CN109586549A - 一种轴向锥形磁齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向锥形磁齿轮，包括第一转子、第二转子和一静止设置在所述第一转子的第一端和所述第二转子的第一端之间的调磁环，所述调磁环将所述第一转子永磁体所产生的磁场调制成一系列的空间谐波磁场，只要所述第二转子永磁铁极对数等于其中一个空间谐波磁场的极对数，所述第一转子与所述第二转子之间就能实现稳定的转矩传递。优点：省略了齿条等部件，通过磁力进行传动，无需润滑，不会磨损，机械的稳定性大大提高；转矩密度高，永磁体的利用率高；能够改变转矩的传动方向。

Description

一种轴向锥形磁齿轮

技术领域

本发明涉及磁齿轮领域，尤其涉及一种轴向锥形磁齿轮。

背景技术

机械锥形齿轮是一种应用范围极广的传动装置，广泛存在于各类机械设备中，常被用来改变传动方向，但机械锥形齿轮具有明显的缺点，例如噪声、磨损，润滑等等，这些缺点对于机械齿轮是不可避免的，因为机械齿轮就是依靠主动轮与从动轮的物理啮合来实现转矩传递的。磁齿轮是一种非接触式传动装置，不存在噪声、振动、摩擦损耗以及润滑等问题。而且能够实现输入轴与输出轴之间的物理隔离，具有过载自保护能力，安全可靠性较高。传统锥形磁齿轮与机械齿轮结构相似，每次只有部分永磁体而非转子上的所有永磁体都参与转矩传递，转矩密度很低，永磁体的利用率也不高。

为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足和缺陷而提供一种轴向锥形磁齿轮。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种轴向锥形磁齿轮，包括：

一第一转子，所述第一转子包括第一转子铁心和轴向贴在所述第一转子铁心第一端上的若干第一转子永磁体，相邻两个第一转子永磁体的轴向充磁方法相反；

第二转子，所述第二转子包括第二转子铁心和轴向贴在所述第二转子铁心第一端上的若干第二转子永磁体，相邻两个第二转子永磁体的轴向充磁方法相反；其特征在于，还包括：

一静止设置在所述第一转子的第一端和所述第二转子的第一端之间的调磁环，所述调磁环将所述第一转子永磁体所产生的磁场调制成一系列的空间谐波磁场，只要所述第二转子永磁铁极对数等于其中一个空间谐波磁场的极对数，所述第一转子与所述第二转子之间就能实现稳定的转矩传递。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一转子与所述第一转子中轴向垂直的径向面与所述第二转子与所述第二转子中轴向垂直的径向面之间呈一夹角θ，该夹角θ的取值范围为0°＜θ≤90°。

在本发明的一个优选实施例中，所述调磁环包括沿所述调磁环内径周向间隔布置且相互连接在一起的若干调磁环导磁块和若干调磁环非导磁块。

在本发明的一个优选实施例中，所述调磁环导磁块和所述调磁环非导磁块的形状和大小根据其安装位置和所述夹角θ的改变而改变，以保证无论夹角θ为何值，所述第一转子和所述第二转子分别与所述调磁环平行。

在本发明的一个优选实施例中，所述调磁环导磁块的数量等于所述第一转子永磁体的极对数与所述第二转子永磁铁的极对数之和。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一转子永磁体和所述第二转子永磁铁均沿轴向充磁或均按照聚磁式方式排列或均按照Halbach方式排列。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一转子的第一端与所述调磁环的第一端之间设置有第一气隙，所述第二转子的第一端与所述调磁环的第二端之间设置有第二气隙。

在本发明的一个优选实施例中，每个调磁环导磁块由硅钢片叠加而成，每一硅钢片均成等腰梯形，该等腰梯形的上底为m，下底为n，腰为p，计算公式如下：

其中，R为调磁环的外径，r为调磁环的内径；γ为两个相邻的调磁环导磁块的中心线夹角，γ＝360°/17，k＝0,1,2,3,···16，e为调磁环最短距离。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：

1、本发明改变了传统机械锥形齿轮的齿轮啮合进行传动的方式，省略了齿条等部件，通过磁力进行传动，无需润滑，不会磨损，机械的稳定性大大提高。

2、本发明转矩密度高，永磁体的利用率高。

3、本发明能够改变转矩的传动方向。

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—第一转子永磁体前视图。

图2—第二转子永磁体前视图。

图3—第一转子和第二转子的夹角90°时轴向锥形磁齿轮的示意图。

图4—第一转子和第二转子的夹角90°时调磁环的示意图。

图5—第一转子和第二转子的夹角90°时调磁环的剖面图。

图6—第一转子和第二转子的夹角10°时轴向锥形磁齿轮的示意图。

图7—第一转子和第二转子的夹角10°时调磁环的示意图。

图8—第一转子和第二转子的夹角10°时调磁环的剖面图。

图9为硅钢片的结构示意图。

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。

如图1至图9所示的一种轴向锥形磁齿轮，包括第一转子100、第二转子200和静止设置在第一转子100的第一端和第二转子200的第一端之间的调磁环300。第一转子100为高速转子，第一转子100包括第一转子铁心110和轴向贴在第一转子铁心110第一端的4对第一转子永磁体120，第一转子永磁体120内有4对永磁体，4对相邻的第一转子永磁体120为沿轴向充磁，4对相邻的第一转子永磁体120之间轴向充磁方向相反，4对相邻的第一转子永磁体120还可以按聚磁式或Halbach式排列。

第二转子200为低速转子，第二转子200包括第二转子铁心210和轴向贴在第二转子铁心210一端的第二转子永磁体220，第二转子永磁体220内有13对永磁体，13对相邻的第二转子永磁体220为沿轴向充磁，13对相邻的第二转子永磁体220之间轴向充磁方向相反，13对相邻的第二转子永磁体220还可以按聚磁式或Halbach式排列。第一转子100与第一转子100中轴向垂直的径向面与第二转子200与第二转子200中轴向垂直的径向面之间呈一夹角θ，该夹角θ的取值范围为0°＜θ≤90°。

调磁环300包括沿调磁环300内径周向间隔布置且相互连接在一起的若干调磁环导磁块310和若干调磁环非导磁块320，每个调磁环导磁块310由硅钢片400叠加而成。调磁环导磁块310和调磁环非导磁块320的形状和大小根据其安装位置和夹角θ的改变而改变，以保证无论夹角θ为何值，调磁环300的第一端330和第二端340分别与第一转子100的第一端130和第二转子200的第一端230平行设置。第一转子100的第一端130与调磁环300第一端330之间保持有空间间隙510，第二转子200的第一端230与调磁环300第二端340之间保持有空间间隙520。调磁环300将4对第一转子永磁体120所产生的磁场调制成一系列的空间谐波磁场，只要13对第二转子永磁铁220极对数等于其中一个空间谐波磁场的极对数，第一转子100与第二转子200之间就能实现稳定的转矩传递。

工作原理如下：调磁环300的磁场调制功能，调磁环300将4对第一转子永磁体120或13对第二转子永磁体220所产生的磁场调制成一系列的空间谐波磁场，只要13对第二转子永磁铁220极对数或4对第一转子永磁铁120极对数等于其中一个空间谐波磁场的极对数，第一转子100与第二转子200之间就能实现稳定的转矩传递。当调磁环导磁块310的数量等于第一转子永磁体120和第二转子永磁铁220的极对数之和时，能够实现最大的转矩传递能力。

第一转子100和第二转子200产生的磁场经调磁环300的调制作用后产生的磁场极对数和对应的旋转速度分别为：

p_m,k＝|mp+kn_s| (1)

式中p为第一转子100或第二转子200的极对数，Ω_r为第一转子100或第二转子200的机械旋转转速，Ω_s为调磁环300的机械旋转速度，m＝1,3,5,···,∞；k＝0,±1,±2,±3,···,∞。

由公式(2)可以看出k＝0时，Ω_m,k＝Ω_r即第一转子100或第二转子200的机械旋转速度等于谐波旋转速度，因此，要实现变速传动，应选择k≠0。而当k≠0时第一转子永磁体110或第二转子永磁体220产生的磁场经过调磁环调制300后的磁场空间谐波的旋转速度对比调制前发生了变化，即实现了磁场变速。同时，要想使第二转子200传递的转矩达到最大，第二转子200的磁场极数应该与幅值最大的谐波磁场极数相同。而选择m＝1,k＝-1谐波幅值最大，能够产生最大的转矩。轴向锥形磁齿轮的第一转子永磁体120的极对数P_h、调磁环导磁块310的块数n_s、第二转子永磁体220的极对数P_l满足以下公式：

n_s＝p_h+p_l

因此，第一转子100和第二转子200的转速比为：

Ω_h,Ω_l分别为第一转子100旋转速度和第二转子200旋转速度，-表示第一转子100旋转方向和第二转子200旋转方向相反。

调磁环300的尺寸与第一转子100和第二转子200的夹角θ有关，调磁环导磁块310都是由硅钢片400叠加而成的。图9为每个调磁环导磁块310最中间的硅钢片400，每个硅钢片400均成等腰梯形上底为m，下底为n，腰为p，计算公式如下：

调磁环300的剖面图为圆环，R为调磁环300的外径，r为调磁环300的内径；γ为两个相邻的调磁环导磁块310的中心线夹角，γ＝360°/17，k＝0,1,2,3,···16，e为调磁环300最短距离，夹角θ为10°或90°。

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)

1.一种轴向锥形磁齿轮，包括：

一第一转子，所述第一转子包括第一转子铁心和轴向贴在所述第一转子铁心第一端上的若干第一转子永磁体，相邻两个第一转子永磁体的轴向充磁方法相反；

第二转子，所述第二转子包括第二转子铁心和轴向贴在所述第二转子铁心第一端上的若干第二转子永磁体，相邻两个第二转子永磁体的轴向充磁方法相反；其特征在于，还包括：

一静止设置在所述第一转子的第一端和所述第二转子的第一端之间的调磁环，所述调磁环将所述第一转子永磁体所产生的磁场调制成一系列的空间谐波磁场，只要所述第二转子永磁铁极对数等于其中一个空间谐波磁场的极对数，所述第一转子与所述第二转子之间就能实现稳定的转矩传递。

2.如权利要求2所述的一种轴向锥形磁齿轮，其特征在于，所述第一转子与所述第一转子中轴向垂直的径向面与所述第二转子与所述第二转子中轴向垂直的径向面之间呈一夹角θ，该夹角θ的取值范围为0°＜θ≤90°。

3.如权利要求2所述的一种轴向锥形磁齿轮，其特征在于，所述调磁环包括沿所述调磁环内径周向间隔布置且相互连接在一起的若干调磁环导磁块和若干调磁环非导磁块。

4.如权利要求3所述的一种轴向锥形磁齿轮，其特征在于，所述调磁环导磁块和所述调磁环非导磁块的形状和大小根据其安装位置和所述夹角θ的改变而改变，以保证无论夹角θ为何值，所述第一转子和所述第二转子分别与所述调磁环平行。

5.如权利要求4所述的一种轴向锥形磁齿轮，其特征在于，所述调磁环导磁块的数量等于所述第一转子永磁体的极对数与所述第二转子永磁铁的极对数之和。

6.如权利要求5所述的一种轴向锥形磁齿轮，其特征在于，所述第一转子永磁体和所述第二转子永磁铁均沿轴向充磁或均按照聚磁式方式排列或均按照Halbach方式排列。

7.如权利要求6所述的一种轴向锥形磁齿轮，其特征在于，所述第一转子的第一端与所述调磁环的第一端之间设置有第一气隙，所述第二转子的第一端与所述调磁环的第二端之间设置有第二气隙。

8.如权利要求7所述的一种轴向锥形磁齿轮，其特征在于，每个调磁环导磁块由硅钢片叠加而成，每一硅钢片均成等腰梯形，该等腰梯形的上底为m，下底为n，腰为p，计算公式如下：

其中，R为调磁环的外径，r为调磁环的内径；γ为两个相邻的调磁环导磁块的中心线夹角，γ＝360°/17，k＝0,1,2,3,···16，e为调磁环最短距离。