对N-S磁场回路。

实施例3

如图3所示，本实施例的磁场调制型同轴磁齿轮，内转子1为凸极转子，在其外表面上设置均匀分布的铁磁性凸极11，外转子3为永磁转子，由外转子铁芯31和外转子永磁体32组成，外转子永磁体32嵌入在外转子铁芯的内表面的永磁体安装槽中，永磁体安装槽采用外置槽；定子磁调制环2固定安装在内、外转子之间，沿周向均匀分布若干导磁块21，相邻导磁块之间为空气隙或其它非导磁材料22。

本实施例的磁齿轮外转子永磁体32嵌入在均匀分布的内转子铁芯表面的永磁体安装槽中，相邻的永磁体相对充磁方向相同，与外转子铁芯提供一对极磁场回路。外转子3经定子磁调制环2调制后在内转子1气隙侧产生的旋转磁场与内转子凸极11相作用，实现稳定的转矩传递，传动原理与实施例1相同。

外转子的永磁体32个数n1、内转子的凸极11个数n2、定子磁调制环的导磁块21个数Z，满足n2+n1＝Z，此时能够获得最大的转矩传递能力，内外转子的转速比为n1/n2，且旋转方向相反。

实施例4

如图4所示，本实施例除了外转子的结构与实施例3不同以外，其余结构相同。

外转子3的永磁体安装槽采用内置式，永磁体32嵌入在均匀分布的外转子铁芯的内置槽中，相邻永磁体32的相对充磁方向相同，与相邻外转子铁芯形成一对N-S磁场回路，内置槽结构的外转子也可以采用其它径向式、切向式、混合式等磁路结构，只需要保证一对极下的永磁体32提供的磁通串并联相加，与相邻外转子铁芯形成一对N-S磁场回路即可。

综上所述，上述实施例的磁场调制型同轴磁齿轮区别于现有的各种同轴磁齿轮，利用磁场调制及变磁阻原理实现稳定的转矩传递，在保证转矩传递能力的前提下，该磁齿轮具有成本低、加工制造方便、机械强度高等明显的优势。

Claims (10)

1.一种磁场调制型同轴磁齿轮，包括依次排列、同轴布置的第一转子、定子磁调制环以及第二转子，其特征在于，所述第一转子和第二转子中，任一个为凸极转子，另一个为永磁转子；

所述凸极转子包括：导磁本体，以及沿周向间隔排布在所述导磁本体朝向所述定子磁调制环表面上的铁磁性凸极；

所述永磁转子朝向所述定子磁调制环的表面具有连续排布的N-S磁场回路；

所述定子磁调制环包括间隔排布的导磁件，相邻导磁件之间为非导磁件区域。

2.如权利要求1所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述永磁转子包括：导磁基体，以及沿周向排布在所述导磁基体朝向所述定子磁调制环表面上的永磁体安装槽，安装在永磁体安装槽内的永磁体，各永磁体与导磁基体构成N-S磁场回路，所有永磁体沿相同磁极方向朝向定子磁调制环。

3.如权利要求2所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述永磁体安装槽为开放的外置槽，所述永磁体为一体式结构的永磁块、嵌装在外置槽内。

4.如权利要求2所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述永磁体安装槽为封闭的内置槽。

5.如权利要求4所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述内置槽为U型槽。

6.如权利要求5所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述永磁体包括三块分别安装在U型槽的底部和两侧的永磁块，各永磁块相同的磁极朝向U型槽的中心。

7.如权利要求5所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述U型槽仅底部安装有永磁体。

8.如权利要求1所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述永磁转子的永磁体个数n1、凸极转子的铁磁性凸极个数n2、定子磁调制环的导磁件个数Z满足关系：n1+n2＝Z。

9.如权利要求1所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述非导磁件区域为空气隙。

10.如权利要求1所述的磁场调制型同轴磁齿轮，其特征在于，所述非导磁件区域填充非导磁材料。