CN106787609B - 一种高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，包括由外到内依次同心嵌套排列的永磁外定子、调制转子和永磁内转子；永磁外定子与调制转子之间、调制转子与永磁内转子之间均具有气隙；永磁外定子的外定子铁心内表面开有梯形槽，梯形槽内端两侧开有退磁抑制槽；梯形槽内嵌有切向极化的倒梯形的外定子永磁体；退磁抑制槽起到抑制外定子永磁体局部退磁的作用；调制转子包括多个调磁铁轭和多个嵌有冲孔的非导磁材料，相邻调磁铁轭间嵌有冲孔的非导磁材料；永磁内转子包括有外到内依次同心嵌套的内转子永磁体和内转子铁心；其内转子永磁体为经简化的Halbach结构；本发明提出的这种磁场调制型磁力齿轮在低转矩波动下实现了较高的转矩密度。

Description

一种高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮
技术领域
本发明属于磁力传动技术领域，更具体地，涉及一种高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮。
背景技术
磁力齿轮(Magnetic gear)这一设想早在20世纪初期就被提出，结构上效仿机械齿轮，采用磁极间的吸引代替机械齿的啮合。在80年代以前，由于铁氧体永磁材料性能较差，其传动性能较差，实用性不高，发展较为缓慢。随着80年代高性能永磁体的发明，磁力齿轮的输出转矩变得较为可观。2001年英国谢菲尔德大学的K.Atallah和D.Howe等人提出了一种同心式磁场调制型磁力齿轮(K.Atallah,D.Howe.A novel high-performancemagnetic gear.IEEE Transactions on Magnetics.pp.2844-2846.2001.)；其内外转子和调磁机构呈同心式排列，在传动过程中所有永磁体均参与转矩传递。相较于传统磁力齿轮其具有永磁体利用率高、结构简单、转矩密度高等优势；与传统机械齿轮相比，此类磁场调制型磁力齿轮具有无需润滑、噪声和振动低、自带过载保护等优点。
随着磁场调制型磁力齿轮的研究不断深入，各种不同结构的磁力齿轮相继被开发出来；比如轴向盘式磁力齿轮，切向极化磁力齿轮，Halbach磁力齿轮，三层永磁体磁力齿轮；这些结构均具有较高的转矩密度，但也存在缺陷：转矩波动大、形状复杂、永磁体用量较多、对加工工艺要求较高等。2014年K.K.Uppalapati等人提出了一种高转矩密度的磁力齿轮结构(K.K.Uppalapati,J.Z.Bird,J.Wright,J.Pitchard.A Magnetic Gearbox with anActive Region Torque Density of 239Nm/L.Energy Conversion Congress andExposition(ECCE),IEEE.pp.1422-1428.2014)，其内外转子的永磁体均采用切向极化，利用切向极化的磁场集中效应，可以达到较高的转矩密度，但其转矩波动较大，且加工装配较为复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，其目的在于通过永磁体极化方式组合，简化磁力齿轮的有效结构，在实现其高转矩密度的同时减小转矩波动。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，包括永磁外定子、调制转子和永磁内转子；永磁外定子、调制转子和永磁内转子由外到内依次同心嵌套排列，永磁外定子与调制转子之间、调制转子与永磁内转子之间均具有气隙；
其中，永磁外定子的外定子铁心内表面开有梯形槽，梯形槽内端两侧开有退磁抑制槽；梯形槽内嵌有切向极化的倒梯形的外定子永磁体；退磁抑制槽起到抑制外定子永磁体局部退磁的作用；
调制转子包括调磁铁轭和开有冲孔的非导磁材料，相邻调磁铁轭间嵌有带冲孔的非导磁材料；采用金属轴从非导磁材料的冲孔穿过可起到固定调制转子的作用；调磁铁轭由硅钢片叠成，结构上由调磁块和内部连接桥组成，起到调制外定子永磁体、内转子永磁体的磁场极对数的作用。
永磁内转子包括由外到内依次同心嵌套的内转子永磁体和内转子铁心；其中内转子永磁体为经简化的Halbach结构；经简化的Halbach结构是指仅由径向和切向极化的永磁体按一定方式排列组成的结构。
优选的，上述的磁场调制型磁力齿轮，其外定子永磁体的极对数Pl、调磁铁轭的块数Pm、内转子永磁体的极对数Ph满足以下关系：
Pm＝Pl+Ph。
优选的，上述的磁场调制型磁力齿轮，其调磁铁轭为倒梯形结构，方便非导磁材料嵌入和固定；由于永磁外定子与永磁内转子永磁体排列和磁路的不同，倒梯形调磁铁轭的调磁块相较方形的调磁块具有更好的磁场调制效果，有限元仿真结果也验证了这一效果；进而使得气隙处的工作磁密幅值增加，从而增加了传递转矩能力。
优选的，上述的磁场调制型磁力齿轮，其永磁外定子、调制转子和永磁内转子均可固定或不固定；三者中任意一个固定或三者均旋转，可构成不同的减速比或不同的输入输出模式。
优选的，上述的磁场调制型磁力齿轮，其内转子永磁体为Spoke切向极化而外定子永磁体为Halbach极化，构成Halbach-Spoke复合极化磁力齿轮结构；其中，Spoke极化是指永磁体沿切向励磁，Halbach极化是指仅由径向和切向极化的永磁构成的混合型励磁结构。
上述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，将永磁外转子固定，永磁内转子作为转矩输入轴、调制转子作为转矩输出轴；永磁内转子输入的高速低转矩经过该磁场调制型磁力齿轮后在调制转子输出低速高转矩，实现输入与输出同方向的减速传动。
上述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，将永磁外转子固定，调制转子作为转矩输入轴，将永磁内转子作为转矩输出轴，实现输入与输出同方向的增速传动。
上述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，固定调制转子，将永磁体内转子作为转矩输入轴，将外定子旋转作为转矩输出轴，实现输入与输出反方向的减速传动。
上述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，固定调制转子，将永磁外定子作为转矩输入轴，永磁内转子作为转矩输出轴实现输入与输出反方向增速传动。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，相比于现有的磁场调制型磁力齿轮结构，通过永磁外定子与永磁内转子的永磁体上两种永磁体极化方式(Spoke切向极化和Halbach混合极化)的应用，分别利用了Spoke极化的聚磁效果和Halbach混合极化磁场谐波含量少的优点，在低转矩波动的情况下实现了较高的转矩密度；
(2)本发明提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，调磁转子由倒梯形的调磁铁轭构造和冲孔非导磁材料组成，可更为牢固地被固定；由于内外永磁体排列方式和磁路不同，此种结构下倒梯形调磁铁轭比方形的调磁铁轭的磁场调制作用更好，增加了气隙工作磁密，使转矩传递能力得到提升；
(3)本发明提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，其永磁外定子的外定子铁心内设置退磁抑制槽，由于空气导磁率低，退磁抑制槽增加了永磁体易退磁部分周围的磁阻，减小了通过永磁体的反向磁场，一定程度上解决了切向极化的外磁极高温退磁的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的永磁外定子及退磁抑制槽的细部结构示意图；
图3为本发明实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的调制转子结构示意图；
图4为本发明实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的永磁内转子结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—外定子铁心，2—外定子永磁体，3—调磁铁轭，4—冲孔非导磁材料，5—内转子永磁体，6—内转子铁心。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示是为本发明实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的结构示意图；实施例的磁场调制型磁力齿轮包括永磁外定子、调制转子和永磁内转子；永磁外定子、调制转子和永磁内转子由外到内依次同心嵌套排列，永磁外定子与调制转子之间、调制转子与永磁内转子之间均具有气隙；
本实施例中，永磁外定子包括由硅钢片叠压而成的外定子铁心1，外定子铁心1的内表面开有梯形槽，槽内嵌有切向极化的倒梯形的外定子永磁体2，外定子永磁体沿切向励磁，其极对数为26；梯形槽内端两侧开有退磁抑制槽，以抑制高温或外磁场作用下外定子永磁体的局部退磁；
如图2所示是本实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的永磁外定子的结构示意图，外定子铁心1由硅钢片叠压而成，外定子铁心1内表面开有梯形槽，梯形槽内设置有倒梯形外定子永磁体，外定子永磁体沿切向励磁，其极对数为26；梯形槽两侧开有退磁抑制槽，起到抑制高温或外磁场作用下外定子永磁体局部退磁的作用。
如图3所示是实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的调制转子的结构示意图；本实施例中，调制转子包括由硅钢片叠成的沿圆周环向均匀分布的29块独立的倒梯形调磁铁轭3，以及置于相邻铁轭间的29个冲孔非导磁材料4。
如图4所示是本发明实施例提供的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮的永磁内转子结构示意图；本实施例中，永磁内转子包括表贴式简化型Halbach极化的内转子永磁体5和由硅钢片叠成的内转子铁心6；其中，内转子永磁体5由沿圆周环向均匀分布的18块独立的径向极化的永磁体构成，相邻两块径向极化的永磁体之间设置有一块切向极化的永磁体，18块永磁体构成的Halbach阵列极对数为3，是调磁铁轭块数与外定子永磁体极对数的差。
本实施例中，永磁内转子极对数Ph、外定子永磁体极对数Pl、调制转子调磁铁轭数量Pm满足下式(1)：
Pm＝Pl+Ph (1)
内转子永磁体产生的极对数Ph对极磁场经过均匀周向分布的Pm个调磁块的调制作用后，产生|Pm-Ph|对极的磁场，与永磁外定子产生的Pl对极磁场耦合，通过磁场实现功率传递；当永磁外定子、调制转子和永磁内转子三者均设置为可自由旋转，则永磁内转子的极对数Ph和转速Ωh，调制转子的调磁块数Pm和转速Ωm，外定子永磁体的极对数Pl和转速Ωl满足下式(2)：
PmΩm＝PlΩl+PhΩh (2)
由以上式(2)的关系可以看出，当将该高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出同方向的减速传动领域，可将永磁内转子作为转矩输入轴、调制转子作为转矩输出轴；永磁内转子输入的高速低转矩经过该磁场调制型磁力齿轮后在调制转子输出低速高转矩，从而实现输入输出同方向的减速传动；
永磁内转子的极对数Ph和转速Ωh、调制转子的调磁块数Pm和转速Ωm满足下式(3)：
在本实施例中，调制转子调磁铁轭数量Pm为29，永磁内转子极对数Ph为3，由此获得将该高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮作为输入输出同方向的减速机构的减速比为29/3＝9.67。
当将该磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出同方向增速传动领域，可将调制转子作为转矩输入轴，将永磁内转子作为转矩输出轴，实现输入输出同方向增速传动，同样的方法计算得到增速比为29/3＝9.67。
当将该磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出反方向的减速传动领域，可固定调制转子，将永磁体内转子作为转矩输入轴，将外定子旋转作为转矩输出轴；根据磁场调制型磁力齿轮原理，永磁内转子的极对数Ph和转速Ωh，外定子永磁体的极对数Pl和转速Ωl满足下式(4)：
在本实施例中，外定子永磁体极对数Pl为26，永磁内转子极对数Ph为3，该磁场调制型磁力齿轮作为输入输出反方向的减速传动机构的减速比为-26/3＝-8.67，负号表示输出和输出轴的旋转方向相反。
当将该磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出反方向增速传动领域，可将永磁外定子作为转矩输入轴，永磁内转子作为转矩输出轴；本实施例下，该磁场调制型磁力齿轮作为输入输出反方向增速传动机构的增速比为-26/3＝-8.67，负号表示输出和输出轴的旋转方向相反。
与现有的磁场调制型磁力齿轮拓扑相比，本发明实施例提供的这种磁场调制型磁力齿轮在较为简单的结构和装配下实现了较高的输出转矩密度和较低的转矩波动，譬如在282Nm/L的输出转矩密度的转矩波动为0.43％；实验数据表明，在同样的体积和永磁用量下，相比传统表贴式磁力齿轮，本实施例提供的磁力齿轮的输出转矩密度增加60％，转矩波动下降58％；相比于内外Halbach结构磁力齿轮，本实施例提供的磁力齿轮的输出转矩密度增加25％；相比内外Spoke结构磁力齿轮，本实施例提供的磁力齿轮的转矩波动下降84％；而另一方面，本实施例提供的磁力齿轮的外定子铁心1的内表面开设梯形槽以放置倒梯形外定子永磁体2，这种结构减少了加工难度并增加了结构稳定性；采用退磁抑制槽使得工作温度下的外定子永磁体退磁面积减少了88％，在一定程度上解决了外定子永磁体高温退磁的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，其特征在于，包括由外到内依次同心嵌套排列的永磁外定子、调制转子和永磁内转子；所述永磁外定子与调制转子之间、调制转子与永磁内转子之间均具有气隙；
所述永磁外定子的外定子铁心内表面开有梯形槽，所述梯形槽内端两侧开有退磁抑制槽，所述梯形槽内嵌有切向极化的倒梯形的外定子永磁体；所述退磁抑制槽用于抑制外定子永磁体局部退磁；
所述调制转子包括调磁铁轭和嵌有冲孔的非导磁材料，相邻调磁铁轭间嵌有冲孔的非导磁材料；
所述永磁内转子包括由外到内依次同心嵌套的内转子永磁体和内转子铁心；所述内转子永磁体为简化的Halbach结构；所述简化的Halbach结构是指仅由径向极化和切向极化的永磁体构成的结构。
2.如权利要求1所述的磁场调制型磁力齿轮，其特征在于，所述外定子永磁体的极对数Pl、调磁铁轭的块数Pm、内转子永磁体的极对数Ph满足以下关系：
Pm＝Pl+Ph。
3.如权利要求1或2所述的磁场调制型磁力齿轮，其特征在于，所述调磁铁轭为倒梯形结构，方便所述非导磁材料的嵌入和固定，并使得气隙处的工作磁密幅值增加，从而增加传递转矩能力。
4.如权利要求1或2所述的磁场调制型磁力齿轮，其特征在于，所述永磁外定子、调制转子和永磁内转子三者中任意一个或两个固定或三者均旋转，可构成不同的减速比或不同的输入输出模式。
5.如权利要求1或2所述的磁场调制型磁力齿轮，其特征在于，所述内转子永磁体为Spoke切向极化而外定子永磁体为Halbach极化，构成Halbach-Spoke复合极化磁力齿轮结构。
6.如权利要求1～5任一项所述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，其特征在于，将永磁外转子固定，永磁内转子作为转矩输入轴、调制转子作为转矩输出轴；永磁内转子输入的高速低转矩经过该磁场调制型磁力齿轮后在调制转子输出低速高转矩，实现输入与输出同方向的减速传动。
7.如权利要求1～5任一项所述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，其特征在于，将永磁外转子固定，调制转子作为转矩输入轴，将永磁内转子作为转矩输出轴，实现输入与输出同方向的增速传动。
8.如权利要求1～5任一项所述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，其特征在于，将调制转子固定，永磁内转子作为转矩输入轴，外定子旋转作为转矩输出轴，实现输入与输出反方向的减速传动。
9.如权利要求1～5任一项所述的磁场调制型磁力齿轮的一种应用，其特征在于，将调制转子固定，永磁外定子作为转矩输入轴，永磁内转子作为转矩输出轴，实现输入与输出反方向的增速传动。
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