CN106549542B - 一种高可靠性横向磁通磁齿轮 - Google Patents

一种高可靠性横向磁通磁齿轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高可靠性横向磁通磁齿轮，包括环形定子，在所述环形定子内、沿轴向且同轴依次设有间隔排列的高速转子和低速转子，所述环形定子与高速转子和低速转子之间分别设置有气隙。所述低速转子固定设置在低速转轴上，所述高速转子固定设置在高速转轴上。本发明采用定子励磁型结构，永磁体位于环形定子上，转子仅为带凸极的导磁体，结构简单可靠，外定子、内转子结构更使得加工简便易行，而且励磁体位于环形定子上，可方便地实现电励磁或超导励磁代替永磁励磁。本发明的高、低速转子转轴可以通过轴承方便地在两侧分别引出，不但制造方便，加工成本低，而且转子能够承受高速旋转和大转矩冲击，提高了转子的机械可靠性。

Description

一种高可靠性横向磁通磁齿轮
技术领域
本发明涉及一种高可靠性横向磁通磁齿轮，属于变速传动的技术领域。
背景技术
工业应用中，很多需要变速驱动的场合，通常利用体积庞大的机械齿轮箱等装置来实现。机械齿轮箱的使用将不可避免地带来噪声、震动、磨擦损耗以及定期维护等问题。此外，机械齿轮不具备过载自保护能力，当传递的转矩超过机械齿的承受能力时，容易发生安全事故。
相较而言，磁齿轮利用磁场耦合进行转矩的传递，是一种非接触式变速传动装置，不存在噪声、震动、磨擦损耗以及润滑等问题，而且能够实现输入与输出之间的物理隔离，还具备过载自保护能力，安全可靠性较高。近年来，随着高性能钕铁硼永磁材料的发展，新型磁齿轮拓扑结构的探索已经成为国内外学者的研究热点。目前，研究较多的一类磁齿轮通常采用同轴结构，该类同轴磁齿轮包括由外至内排列、同轴心的低速转子、调磁环和高速转子，高、低速转子均由永磁体和铁芯构成，永磁体随转子旋转，降低了转子的机械可靠性，同时也极大限制了电励磁或超导励磁方式的应用；调磁环则是由导磁块与非导磁块间隔排列构成的环形部件，静止放置在高、低速转子之间，这导致调磁环的加工和固定安装十分困难。此外，调磁环和高、低速转子之间分别设有气隙，两层气隙和两个旋转转子大大增加了同轴磁齿轮整体的制造难度。上述种种原因在一定程度上限制了同轴磁齿轮的实际应用，因此，对具有高机械可靠性且加工制造方便的新型定子励磁型磁齿轮拓扑结构的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高可靠性横向磁通磁齿轮。
本发明的技术方案如下：
一种高可靠性横向磁通磁齿轮，包括环形定子，在所述环形定子内、沿轴向且同轴依次设有间隔排列的高速转子和低速转子，所述环形定子与高速转子和低速转子之间分别设置有气隙。所述低速转子固定设置在低速转轴上，所述高速转子固定设置在高速转轴上。
根据本发明优选的，所述环形定子的一侧端面与高速转子的外侧端面径向对齐设置；所述环形定子的另一侧端面与低速转子的外侧端面径向对齐设置。
根据本发明优选的，所述高速转子为环形导磁体，在所述高速转子的外环上设置有等距排列的高速转子凸极；
低速转子为环形导磁体，在所述低速转子的外环上设置有等距排列的低速转子凸极；
所述环形定子，包括沿圆周方向等距间隔排列的定子导磁块和定子永磁体；所述环形定子的环形内壁与所述高速转子凸极的外缘和低速转子凸极的外缘之间设有气隙。所述环形定子与高速转子凸极、低速转子凸极的外表面之间设有气隙，从而保证高、低速转子的自由旋转。
根据本发明优选的，所述高速转子包括大径端和小径端，所述低速转子包括大径端和小径端；
所述高速转子的小径端轴向设置在环形定子内，且高速转子的小径端与环形定子的环形内壁之间设有气隙，所述高速转子的大径端的内侧端面与所述环形定子的侧端面之间设有气隙；
所述低速转子的小径端轴向设置在环形定子内，且低速转子的小径端与环形定子的环形内壁之间设有气隙，所述低速转子的大径端的内侧端面与所述环形定子的侧端面之间设有气隙。
根据本发明优选的，所述高速转子为环形导磁体，在所述高速转子小径端的外环上、在所述高速转子大径端的外环上均设置有等距排列的高速转子凸极；
低速转子为环形导磁体，在所述低速转子小径端的外环上、在所述低速转子大径端的外环上均设置有等距排列的低速转子凸极；
所述环形定子，包括沿圆周方向等距间隔排列的定子导磁块和定子永磁体。所述环形定子与高速转子凸极、低速转子凸极的外表面之间设有气隙，从而保证高、低速转子的自由旋转。
根据本发明优选的，在所述横向磁通磁齿轮轴向外缘套设有外壳；环形定子固定在外壳内。
根据本发明优选的，在所述横向磁通磁齿轮轴向外缘套设有外壳；环形定子固定在外壳内；所述高速转子的大径端和所述低速转子的大径端均与所述外壳之间设有气隙。
根据本发明优选的，所述外壳为铝制环形结构。紧密包围在环形定子外部，用于固定环形定子。
根据本发明优选的，所述定子永磁体沿圆周切向充磁，且相邻定子永磁体的充磁方向相反。
根据本发明优选的，所述低速转子凸极的个数大于高速转子凸极的个数。
根据本发明优选的，所述高速转子凸极的个数Nh、低速转子凸极的个数Nl、定子永磁体的极对数Ps之间满足以下关系：
Nh+Ps＝Nl-Ps，
变速传动比Gr为：Gr＝Nl:Nh。
根据本发明优选的，所述环形定子的轴向长度Ls、高速转子的轴向长度Lh、低速转子的轴向长度Ll、高速转子与低速转子之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：
Ls＝Lh+Ll+Lg。
根据本发明优选的，所述外壳的轴向长度Lw、高速转子的轴向长度Lh、低速转子的轴向长度Ll、高速转子与低速转子之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：
Lw＝Lh+Ll+Lg。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种高可靠性横向磁通磁齿轮，与传统的同轴磁齿轮相比，具有以下优点：
1.传统同轴磁齿轮一般包括同轴心旋转的高、低速转子和固定在两者之间的调磁环，调磁环是由零散的导磁块构成的环形部件，调磁环本身的加工制造和固定安装十分困难。此外，两层气隙和两个旋转转子使得该类同轴磁齿轮只能采用单边支撑的方式固定，更加增加了装配难度和加工成本，而且高、低速转子和调磁环的同心度也很难得到保证。
本发明的一种高可靠性横向磁通磁齿轮采用环形定子、在环形定子内沿轴向且同轴依次设有间隔排列的高速转子和低速转子，所述环形定子与高速转子和低速转子之间分别设置有气隙。所提外定子、内转子结构的横向磁通磁齿轮可以借鉴现有永磁同步电机的制作方案进行加工，装配工艺简单，制造成本低；另一方面，高、低速转子转轴可以通过轴承方便地在两侧分别引出，且固定安装十分容易。
2.传统同轴磁齿轮的高、低速转子均由铁芯和永磁体构成，结构整体性较差，一定程度上降低了转子的机械承受能力，而且在转子旋转过程中，面贴或内嵌的永磁体也容易发生脱落，降低了转子的机械可靠性。
本发明的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，采用定子励磁型结构，永磁体位于环形定子上，高、低速转子仅为由导磁体构成的凸极结构，不但制造方便，加工成本低，而且转子能够承受高速旋转和大转矩冲击，提高了转子的机械可靠性。
3.传统同轴磁齿轮的永磁体置于转子上，为转子励磁型结构，若采用电励磁或超导励磁，则需要滑环和电刷，势必增加结构复杂性且难以实现。
本发明的横向磁通磁齿轮采用定子励磁结构，励磁体位于环形定子上，可方便地利用电励磁或超导励磁代替永磁励磁，简单方便，易于实现。
本发明能够获得理想的运行性能，有利于简化制造工艺，降低加工成本，提高转子机械可靠性，改善整体稳定性。
附图说明
图1为本发明的横向磁通磁齿轮高速转子侧截面结构；
图2为本发明的横向磁通磁齿轮低速转子侧截面结构；
图3为本发明实施例2所述一种高可靠性横向磁通磁齿轮的轴向剖视图；
图4为本发明实施例3所述一种高可靠性横向磁通磁齿轮的轴向剖视图；
图1-4中有：1、环形定子；11、定子导磁块；12、定子永磁体；13、环形定子的侧端面；
2、高速转子；21、高速转子凸极；22、高速转子的外侧端面；23、高速转子大径端；24、高速转子小径端；
3、高速转轴；
4、低速转子；41、低速转子凸极；42、低速转子的外侧端面；43、低速转子大径端；44、低速转子小径端；
5、低速转轴；6、外壳；7、气隙。图中箭头代表永磁体的充磁方向。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1-4所示。
实施例1、
如图1、2所示。
一种高可靠性横向磁通磁齿轮，包括环形定子1，在所述环形定子1内、沿轴向且同轴依次设有间隔排列的高速转子2和低速转子4，所述环形定子1与高速转子2和低速转子4之间分别设置有气隙7。所述低速转子4固定设置在低速转轴5上，所述高速转子2固定设置在高速转轴3上。
实施例2、
如图1、2、3所示。
如实施例1所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，所述环形定子的一侧端面13与高速转子的外侧端面22径向对齐设置；所述环形定子的另一侧端面13与低速转子的外侧端面42径向对齐设置。
所述高速转子2为环形导磁体，在所述高速转子2的外环上设置有等距排列的高速转子凸极21；
低速转子4为环形导磁体，在所述低速转子4的外环上设置有等距排列的低速转子凸极41；
所述环形定子1，包括沿圆周方向等距间隔排列的定子导磁块11和定子永磁体12；所述环形定子1的环形内壁与所述高速转子凸极21的外缘和低速转子凸极41的外缘之间设有气隙7。
实施例3、
如图1、2、4所示。
如实施例1所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，所述高速转子2包括大径端23和小径端24，所述低速转子4包括大径端43和小径端44；
所述高速转子的小径端24轴向设置在环形定子1内，且高速转子的小径端24与环形定子1的环形内壁之间设有气隙7，所述高速转子的大径端23的内侧端面与所述环形定子1的侧端面13之间设有气隙7；
所述低速转子的小径端44轴向设置在环形定子1内，且低速转子的小径端44与环形定子1的环形内壁之间设有气隙7，所述低速转子的大径端43的内侧端面与所述环形定子1的侧端面13之间设有气隙7。
所述高速转子2为环形导磁体，在所述高速转子小径端24的外环上、在所述高速转子大径端23的外环上均设置有等距排列的高速转子凸极21；
低速转子4为环形导磁体，在所述低速转子小径端44的外环上、在所述低速转子大径端43的外环上均设置有等距排列的低速转子凸极41；
所述环形定子1，包括沿圆周方向等距间隔排列的定子导磁块11和定子永磁体12。
实施例4、
如图1、2、3所示。
如实施例2所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，在所述横向磁通磁齿轮轴向外缘套设有外壳6；环形定子1固定在外壳6内。
实施例5、
如图1、2、4所示。
如实施例3所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，在所述横向磁通磁齿轮轴向外缘套设有外壳6；环形定子1固定在外壳6内；所述高速转子的大径端23和所述低速转子的大径端43均与所述外壳6之间设有气隙7。
所述外壳为铝制环形结构。
实施例6、
如图1、2、3、4所示。
如实施例2、3所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，所述定子永磁体沿圆周切向充磁，且相邻定子永磁体的充磁方向相反。
所述低速转子凸极的个数大于高速转子凸极的个数。
实施例7、
如图1、2、3、4所示。
如实施例6所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，所述高速转子凸极的个数Nh、低速转子凸极的个数Nl、定子永磁体的极对数Ps之间满足以下关系：
Nh+Ps＝Nl-Ps，
变速传动比Gr为：Gr＝Nl:Nh。
实施例8、
如图1、2、3所示。
如实施例2所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，所述环形定子的轴向长度Ls、高速转子的轴向长度Lh、低速转子的轴向长度Ll、高速转子与低速转子之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：
Ls＝Lh+Ll+Lg。
实施例9、
如图1、2、4所示。
如实施例3所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其区别在于，所述外壳的轴向长度Lw、高速转子的轴向长度Lh、低速转子的轴向长度Ll、高速转子与低速转子之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：
Lw＝Lh+Ll+Lg。
在本发明中，所述的高速转子2、定子导磁块11、低速转子4由硅钢叠片或其它导磁材料构成，与普通永磁同步电机的定、转子铁芯制造工艺相同。
所述的环形定子1采用永磁体辐条嵌入式结构，能够产生一定的聚磁效应，有利于改善磁齿轮的转矩传递能力。当然，本发明中，环形定子也可以采用其它形式的永磁体励磁结构以及电励磁或超导励磁等不同类型的励磁方式，只需保证环形定子能够产生有效的N-S磁极即可。但无论采用哪种结构形式或励磁方式，都在本发明的保护范围之内。
所述的高速转轴3和低速转轴5由钢或其他非导磁材料构成，与普通永磁同步电机的转轴制造工艺相同。
所述的定子永磁体12由稀土钕铁硼等永磁材料制成，沿圆周切向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成N-S磁极结构。
高速转子凸极21的调制功能，能够将定子永磁体12产生的磁场，在气隙7处调制出一系列空间谐波磁场，当高速转子2旋转时，相应的谐波磁场随之旋转。低速转子凸极41的调制功能，同样能够将定子永磁体12产生的磁场，在气隙7处调制出一系列空间谐波磁场，当低速转子4旋转时，相应的谐波磁场随之旋转。当由低速转子凸极41调制出的空间谐波磁场和由高速转子凸极21调制出的空间谐波磁场中存在极对数相同的谐波磁场时，通过磁场的径向和轴向耦合作用，该横向磁通磁齿轮高、低速转子就能够实现转矩的传递。所以，环形定子1有多种结构形式，只需保证能够产生有效的N-S磁极即可。为了实现变速传动的效果，必须要求所选用的低速转子凸极41的个数大于高速转子凸极21的个数。此时，当所选用的定子永磁体12的极对数与高速转子凸极21的个数之和等于低速转子凸极41的个数与定子永磁体12的极对数之差时，利用了幅值最大的谐波磁场，该横向磁通磁齿轮能够实现最优的转矩传递效果。
本发明涉及的高、低速转子侧均采用定子励磁型结构的新型横向磁通磁齿轮不但能够实现较高的转矩传递能力，而且结构设计更加合理，外定子、内转子结构以及定子励磁方式，使得该横向磁通磁齿轮的转子结构十分简单，在简化制造工艺、降低加工成本、增加励磁方式灵活性以及提高转子机械可靠性和整体稳定性方面具有明显优势。

Claims (9)

1.一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，该齿轮包括环形定子，在所述环形定子内、沿轴向且同轴依次设有间隔排列的高速转子和低速转子，所述环形定子与高速转子和低速转子之间分别设置有气隙；
所述环形定子的一侧端面与高速转子的外侧端面径向对齐设置；所述环形定子的另一侧端面与低速转子的外侧端面径向对齐设置；
所述高速转子为环形导磁体，在所述高速转子的外环上设置有等距排列的高速转子凸极；
低速转子为环形导磁体，在所述低速转子的外环上设置有等距排列的低速转子凸极；
所述环形定子，包括沿圆周方向等距间隔排列的定子导磁块和定子永磁体；所述环形定子的环形内壁与所述高速转子凸极的外缘和低速转子凸极的外缘之间设有气隙。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，所述高速转子包括大径端和小径端，所述低速转子包括大径端和小径端；
所述高速转子的小径端轴向设置在环形定子内，且高速转子的小径端与环形定子的环形内壁之间设有气隙，所述高速转子的大径端的内侧端面与所述环形定子的侧端面之间设有气隙；
所述低速转子的小径端轴向设置在环形定子内，且低速转子的小径端与环形定子的环形内壁之间设有气隙，所述低速转子的大径端的内侧端面与所述环形定子的侧端面之间设有气隙。
3.根据权利要求2所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，所述高速转子为环形导磁体，在所述高速转子小径端的外环上、在所述高速转子大径端的外环上均设置有等距排列的高速转子凸极；
低速转子为环形导磁体，在所述低速转子小径端的外环上、在所述低速转子大径端的外环上均设置有等距排列的低速转子凸极；
所述环形定子，包括沿圆周方向等距间隔排列的定子导磁块和定子永磁体。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，在所述横向磁通磁齿轮轴向外缘套设有外壳；环形定子固定在外壳内。
5.根据权利要求2所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，在所述横向磁通磁齿轮轴向外缘套设有外壳；环形定子固定在外壳内；所述高速转子的大径端和所述低速转子的大径端均与所述外壳之间设有气隙。
6.根据权利要求1或3所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，所述定子永磁体沿圆周切向充磁，且相邻定子永磁体的充磁方向相反；所述低速转子凸极的个数大于高速转子凸极的个数。
7.根据权利要求6所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，所述高速转子凸极的个数Nh、低速转子凸极的个数Nl、定子永磁体的极对数Ps之间满足以下关系：
Nh+Ps＝Nl-Ps，
变速传动比Gr为：Gr＝Nl:Nh。
8.根据权利要求1所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，所述环形定子的轴向长度Ls、高速转子的轴向长度Lh、低速转子的轴向长度Ll、高速转子与低速转子之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：
Ls＝Lh+Ll+Lg。
9.根据权利要求4或5所述的一种高可靠性横向磁通磁齿轮，其特征在于，所述外壳的轴向长度Lw、高速转子的轴向长度Lh、低速转子的轴向长度Ll、高速转子与低速转子之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：
Lw＝Lh+Ll+Lg。
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