CN107612281B - 一种改进Halbach型磁性齿轮装置 - Google Patents
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Abstract
一种改进Halbach型磁性齿轮装置，该装置由内到外依次为内转子轭铁、内转子永磁体、调磁环、外转子永磁体、外转子轭铁。所述内转子永磁体采用Halbach充磁，外转子永磁体采用经改进的Halbach结构。将外层径向极化的永磁体做向外转子轭铁方向偏移，偏移后靠近外层气隙的地方用铁齿填补。外转子永磁体两个边角做成圆弧状。由于Halbach阵列具有自屏蔽磁化特性，因此内转子外侧磁场和外转子内侧磁场被加强，外转子铁齿的存在起到调节外层气隙磁场的作用，使气隙磁场更趋向正弦性，减少谐波含量，从而提高磁性齿轮的工作转矩。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性齿轮，具体是一种改进Halbach型磁性齿轮装置。
背景技术
机械齿轮利用相邻齿轮间啮合传递动力，是机械及相关行业中一种常见的传动方式，它解决了从拖动机构到负载机构的转速和转矩匹配问题。但随着科学技术的不断被深入研究、新技术新材料的不断涌现，机械齿轮已经不能满足人们对于传动系统的要求。况且机械齿轮自身的摩擦、润滑、噪音以及维护等问题也很大程度限制了传动性能的进一步提高。磁性齿轮应运而生，有效避免了机械齿轮的缺陷，得到国内外学者的广泛关注。
磁性齿轮最早出现在20世纪初，由B.Brukwici申请了磁性齿轮的专利，其结构和传统机械齿轮相似，利用磁场相互作用产生转矩。受传统拓扑结构和永磁体性能的局限，该磁性齿轮永磁体利用率极低，这种磁性齿轮并未受到太多关注。随着永磁材料的不断发展，20世纪40年代美国H.T.Faus学者申请了铁氧体永磁材料的磁性齿轮专利。近年来稀土永磁材料铷铁硼的出现，一定程度上促进了磁性齿轮的发展。2001年，英国谢菲尔德大学的K.Atallah和D.Howe首次提出基于磁场调制原理的同心式磁性齿轮，该种磁性齿轮主、从动轮间无接触和无需润滑，并具有自动过载保护。因此在接下来一段时间内同心式磁性齿轮成为国内外学者研究的热点。随着磁场调制原理的不断深入研究，基于该理论的磁性齿轮不断发展。2005年，丹麦奥尔堡大学的P.O.Rasmussen提出了一种聚磁式磁性齿轮；2008年，东北大学的满永奎副教授提出了磁阻-永磁磁性齿轮；2014年，香港大学的K.T.Chau教授提出一种传动比可变的新型磁性齿轮。
目前，对于磁性齿轮已有大量研究，但磁性齿轮仍存在转矩密度较低的问题，因此国内外专家学者致力于提高永磁体利用率和磁性齿轮装置的转矩密度，从而使其具有更实际的应用价值。由此可见，对于磁性齿轮结构的优化设计，以提高磁性齿轮转矩还需进一步研究。
发明内容
针对现有磁性齿轮转矩低的问题，本发明提供了一种改进Halbach型磁性齿轮装置，提高了磁性齿轮的传递转矩。
本发明采取的技术方案为：
一种改进Halbach型磁性齿轮装置，该装置由内到外依次为内转子轭铁、内转子永磁体、调磁环、外转子永磁体、外转子轭铁。所述内转子永磁体采用Halbach充磁，外转子永磁体采用经改进的Halbach结构；经改进的Halbach结构是指由径向和切向极化的永磁体交替排列，径向极化的永磁体向外转子轭铁方向偏移。
将外层径向极化的永磁体做向外转子轭铁方向偏移，偏移后靠近外层气隙的地方用铁齿填补。
外转子永磁体两个边角做成圆弧状。
所述内转子轭铁、内转子永磁体构成内转子。
所述调磁环包括非导磁材料、硅钢；调磁环与内转子轭铁、外转子永磁体间分别有内层气隙、外层气隙。
所述铁齿、外转子永磁体、外转子铁心构成外转子。
本发明一种改进Halbach型磁性齿轮装置，优点在于：
1：将径向永磁体做向外转子轭铁:方向偏移，偏移后靠近外层气隙的地方用铁齿填补以保证磁性齿轮的完整性，并且铁齿能起到调节外层气隙磁场的作用，使内、外层气隙更接近正弦，谐波含量减少。
2：将突出的外永磁体两个边角做成圆弧状，一方面圆弧状的边角更容易和外转子切合，另一方面圆弧状避免与外转子轭铁引起更严重的饱和现象。
3：通过Ansoft软件对内、外层气隙磁密和内、外转子静态和动态转矩进行计算，并与传统Halbach型磁性齿轮进行比较，本发明磁性齿轮在气隙磁密和转矩幅值上都有很大的提高。将磁性齿轮与永磁电机相结合，形成复合电机实现低速大转矩的输出，另外磁传动较机械传动有更高的可靠性，作为一种直驱电机具有良好的应用前景和广泛的发展前途，适用于低速高转矩的场合。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的A处局部结构示意图。
图3为本发明的内层气隙径向谐波幅值比较图。
图4为本发明的内层气隙切向谐波幅值比较图。
图5为本发明的外层气隙径向谐波幅值比较图。
图6为本发明的外层气隙切向谐波幅值比较图。
图7为本发明的内转子静态转矩比较图。
图8为本发明的外转子静态转矩比较图。
图9为本发明的内转子输出转矩比较图。
图10为本发明的外转子输出转矩比较图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种改进Halbach型磁性齿轮装置，该装置由内到外依次为内转子轭铁1、内转子永磁体2、调磁环、外转子永磁体8、外转子轭铁9。
所述内转子永磁体2采用Halbach阵列充磁，每个磁极分为四段，每段磁极的极化方向见结构示意图所示。
外转子永磁体8采用经改进的Halbach结构，由径向和切向极化的永磁体排列组成，将外层径向极化的永磁体做向外转子轭铁9方向偏移，偏移后靠近外层气隙6的地方用铁齿7填补。外转子永磁体8两个边角做成圆弧状。
所述内转子轭铁1、内转子永磁体2构成内转子。
所述调磁环包括非导磁材料4、硅钢5；调磁环与内转子轭铁1、外转子永磁体8间分别由有内层气隙3、外层气隙6。利用调磁环调节内、外层气隙磁场实现转矩传递。
所述铁齿7、外转子永磁体8、外转子铁心9构成外转子。
由于Halbach阵列具有自屏蔽磁化特性，因此内转子外侧磁场和外转子内侧磁场被加强，外转子的铁齿7的存在起到调节外层气隙磁场的作用，使气隙磁场更趋向正弦性，减少谐波含量，从而提高磁性齿轮的工作转矩。
本发明以传动比为1:4.25的磁性齿轮为例，建立传统Halbach型磁性齿轮和改进Halbach型磁性齿轮模型。下表给出了具体的磁性齿轮结构参数。
表1磁性齿轮结构参数
如图3和图4所示，与传统Halbach型磁性齿轮相比，改进Halbach型磁性齿轮提高了内层径向磁密的基波幅值，而内层切向磁密基波幅值正好相反。如图5和图6所示，铁齿的存在明显提高了外层气隙径向和切向磁密的基波幅值，而切向磁密的谐波含量比传统的有所降低。
如图7和图8所示，固定调磁环和低速外转子，高速内转子以-425r/min的速度顺时针转动，从而得到内、外转子静态转矩波形图6和图7。从图中可看出，内外转子的静态转矩波形均为正弦波，并且在电角度为90°时达到峰值。最大静态转矩是衡量磁性齿轮性能的重要参数，从图中看出，传统型磁性齿轮内、外转子静态转矩的幅值分别为65.17N·m和276.4N·m，改进后的磁性齿轮内、外转子静态转矩幅值分别为73.82N·m和313.6N·m。通过改变外转子永磁体的排列方式和增加铁齿，磁性齿轮比传统磁齿轮在最大静态转矩上提高了13.45％，并且改进型磁性齿轮内外转子静态转矩比值近似满足齿轮比1:4.25。
固定调磁环，令外转子以100r/min逆时针转动，内转子以-425r/min顺时针转动，得到内外转子的稳态转矩如图9和图10所示。无论传统型还是改进型磁性齿轮，其输出转矩的波动范围很小，近似一条直线。从图中可直观看出，传统Halbach型内转子输出转矩在65.1N·m上下波动，外转子输出转矩在276.3N·m上下波动，而内外转子的传动比大致满足齿轮比1:4.25；改进Halbach型磁性齿轮装置，内转子输出转距在73.5N·m上下波动，外转子输出转矩在313.4N·m上下波动。改进后的磁性齿轮较传统型在输出转矩上提高了13.45％。可见，改进外转子永磁体的排布和增加铁齿有利于提高磁性齿轮的传递转矩。
Claims (5)
1.一种改进Halbach型磁性齿轮装置，该装置由内到外依次为内转子轭铁（1）、内转子永磁体（2）、调磁环、外转子永磁体（8）、外转子轭铁（9）；其特征在于：所述内转子永磁体（2）采用Halbach充磁，外转子永磁体（8）采用经改进的Halbach结构；经改进的Halbach结构是指由径向和切向极化的永磁体交替排列，径向极化的永磁体向外转子轭铁方向偏移；将外层径向极化的永磁体做向外转子轭铁（9）方向偏移，偏移后靠近外层气隙（6）的地方用铁齿（7）填补；外转子永磁体（8）两个边角做成圆弧状。
2.根据权利要求1所述一种改进Halbach型磁性齿轮装置，其特征在于：所述内转子轭铁（1）、内转子永磁体（2）构成内转子。
3.根据权利要求1所述一种改进Halbach型磁性齿轮装置，其特征在于：所述调磁环包括非导磁材料（4）、硅钢（5）；调磁环与内转子轭铁（1）、外转子永磁体（8）间分别有内层气隙（3）、外层气隙（6）。
4.根据权利要求1所述一种改进Halbach型磁性齿轮装置，其特征在于：所述铁齿（7）、外转子永磁体（8）、外转子轭铁（9）构成外转子。
5.如权利要求1-4所述任意一项的一种改进Halbach型磁性齿轮装置，其特征在于：适用于低速大转矩的场合。
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