CN109525094A - 一种步进式磁性齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的永磁转子、磁调制环、磁阻转子和转轴，所述永磁转子与所述磁调制环之间构成外气隙，所述磁调制环与所述磁阻转子之间构成内气隙，其特征在于，所述永磁转子包括转子铁芯和对称设置在所述转子铁芯内表面的至少一对永磁体，所述磁调制环的内周面均匀分布或者非均匀分布设置有m₁组内凸齿组，每一组内凸齿组包括n₁个小内凸齿，所述磁阻转子的外周面均匀间隔分布有n₂个外凸齿。

Description

一种步进式磁性齿轮

技术领域

本发明涉及磁性齿轮领域，特别涉及一种步进式磁性齿轮。

背景技术

谐波齿轮传动最早由苏联工程师于1947年提出，是一种靠中间扰性弹性变形来实现运动或动力传递的传动装置。现有的机械式谐波减速器主要包括以下三个零部件：波发生器、柔轮、刚轮。波发生器通常为椭圆形的凸轮，装入薄壁轴承后，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形变成椭圆形，凸轮在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，使得柔轮齿与钢轮齿的啮入-啮合-啮出-脱开这四种状态循环往复不断地改变原来的啮合状态，发生错齿运动，从而将输入的高速运动变为输出的低速运动。因此与传统的齿轮传动装置相比，谐波齿轮传动具有以下特点：

1、结构简单，质量轻、体积小；

2、传动比范围大；

3、同时啮合的齿数多、运动精度高、承载能力大。

同时，机械式谐波减速器也存在一定的不足，例如：柔轮需要连续发生弹性形变，对柔轮的加工材料、加工工艺以及加工精度提出了较高要求。

到目前为止，随着磁齿轮技术的不断进步以及高性能稀土永磁材料的出现，磁齿轮越来越受到研究人员的重视，多种新型拓扑结构应运而生，并且已经广泛应用于航空航天、军事、医疗器械、化工设备、潮汐能开发等领域。传统磁性齿轮用永磁体代替了机械轮齿，原理与机械齿轮类似，磁场调制型磁性齿轮利用调制环对齿轮内磁场进行调制从而实现变速传动。目前已有人对谐波式磁性齿轮进行了研究，其结构与机械式谐波齿轮相类似，也存在刚轮、柔轮和波发生器结构，刚轮与柔轮之间的依靠磁极啮合输出力矩，但是加工难度更大，柔轮上磁性材料要求更高。

为此，目前有中国专利申请公布号CN102324821A公开了一种同轴磁齿轮，但是该专利的静止磁环是由等距间隔排列的磁环永磁体组成的环形部件，两相邻磁环永磁体之间设置有非导磁块；或者，静止磁环是由等距间隔排列的磁环永磁体组成的环形部件，两相邻磁环永磁体之间设置有导磁块，磁环永磁体沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反。但是该专利存在以下缺陷：

1)运行原理上：现有谐波磁场磁齿轮通过磁调制块将内外转子谐波磁场极对数调整一致，从而内外磁场相互作用输出转矩，依靠内外两层磁钢之间磁动势在不同位置叠加/抵消原理，从而产生输出转矩，磁钢利用率较低，中间磁环加工复杂；

2)结构方面也有较大的不同：现有谐波磁场磁齿轮其内外转子上均需要安装永磁体，需要有两套永磁体励磁，否则无法输出转矩，增加了成本；现有磁齿轮磁调制块必须要均匀分布才能连续运行；

3)运行方式不同：而现有谐波式磁性齿轮为连续运行方式。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种步进式磁性齿轮，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的永磁转子、磁调制环、磁阻转子和转轴，所述永磁转子与所述磁调制环之间构成外气隙，所述磁调制环与所述磁阻转子之间构成内气隙，其特征在于，所述永磁转子包括转子铁芯和对称设置在所述转子铁芯内表面的至少一对永磁体，所述磁调制环的内周面均匀分布或者非均匀分布设置有m₁组内凸齿组，每一组内凸齿组包括n₁个小内凸齿，所述磁阻转子的外周面均匀间隔分布有n₂个外凸齿。

在本发明的一个优选实施例中，所述永磁体表贴在所述转子铁芯的内表面上，或者，所述永磁体内嵌在所述转子铁芯的内表面。

在本发明的一个优选实施例中，所述磁阻转子由硅钢片叠压而成。

在本发明的一个优选实施例中，所述磁调制环上的内凸齿通过轭部连接在一起。

一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的磁阻转子、磁调制环、永磁转子和转轴，所述磁阻转子与所述磁调制环之间构成外气隙，所述磁调制环与所述永磁转子之间构成内气隙，其特征在于，所述永磁转子包括转子铁芯和对称设置在所述转子铁芯外表面的至少一对永磁体，所述磁调制环的外周面设置有m₂组外凸齿组，每一组外凸齿组包括n₃个小外凸齿，所述磁阻转子的内周面均匀间隔分布有n₄个内凸齿。

在本发明的一个优选实施例中，所述永磁体表贴在所述转子铁芯的外表面上，或者，所述永磁体内嵌在所述转子铁芯的外表面。

在本发明的一个优选实施例中，所述磁阻转子由硅钢片叠压而成。

在本发明的一个优选实施例中，所述磁调制环上的外凸齿通过轭部连接在一起。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果：

1、本发明依靠不同转子位置磁阻不同，从而输出转矩，内部磁场仅由一个转子产生，因此本发明调速比远超过现有谐波磁场此齿轮；

2、本发明需要单边安装永磁体，永磁转子上磁极数较少，最低可以为2，降低了磁性齿轮的加工难度和生产成本；

3、本发明磁阻转子运行时为“步进式”运行，而现有谐波式磁性齿轮为连续运行方式，本发明能够提高控制精度。

4、本发明工作时两个转子均不发生弹性形变，磁性齿轮加工难度小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的组装后的剖面图。

图3是图2的齿分组后的结构示意图。

图4是本发明实施例2的结构示意图。

图5是本发明实施例3的结构示意图。

图6是本发明实施例1的磁性齿轮内部电磁场分布情况的示意图。

图7是本发明实施例1的谐波式磁性齿轮输出转速结果。

图8是本发明实施例1的谐波式磁性齿轮输出转矩结果。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

实施例1

参见图1至图3所示的一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的永磁转子10、磁调制环20、磁阻转子30和转轴。永磁转子10与磁调制环20之间构成外气隙41，磁调制环20与磁阻转子30之间构成内气隙42。磁阻转子30由硅钢片叠压而成。永磁转子10包括转子铁芯11和一对对称设置在转子铁芯11内表面的永磁体12。磁调制环20的内周面均匀分布或者非均匀分布设置有m₁组内凸齿组，每一组内凸齿组包括n₁个小内凸齿21，磁调制环20上的内凸齿21通过轭部22连接在一起。磁阻转子30的外周面均匀间隔分布n₂个外凸齿31。

磁调制环20为谐波式磁性齿轮磁路重要组成部分，其上小齿齿数以及小齿分布是谐波式磁性齿轮的重要参数，影响谐波式磁性齿轮输出力矩的大小以及转速传递比。总体来讲，转速比越大，磁性齿轮输出力矩越小。

本实施例中，永磁体12极对数为2，磁阻转子30的外周面均匀间隔分布50个外凸齿31，50个外凸齿31的齿距角为7.2°，磁调制环20的内周面均匀分布或者非均匀分布共有48个小内凸齿21，每四个小内凸齿21为一组内凸齿组，共12组。如图3所示，当磁调制环20第1组内凸齿组中心线与磁阻转子30的50个外凸齿31中的若干外凸齿中心线之间为严格的“齿对齿”关系时，磁调制环20第2组内凸齿组中心线与磁阻转子30的50个外凸齿31中的下若干个外凸齿中心线之间夹角为1.2°，以此类推，磁调制环20第3组内凸齿组中心线与磁阻转子30的50个外凸齿31中的下若干个外凸齿中心线之间夹角为2.4°，磁调制环20第4组内凸齿组中心线与磁阻转子30的50个外凸齿31中的下若干个外凸齿中心线之间夹角为3.6°，磁调制环20第5组内凸齿组中心线与磁阻转子30的50个外凸齿31中的下若干个外凸齿中心线之间夹角为4.8°，磁调制环20第6组内凸齿组中心线与磁阻转子30的50个外凸齿31中的下若干个外凸齿中心线之间夹角为6°。其余6组位置关系类似。

所以永磁转子10每转过30°，磁阻转子30转过1.2°，因此本实施例中磁性齿轮的减速比为25。通过改变磁阻转子小齿齿数，磁调制环齿数以及小齿分布，可以得到不同输出力矩，不同转速比的谐波式磁性齿轮。

本实施例中，永磁体采用NdFeB材料，牌号为N35SH，Maxwell有限元仿真结果，仿真磁性齿轮内部电磁场分布情况，结果如图6所示。

仿真当永磁转子转速为1000r/min时，磁阻转子空载时的输出转速，其结果如图7所示。

当磁阻转子堵转时，永磁转子旋转一周过程中，仿真磁阻转子输出转矩情况，可以得出该谐波式磁性齿轮的输出转矩大小，仿真结果如图8所示。即该谐波式磁性齿轮最大输出力矩约为700mN·m。

实施例2

参见图4所示的一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的永磁转子10a、磁调制环20a、磁阻转子30a和转轴。永磁转子10a与磁调制环20a之间构成外气隙41a，磁调制环20a与磁阻转子30a之间构成内气隙42a。磁阻转子30a由硅钢片叠压而成。永磁转子10a包括转子铁芯11a和内嵌分布在转子铁芯11a内的永磁体12a。磁调制环20a的内周面设置m₁组内凸齿组，每一组内凸齿组包括n₁个内凸齿21a，磁调制环20a上的内凸齿21a通过轭部22a连接在一起。磁阻转子30a的外周面均布n₂个内凸齿31a。

实施例3

参见图5所示的一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的磁阻转子10’、磁调制环20’、永磁转子30’和转轴。磁阻转子10’与磁调制环20’之间构成外气隙41’，磁调制环20’与永磁转子30’之间构成内气隙42’。磁阻转子10’由硅钢片叠压而成。永磁转子30’包括转子铁芯31’和一对对称设置在转子铁芯31’外表面的永磁体12。磁调制环20’的外周面均布间隔分布有m₂组外凸齿组，每一组内凸齿组包括n₃个小外凸齿21’，磁调制环20’上的外凸齿21’通过轭部22’连接在一起。磁阻转子10’的内周面均布间隔分布有n₄个内凸齿11’。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的永磁转子、磁调制环、磁阻转子和转轴，所述永磁转子与所述磁调制环之间构成外气隙，所述磁调制环与所述磁阻转子之间构成内气隙，其特征在于，所述永磁转子包括转子铁芯和对称设置在所述转子铁芯内表面的至少一对永磁体，所述磁调制环的内周面均匀分布或者非均匀分布设置有m₁组内凸齿组，每一组内凸齿组包括n₁个小内凸齿，所述磁阻转子的外周面均匀间隔分布有n₂个外凸齿。

2.如权利要求1所述的一种步进式磁性齿轮，其特征在于，所述永磁体表贴在所述转子铁芯的内表面上，或者，所述永磁体内嵌在所述转子铁芯的内表面。

3.如权利要求1所述的一种步进式磁性齿轮，其特征在于，所述磁阻转子由硅钢片叠压而成。

4.如权利要求1所述的一种步进式磁性齿轮，其特征在于，所述磁调制环上的内凸齿通过轭部连接在一起。

5.一种步进式磁性齿轮，包括由外至内排列、同轴心的磁阻转子、磁调制环、永磁转子和转轴，所述磁阻转子与所述磁调制环之间构成外气隙，所述磁调制环与所述永磁转子之间构成内气隙，其特征在于，所述永磁转子包括转子铁芯和对称设置在所述转子铁芯外表面的至少一对永磁体，所述磁调制环的外周面设置有m₂组外凸齿组，每一组外凸齿组包括n₃个小外凸齿，所述磁阻转子的内周面均匀间隔分布有n₄个内凸齿。

6.如权利要求5所述的一种步进式磁性齿轮，其特征在于，所述永磁体表贴在所述转子铁芯的外表面上，或者，所述永磁体内嵌在所述转子铁芯的外表面。

7.如权利要求5所述的一种步进式磁性齿轮，其特征在于，所述磁阻转子由硅钢片叠压而成。

8.如权利要求5所述的一种步进式磁性齿轮，其特征在于，所述磁调制环上的外凸齿通过轭部连接在一起。