CN108683321B - 一种铁轭开槽的磁齿轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁轭开槽的齿轮装置，包括：由内到外依次包括：内转子、调磁环以及外转子；在内转子和调磁环之间以及调磁环和外转子之间均有气隙；内转子永磁体的充磁方向为径向充磁；外转子永磁体由多个第一扇环构成，外转子轭铁由多个第二扇环构成，且多个第一扇环和多个第二扇环均匀地交错分布；外转子永磁体为Spoke切向极化结构，其充磁方向为切向充磁；内转子永磁体和外转子永磁体构成径向‑Spoke复合极化磁齿轮结构；调磁环用于调制内转子永磁体和外转子永磁体的磁场极对数；第二扇环的外侧有开槽，且开槽不影响磁力线的分布；内转子永磁体内嵌在内转子轭铁外表面。本发明能够提高高转矩密度，同时减小磁齿轮的质量。

Description

一种铁轭开槽的磁齿轮装置
技术领域
本发明属于领域低速大转矩传动技术，更具体地，涉及一种铁轭开槽的磁齿轮装置。
背景技术
机械齿轮利用相邻齿轮间啮合传递动力，不可避免产生摩擦、润滑、噪音以及维护等问题，而磁齿轮通过非接触转轴上的永磁体传递转矩，有效避免了机械齿轮的缺点，因此受到国内外学者的广泛关注。
早期的磁齿轮是在机械齿轮的基础上发展而来，与机械齿轮不同的是，永磁体代替了机械齿轮的轮齿，但在旋转过程中只有少数临近的永磁体参与转矩传递，永磁体的利用率很低；并且，受永磁体材料性能的影响，磁齿轮的转矩密度很低。在21世纪初，K.Atallah和D.Howe两位学者提出了一种新型磁齿轮结构，由于该磁齿轮为同心式结构，任意时刻内外两层永磁体均参与转矩传递，加之稀土永磁材料铷铁硼的出现，磁齿轮的转矩密度有了很大提升。但也存在转矩波动较大、永磁体易脱落、永磁体用量较多、对加工工艺要求较高等问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种铁轭开槽的磁齿轮装置，其目的在于通过永磁体极化方式组合、磁齿轮转子铁轭开槽的结构，实现高转矩密度，同时减小磁齿轮的质量。
为实现上述目的，本发明提供了一种铁轭开槽的磁齿轮装置，由内到外依次包括：内转子、调磁环以及外转子；在内转子和调磁环之间以及调磁环和外转子之间均存在气隙；内转子包括内转子轭铁和内转子永磁体，内转子永磁体的充磁方向为径向充磁；外转子包括外转子永磁体和外转子轭铁，外转子永磁体由多个第一扇环构成，外转子轭铁由多个第二扇环构成，且多个第一扇环和多个第二扇环均匀地交错分布；外转子永磁体为Spoke切向极化结构，其充磁方向为切向充磁；内转子永磁体和外转子永磁体构成径向-Spoke复合极化磁齿轮结构，由此提高磁齿轮装置的转矩密度；调磁环用于调制内转子永磁体和外转子永磁体的磁场极对数。
进一步地，第二扇环的外侧有开槽，且开槽不影响磁力线的分布，以减小铁轭用量，从而减轻磁齿轮装置的质量。
进一步地，内转子永磁体的极弧系数不为1，且内转子永磁体内嵌在内转子轭铁外表面，以固定内转子永磁体。
进一步地，调磁环的磁场极对数Ns、内转子永磁体的磁场极对数Pin以及外转子永磁体的磁场极对数Pout满足如下关系：Ns＝Pin+Pout。
进一步地，调磁环包括调磁铁轭和非导磁材料，且调磁铁轭由硅钢片叠成；调磁铁轭由多个第三扇环构成，非导磁待料由多个第四扇环构成，并且多个第三扇环和多个第四扇环均匀的交错分布。
本发明所提供的铁轭开槽的磁齿轮装置，有三种输入输出模式：输入与输出同方向的减速传动、输入与输出反方向的减速传动以及输入与输出反方向增速传动；实现输入与输出同方向的减速传动时，外转子固定、内转子作为转矩输入轴且调磁环作为转矩输出轴；实现输入与输出反方向的减速传动时，调磁环固定、内转子作为转矩输入轴且外转子作为转矩输出轴；实现输入与输出反方向增速传动时，调磁环固定，外转子作为转矩输入轴且内转子作为转矩输出轴。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的铁轭开槽的磁齿轮装置，包括内转子永磁体和外转子永磁体，其中内转子永磁体的充磁方向为径向充磁且外转子永磁体的充磁方向为切向充磁，内转子永磁体和外转子永磁体构成径向-Spoke复合极化磁齿轮结构，由此增加了两层气隙的磁密，进而提高了磁齿轮装置的转矩密度。
(2)本发明所提供的铁轭开槽的磁齿轮装置，外转子永磁体由多个第一扇环构成，外转子轭铁由多个第二扇环构成，多个第一扇环和多个第二扇环均匀地交错分布；并且，第二扇环的外侧有开槽，开槽不影响磁力线的分布，因此，能够减少轭铁的用量，从而减轻磁齿轮装置的质量。
(3)本发明所提供的铁轭开槽的磁齿轮装置，内转子永磁体的极弧系数不为1，且内转子永磁体内嵌在内转子轭铁的外表面，因此内转子永磁体可在内转子高速运行时更为牢固地被固定。
附图说明
图1为本发明实施例提供的铁轭开槽的磁齿轮装置示意图；
图2为本发明实施例提供的外转子局部示意图；
图3为本发明实施例提供的内层气隙径向磁密比较图；
图4为本发明实施例提供的内层气隙切向磁密比较图；
图5为本发明实施例提供的外层气隙径向磁密比较图；
图6为本发明实施例提供的外层气隙切向磁密比较图；
图7为本发明实施例提供的内层气隙径向谐波幅值比较图；
图8为本发明实施例提供的内层气隙切向谐波幅值比较图；
图9为本发明实施例提供的外层气隙径向谐波幅值比较图；
图10为本发明实施例提供的外层气隙切向谐波幅值比较图；
图11为本发明实施例提供的静态转矩比较图；
图12为本发明实施例提供的稳态转矩比较图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为内转子轭铁，2为内转子永磁体，3为内层气隙，4为非导磁材料，5为调磁铁轭，6为外层气隙，7为外转子轭铁，8为外转子永磁体。
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。
本发明所提供的铁轭开槽的磁齿轮装置，如图1所示，由内到外依次包括：内转子、调磁环以及外转子；在内转子和调磁环之间存在内层气隙3，并且在调磁环和外转子之间存在外层气隙6；内转子包括内转子轭铁1和内转子永磁体2，内转子永磁体2的充磁方向为径向充磁；外转子包括外转子轭铁7和外转子永磁体8，外转子永磁体8由多个第一扇环构成，外转子轭铁7由多个第二扇环构成，且多个第一扇环和多个第二扇环均匀地交错分布；外转子永磁体8为Spoke切向极化结构，其充磁方向为切向充磁；内转子永磁体2和外转子永磁体8构成径向-Spoke复合极化磁齿轮结构，由此增加内外层气隙的磁密，进而提高磁齿轮装置的转矩密度；调磁环用于调制内转子永磁体2和外转子永磁体8的磁场极对数；第二扇环的外侧有开槽，且开槽不影响磁力线的分布，以减小铁轭用量，从而减轻磁齿轮装置的质量；内转子永磁体2的极弧系数不为1，且内转子永磁体2内嵌在内转子轭铁1外表面，以固定内转子永磁体2；调磁环的磁场极对数Ns、内转子永磁体2的磁场极对数Pin以及外转子永磁体8的磁场极对数Pout满足如下关系：Ns＝Pin+Pout；进一步地，调磁环包括调磁铁轭5和非导磁材料4，且调磁铁轭5由硅钢片叠成；调磁铁轭5由多个第三扇环构成，非导磁待料4由多个第四扇环构成，并且多个第三扇环和多个第四扇环均匀的交错分布。
如图1所示的铁轭开槽的磁齿轮装置，有三种输入输出模式：输入与输出同方向的减速传动、输入与输出反方向的减速传动以及输入与输出反方向增速传动；实现输入与输出同方向的减速传动时，外转子固定、内转子作为转矩输入轴且调磁环作为转矩输出轴；实现输入与输出反方向的减速传动时，调磁环固定、内转子作为转矩输入轴且外转子作为转矩输出轴；实现输入与输出反方向增速传动时，调磁环固定，外转子作为转矩输入轴且内转子作为转矩输出轴。
根据磁场调制原理，固定调磁环，内转子、外转子以不同的转速沿着相反的方向旋转，磁齿轮的传动比可表示为：
Figure BDA0001649406160000051
为探究外转子轭铁开槽对内外层气隙磁场的影响，以传动比为1:5.75的磁齿轮为例，分别建立传统型和改进型磁齿轮模型，改进型磁齿轮即根据本发明所提供的铁轭开槽的磁齿轮装置所建立的模型。磁齿轮结构参数如表1所示：
表1磁齿轮结构参数
Figure BDA0001649406160000052
如图3至图6所示，在气隙磁密的幅值上，外转子铁轭上开槽对内外层气隙磁密影响很小。从图中看出，磁密不仅有基波分量，还有因调磁环的存在而引起的谐波。具体谐波含量见图7至10。
如图7至图10所示，内层气隙主要谐波分别为4、12、20、23、28、31和36次等谐波，其中基波是产生转矩的主要谐波。外层气隙主要包含4、23、31和42次等谐波，其中23次谐波的幅值最大，与外转子永磁体极对数23相符。同样，开槽前和开槽后对气隙磁密谐波的含量影响较小。
如图11，固定调磁环和外转子，内转子以690r/min的速度顺时针转动，从而得到内、外转子静态转矩波形图。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°时达到最大值。从图中可知，开槽前和开槽后磁齿轮静态转矩曲线重合在一起。开槽前和开槽后内转子转矩分别为24.396N·m和24.352N·m，外转子转矩分别为140.434N·m和140.397N·m，由此可以看出开槽后对内、外转子静态转矩影响较小，两者输出转矩近似相等，同时内、外转矩之比约等于内、外永磁体极对数之比1：5.75。
固定调磁环，令内转子以690r/min顺时针旋转，外转子以120r/min逆时针旋转，从而得到内、外转子的稳态转矩如图12所示。仿真结果表明，开槽前和开槽后内转子转矩分别在23.847N·m～25.023N·m和23.93N·m～25.018N·m范围内波动，外转子转矩在140.292N·m～140.563N·m和140.242N·m～140.483N·m范围内波动。由于内转子永磁体极对数少于外转子，内转子转矩波动大于外转子，但仍在控制范围内。
根据磁齿轮的结构参数，可求得两种模型所对应的磁齿轮装置的质量，如表2所示：
表2两种磁齿轮的质量参数
传统型 改进型
硅钢(kg) 24.62 24.5
永磁体(kg) 0.968 0.598
总体(kg) 25.588 25.098
根据表2所示的数据可以看出，本发明所提供的铁轭开槽的磁齿轮装置，在保证输出转矩的前提下，可明显减少铁轭的用量，并减轻磁齿轮装置的质量。
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 (4)

1.一种铁轭开槽的磁齿轮装置，其特征在于，由内到外依次包括：内转子、调磁环以及外转子；在所述内转子和所述调磁环之间以及所述调磁环和所述外转子之间均存在气隙；
所述内转子包括内转子轭铁和内转子永磁体，所述内转子永磁体的充磁方向为径向充磁；所述外转子包括外转子永磁体和外转子轭铁，所述外转子永磁体由多个第一扇环构成，所述外转子轭铁由多个第二扇环构成，且所述多个第一扇环和所述多个第二扇环均匀地交错分布；所述外转子永磁体为Spoke切向极化结构，其充磁方向为切向充磁；所述内转子永磁体和所述外转子永磁体构成径向-Spoke复合极化磁齿轮结构，由此提高磁齿轮装置的转矩密度；所述调磁环用于调制所述内转子永磁体和所述外转子永磁体的磁场极对数；
所述第二扇环的外侧有开槽，所述开槽为矩形，且所述开槽不影响磁力线的分布；
所述铁轭开槽的磁齿轮装置有三种输入输出模式：输入与输出同方向的减速传动、输入与输出反方向的减速传动以及输入与输出反方向增速传动；实现输入与输出同方向的减速传动时，外转子固定、内转子作为转矩输入轴且调磁环作为转矩输出轴；实现输入与输出反方向的减速传动时，调磁环固定、内转子作为转矩输入轴且外转子作为转矩输出轴；实现输入与输出反方向增速传动时，调磁环固定，外转子作为转矩输入轴且内转子作为转矩输出轴。
2.如权利要求1所述的铁轭开槽的磁齿轮装置，其特征在于，所述内转子永磁体的极弧系数不为1，且所述内转子永磁体内嵌在所述内转子轭铁外表面。
3.如权利要求1所述的铁轭开槽的磁齿轮装置，其特征在于，所述调磁环的磁场极对数Ns、所述内转子永磁体的磁场极对数Pin以及所述外转子永磁体的磁场极对数Pout满足如下关系：Ns＝Pin+Pout。
4.如权利要求1所述的铁轭开槽的磁齿轮装置，其特征在于，所述调磁环包括调磁铁轭和非导磁材料，且所述调磁铁轭由硅钢片叠成；所述调磁铁轭由多个第三扇环构成，所述非导磁待料由多个第四扇环构成，并且所述多个第三扇环和所述多个第四扇环均匀的交错分布。
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