CN110098717B - 变速机构及包含该变速机构的电气产品 - Google Patents

Abstract

一种变速机构及包含该变速机构的电气产品，所述变速机构包括：沿中心轴线延伸的旋转轴、轴向磁通马达以及轴向磁性调速机，所述轴向磁通马达具有：定子以及位于所述定子的轴向一侧且连接于所述旋转轴的第一转子；所述轴向磁性调速机具有：位于所述定子的轴向一侧且连接于所述旋转轴的输入侧转子；位于所述输入侧转子的在轴向上远离所述定子的一侧且连接于所述旋转轴的输出侧转子；以及位于所述输入侧转子与所述输出侧转子之间的磁场调制轭铁块，其中，所述轴向磁通马达的所述第一转子与所述轴向磁性调速机的所述输入侧转子为同一转子。由此，能够使得变速机构薄型化，增大输出转矩，降低磨耗，并提高输出效率和/或变速机构使用寿命。

Description

变速机构及包含该变速机构的电气产品

技术领域

本发明涉及马达领域，特别涉及一种变速机构及包含该变速机构的电气产品。

背景技术

现有的减速机构可以使用马达与机械齿轮减速机相结合的结构，这种减速机构通常是在马达之外直接连接机械齿轮减速机。这种情况下，机械磨耗较大，使用寿命较短，传递效率也比较低。

针对以上机械齿轮减速机的弊端，近年来，无机械接触无摩擦的磁性减速机得到了关注。磁性减速机是利用主动轮和从动轮之间的永磁体的N极与S极的相互吸引而实现传动的技术。

径向磁性减速机是磁性减速机的一种，径向磁性减速机具有双边磁环(双转子)，在双边磁环之间配置有磁场调制导磁体。该径向磁性减速机与径向磁通马达整合在一起，构成了径向磁性减速机构。在该径向磁性减速机构中，马达的外转子与径向磁通减速机的内转子结合在一起，马达的定子位于径向磁性减速机的内转子包围的空间。采用这种结构的减速机构，减少了重量与体积，降低了机械磨耗，提高了驱动能力及功率密度。但是，该结构的构造复杂，加工组装困难，可靠度不高。并且，为了配合径向磁通马达的整体长度，径向磁性减速机的永磁体的厚度需设计成与马达的转子相同，不利于薄型化。

针对以上径向磁性减速机构的弊端，从业者开发出了轴向磁性减速机构。轴向磁性减速机构由轴向磁通马达与轴向磁性减速机相组合构成。该轴向磁通马达为单边转子马达，转子由磁石块与轭铁盘构成。轴向磁性减速机具有一个高速转子、一个低速转子和磁场调制轭铁块，该高速转子与轴向磁通马达的上述转子的磁石块的数量以及磁石块排列方向相同，该低速转子的磁石块数量根据要达成的减速比而设计，该磁场调制轭铁块位于上述高速转子与上述低速转子之间。当马达的转子与减速机的高速转子转动时，通过磁场调制轭铁块带动减速机的低速转子转动，而达到减速与放大扭矩的效果。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

发明人发现，在上述轴向磁性减速机构的结构中，由于轴向磁通马达的单边转子具有一个圆盘形轭铁盘，导致磁路止于马达内部，无法将马达转子直接作为磁性减速机的高速转子，因此磁性减速机需要额外配置高速转子，从而导致减速机构在二者连接处具有两个转子。因此，减速机构的厚度和磁石的用量均增加，不利于薄型化。

为了解决上述问题的至少一个，本发明实施例提供了一种变速机构及包含该变速机构的电气产品。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种变速机构，包括沿中心轴线延伸的旋转轴、轴向磁通马达以及轴向磁性调速机，

所述轴向磁通马达具有：定子以及位于所述定子的轴向一侧且连接于所述旋转轴的第一转子；

所述轴向磁性调速机具有：位于所述定子的轴向一侧且连接于所述旋转轴的输入侧转子；位于所述输入侧转子的在轴向上远离所述定子的一侧且连接于所述旋转轴的输出侧转子；以及位于所述输入侧转子与所述输出侧转子之间的磁场调制轭铁块，

其中，所述轴向磁通马达的所述第一转子与所述轴向磁性调速机的所述输入侧转子为同一转子。

在一个实施例中，所述旋转轴包括第一轴和与所述第一轴同心的第二轴；所述第一转子也即所述输入侧转子连接于所述第一轴，所述输出侧转子连接于所述第二轴。

在一个实施例中，所述轴向磁通马达还具有位于所述定子的轴向另一侧的第二转子；所述第二转子由中央连接有所述第一轴的圆盘形轭铁盘以及分布于所述圆盘形轭铁盘的朝向所述定子的一侧的扇形磁石构成。

在一个实施例中，所述扇形磁石的轴向高度大于1.2mm。

在一个实施例中，所述第一转子为由长方形辅助磁石条与分块式轭铁交错排列构成的圆环盘。

在一个实施例中，所述扇形磁石的总量大于所述长方形辅助磁石条的总量。

在一个实施例中，所述长方形辅助磁石条的轴向高度小于所述第二转子的轴向高度。

在一个实施例中，所述长方形辅助磁石条的轴向高度大于2mm。

在一个实施例中，所述第一转子与所述定子间的轴向气隙高度小于或等于所述第二转子与所述定子间的轴向气隙高度。

在一个实施例中，所述变速机构还具有马达固定外壳，其将所述轴向磁通马达和所述轴向磁性调速机收纳于其中，所述定子与所述磁场调制轭铁块均固定于所述马达固定外壳。

在一个实施例中，所述输出侧转子包括输出侧转子磁石，所述输入侧转子包括输入侧转子磁石，所述输出侧转子磁石的数目大于所述输入侧转子磁石的数目。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种电气产品，其中，所述电气产品包括前述的变速机构。

本发明实施例的有益效果在于：通过本实施例的变速机构，能够使得变速机构薄型化，增大输出转矩，降低磨耗，并提高输出效率和/或变速机构的使用寿命。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在本发明实施例的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。此外，在附图中，类似的标号表示几个附图中对应的部件，并可用于指示多于一种实施方式中使用的对应部件。

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在附图中：

图1是轴向磁性减速机的示意图；

图2是扇形磁石的部分示意图；

图3是输入侧转子的部分示意图；

图4是实施例1的变速机构的一个实施方式的示意图；

图5是实施例1的变速机构的一个实施方式的剖视图；

图6是实施例1的变速机构的一个实施方式的分解图；

图7是第二转子的示意图；

图8是实施例1的变速机构的另一个实施方式的剖视图；

图9是实施例1的变速机构的再一个实施方式的剖视图；

图10是实施例1的变速机构的又一个实施方式的剖视图；

图11是实施例1的变速机构的另一个实施方式的剖视图；

图12是实施例1的变速机构的另一个实施方式的分解图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本发明实施例中，术语“第一”、“第二”等用于对不同元素从称谓上进行区分，但并不表示这些元素的空间排列或时间顺序等，这些元素不应被这些术语所限制。术语“和/或”包括相关联列出的术语的一种或多个中的任何一个和所有组合。术语“包含”、“包括”、“具有”等是指所陈述的特征、元素、元件或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、元素、元件或组件。

在本发明实施例中，单数形式“一”、“该”等包括复数形式，应广义地理解为“一种”或“一类”而并不是限定为“一个”的含义；此外术语“所述”应理解为既包括单数形式也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。此外术语“根据”应理解为“至少部分根据……”，术语“基于”应理解为“至少部分基于……”，除非上下文另外明确指出。

在本发明实施例中，为了说明的方便，将与沿中心轴线延伸的方向平行的方向称为“轴向”，将以中心轴线为中心的半径方向称为“径向”，将围绕中心轴线的方向称为“周向”，但这只是为了说明的方便，并不限定本发明实施例的变速机构在使用和制造时的朝向。

为了使本发明实施例的变速机构的结构和工作原理更加清楚易懂，下面对轴向磁性减速机的工作原理进行说明。

图1为轴向磁性减速机的示意图，如图1所示，该轴向磁性减速机包括输入侧转子(高速转子)3、输出侧转子(低速转子)5、以及磁场调制轭铁部4。如图1所示，输入侧转子3与输出侧转子5呈现扁平的圆盘状，输入侧转子3与输出侧转子5之间装配有调制气隙磁场作用的磁场调制轭铁部4，磁场调制轭铁部4的端面与输入侧转子3和输出侧转子5的端面均有气隙，且三者之间成同轴线分布。

此外，如图1所示，输入侧转子3包括扇形导磁轭铁块31和长方形磁石条32，长方形磁石条32的数量为2Ph个，Ph为输入侧转子3的磁石极对数；输出侧转子5包括扇形磁石51和导磁轭铁盘52，扇形磁石51的数量为2Pl个，Pl为输出侧转子5的磁石极对数；磁场调制轭铁部4包括均匀分布的Z个辐射状调制轭铁块41。

图2是扇形磁石51的部分示意图，其中，N表示该磁石面为N极性，S表示该磁石面为S极性。图3是输入侧转子3的部分示意图，其中，N’表示该扇形导磁轭铁块31透过磁石磁化出的等效磁性为N极性，S’表示该扇形导磁轭铁块31透过磁石磁化出的等效磁性为S极性。

当输入侧转子3以转速Ni旋转时，输入侧转子3的2Ph个长方形磁石条32对扇形导磁轭铁块31磁化出等效N极与S极磁性，并透过磁场调制轭铁块41与输出侧转子5的2Pl个扇形磁石51的磁场交互作用形成一封闭合成气隙磁场，该气隙磁场产生的切向力带动输出侧转子5以转速No旋转。输入侧转子3的磁石极对数Ph、输出侧转子5的磁石极对数Pl，磁场调制轭铁块41的数量Z满足以下关系约束：

Ni/No＝Gr＝Pl/Ph，Z＝Ph+Pl

Gr表示输入侧转子3的转速Ni与输出侧转子5的转速No的比例关系。

轴向磁性减速机的基本原理为：使用调磁块(磁场调制轭铁块41)调制两边转子(输入侧转子3和输出侧转子5)上的磁石所产生的磁场，使调制好的磁场具有的空间磁场谐波与相对面转子上的磁石相互作用，进而达到输入侧转子3的磁石带动输出侧转子5运转。

当具有Ph极对磁石的转子以速度Ni旋转时，磁石所产生的磁场经过静止的调磁块(假设调磁块数目为Zn)分流后，在气隙间形成一个空间分布磁场，该磁场在半径为r，空间角度为θ处的磁感应强度径向分量B_r(r，θ)可表示为：

其中b_rm为没有调磁块时气隙磁场感应强度径向分量的傅立叶系数，t为时间变量，θ₀为初始空间相位角，λr0为调磁块的磁导平均值，λrj为加入调磁块后调磁块数目对磁场径向分量分流函数的傅立叶系数。经整理后，上式可改写成如下：

综合上式中空间角度θ的系数，该气隙磁场中所包含的各谐波磁场可表示为：

Ph_m,k＝|mPh+kZ|

m＝1,3,5,...,∞

k＝0,±1,±2,±3,...,±∞

从谐波分析的角度来看，式中余弦函数内时间t的系数表示的是谐波磁场对应的旋转速度。而该气隙磁场所包含的各次谐波项所对应的旋转速度可整合表示为：

在所有分流谐波磁场中m＝1且k＝-1的组合所对应的Ph_1,-1次分流谐波磁场的幅値最大，则Ph_1,-1次谐波项次及对应转速如下：

Ph_1,-1＝|Ph-Z|

根据机电能量转换定律，两个磁场要进行稳定的能量传递，这两个磁场的磁极对数必须相同。因此在磁性齿轮中，总是将低速转子磁极对数取为|Z-Ph|对。这样磁场分流作用产生的Ph_1,-1次分流谐波磁场与另外一个转子主磁场相互作用就会产生同步转矩。

令输出侧磁石数为Pl，则减速比为：

Gr＝(Ph-Z/Ph)＝Pl/Ph

基于上述减速机构存在的问题，提出了本发明实施例的变速机构，本发明实施例的变速机构可以作为减速机构使用，但本实施例对此不作限制，本领域技术人员基于本发明实施例公开的原理和实施方式，能够想到的其他应用场景和领域都包含于本申请的保护范围。

下面结合附图对本发明的各种实施方式进行说明。这些实施方式只是示例性的，不是对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供了一种变速机构。图4是该变速机构的一个实施方式的示意图，图5是该变速机构的一个实施方式的剖视图，图11是该变速机构的另一个实施方式的剖视图。

在本实施例中，如图4和图5所示，该变速机构包括：沿中心轴线C延伸的旋转轴100(如图11所示)、轴向磁通马达200和轴向磁性调速机300。轴向磁通马达200具有：定子201以及位于定子201的轴向一侧且连接于旋转轴100(如图11所示)的第一转子202。轴向磁性调速机300具有：位于定子201的轴向一侧且连接于旋转轴100的输入侧转子301；位于输入侧转子301的在轴向上远离定子201的一侧且连接于旋转轴100的输出侧转子302；以及位于输入侧转子301与输出侧转子302之间的磁场调制轭铁块303。

在本实施例中，轴向磁通马达200的上述第一转子202与轴向磁性调速机300的上述输入侧转子301为同一转子。

在本实施例中，上述第一转子202也可以称为马达的下转子，上述输入侧转子301也可以称为调速机的高速转子，通过本实施例的变速机构的结构，马达的下转子(第一转子202)同时作为轴向磁性调速机的高速转子(输入侧转子301)使用，由此可以不用额外设置高速转子，有利于变速机构的薄型化。

在本实施例中，如图11所示，旋转轴100可以包括第一轴101和与该第一轴101同心的第二轴102，第一转子202也即输入侧转子301连接于第一轴101，输出侧转子302连接于第二轴102。第一轴101旋转带动轴向磁通马达200的第一转子202也即轴向磁性调速机的输入侧转子301旋转，当轴向磁通马达200的第一转子202也即输入侧转子301旋转时，磁场变化通过磁场调制轭铁块303与输出侧转子302的磁场交互作用，而产生变速与放大转矩的功能。由此，增加了输出转矩且降低了磨耗，提高了变速机构的输出效率与使用寿命。

图6是本实施例的变速机构的一个实施方式的分解图，如图4-图6所示，轴向磁通马达200还可以具有位于定子201的轴向另一侧的第二转子203。图7是该第二转子203的示意图，如图6和图7所示，该第二转子203由中央连接有上述第一轴101的圆盘形轭铁盘601以及分布于该圆盘形轭铁盘601的朝向定子201的一侧的扇形磁石602构成。扇形磁石602的磁化方向为轴向，以N极和S极交错排列。

在本实施例中，如果该轴向磁通马达200仅使用单边转子，也即该马达200仅具有前述第一转子202，则该转子(第一转子202)的磁石需要兼顾马达200所需的磁通与调速机300所需的磁通，磁石的需求量将不只双倍。因此，磁石厚度会显著的增加许多。在本实施方式中，该轴向磁通马达200使用了双边转子，也即具有前述第一转子202和前述第二转子203，由此，不仅可以让磁通回路更为集中，确保马达的特性，还可省去定子铁芯中作为引导相邻定子齿槽间磁通路径流动用的连接轭铁部，仅保留绕线部的定子铁芯区块即可，减少马达200的厚度与材料用量。

在本实施例中，如图6所示，定子201可以包括定子铁芯603和卷绕于定子铁芯603上的线圈604，该定子铁芯603可以是软磁复合材料制成，但本实施例并不以此作为限制。

在本实施例中，如图6所示，第一转子202(输入侧转子301)可以包括分块式轭铁605和长方形辅助磁石条606。该分块式轭铁605可以是由软磁复合材料制成的扇形导磁轭铁块，并且，该长方形辅助磁石条606和该分块式轭铁605可以沿周向交错排列，形成圆盘状。由此结构，一方面可以集中轴向磁通马达200的磁通路径，提高输出扭矩，另一方面可以作为轴向磁性调速机300的高速转子之用。并且，该结构利用长方形辅助磁石条与分块式轭铁交错排列可达到减薄厚度的效果。

在本实施例中，如图6所示，磁场调制轭铁块303可以由扇形轭铁块在周向上排列构成圆环状，并且两两间隔可以相等。

在本实施例中，如图6所示，输出侧转子302可以包括圆盘形的导磁轭铁盘608和沿周向排列的扇形磁石块607，该扇形磁石块607的磁化方向也为轴向，并以N极和S极交错排列。

在本实施例中，可以采用扇形磁石602的轴向高度优先的方式进行设计，由于第二转子203为主要磁通来源，通过优先考虑扇形磁石602的轴向高度，可以确保马达特性。例如，设计上可以先调整扇形磁石602的厚度来确保马达的输出性能，再考虑加入长方形辅助磁石条606后可提升多少性能，然后，再总体考虑调整扇形磁石602的用量。但并不表示扇形磁石602的轴向高度一定大于长方形辅助磁石条606的轴向高度。

在一个实施方式中，上述扇形磁石602的总量可以大于上述长方形辅助磁石条606的总量，由此，可以确保达到有效的磁通利用。

在一个实施方式中，上述扇形磁石602的轴向高度可以大于1.2mm，由此，可以防止马达高温退磁。

图8是本实施例的变速机构的另一个实施方式的剖视图。

如图8所示，在一个实施方式中，上述长方形辅助磁石条606的轴向高度h1可以小于上述第二转子203的轴向高度h2，由此，能够在确保马达性能的同时，达到薄型化的效果。

如图8所示，在一个实施方式中，上述长方形辅助磁石条606的轴向高度h1可以大于2mm，由此，可以防止第一转子202(输入侧转子301)的分块式轭铁605的磁通密度饱和。

图9是本实施例的变速机构的再一个实施方式的剖视图。

如图9所示，在一个实施方式中，第一转子202(输入侧转子301)与定子201之间的轴向气隙高度h3小于或等于第二转子203与定子201之间的轴向气隙高度h4。由此，可以缩短马达的高度，提升输出转矩。

在本实施例中，如图6所示，输出侧转子302可以包括扇形磁石块607(也称为输出侧转子磁石)，输入侧转子301(第一转子202)可以包括长方形辅助磁石条606(也称为输入侧转子磁石)，输出侧转子磁石的数目可以大于输入侧转子磁石的数目。由此，该变速机构可以作为减速机使用。

图10是本实施例的变速机构的又一个实施方式的剖视图。

如图10所示，在一个实施方式中，输入侧转子301(第一转子202)与磁场调制轭铁块303之间具有轴向气隙h5，并且输出侧转子302与磁场调制轭铁块303之间具有轴向气隙h6。由此，可以实现无摩擦变速。

在本实施例中，输入侧转子301的磁石极对数(Ph)，输出侧转子302的磁石极对数(Pl)，以及减速比(Gr)可以满足如下关系：Gr＝Pl/Ph。这里，磁石极对数等于磁石数目除以2。

在本实施例中，输入侧转子301的磁石极对数(Ph)，输出侧转子302的磁石极对数(PI)，以及磁场调制轭铁块303的数量(Z)可以满足如下关系：Z＝Pl+Ph。

图12是本实施例的变速机构的另一个实施方式的分解图。

如图11和图12所示，在本实施例中，该变速机构还可以具有马达固定外壳400，其将上述轴向磁通马达200和上述轴向磁性调速机300收纳于其中，并且，定子201和磁场调制轭铁块303均固定于该马达固定外壳400，可以通过锁固或填胶的方式固定，但本实施例对此不做限制。

在本实施例中，该变速机构可以应用于机器人关节、个人移动辅助装置、自动导引运输车(AGV)、电动车(EV)的轮内马达等等。

通过本实施例的变速机构的结构，能够使得变速机构薄型化，增大输出转矩，降低磨耗，并提高输出效率和/或变速机构的使用寿命。

实施例2

本实施例提供了一种电气产品，该电气产品包括实施例1所述的变速机构，作为该电气产品的示例，可以是机器人、个人移动辅助装置、自动导引运输车(AGV)、电动车(EV)等等。

以上仅对与本发明有关的内容作了说明，关于该电气产品的其他构成，可以参考现有技术，此处不再赘述。

以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种变速机构，包括沿中心轴线延伸的旋转轴、轴向磁通马达以及轴向磁性调速机，

所述轴向磁通马达具有：定子以及位于所述定子的轴向一侧且连接于所述旋转轴的第一转子；

所述轴向磁性调速机具有：位于所述定子的轴向一侧且连接于所述旋转轴的输入侧转子；位于所述输入侧转子的在轴向上远离所述定子的一侧且连接于所述旋转轴的输出侧转子；以及位于所述输入侧转子与所述输出侧转子之间的磁场调制轭铁块，

其特征在于，所述轴向磁通马达的所述第一转子与所述轴向磁性调速机的所述输入侧转子为同一转子，

所述旋转轴包括第一轴和与所述第一轴同心的第二轴；所述第一转子也即所述输入侧转子连接于所述第一轴，所述输出侧转子连接于所述第二轴，

所述轴向磁通马达还具有位于所述定子的轴向另一侧的第二转子；所述第二转子由中央连接有所述第一轴的圆盘形轭铁盘以及分布于所述圆盘形轭铁盘的朝向所述定子的一侧的扇形磁石构成。

2.根据权利要求1所述的变速机构，其特征在于，所述扇形磁石的轴向高度大于1.2mm。

3.根据权利要求1所述的变速机构，其特征在于，所述第一转子为由长方形辅助磁石条与分块式轭铁交错排列构成的圆环盘。

4.根据权利要求3所述的变速机构，其特征在于，所述扇形磁石的总量大于所述长方形辅助磁石条的总量。

5.根据权利要求3所述的变速机构，其特征在于，所述长方形辅助磁石条的轴向高度小于所述第二转子的轴向高度。

6.根据权利要求3所述的变速机构，其特征在于，所述长方形辅助磁石条的轴向高度大于2mm。

7.根据权利要求3所述的变速机构，其特征在于，所述第一转子与所述定子间的轴向气隙高度小于或等于所述第二转子与所述定子间的轴向气隙高度。

8.根据权利要求1所述的变速机构，其特征在于，所述变速机构还具有马达固定外壳，其将所述轴向磁通马达和所述轴向磁性调速机收纳于其中，所述定子与所述磁场调制轭铁块均固定于所述马达固定外壳。

9.根据权利要求1所述的变速机构，其特征在于，所述输出侧转子包括输出侧转子磁石，所述输入侧转子包括输入侧转子磁石，所述输出侧转子磁石的数目大于所述输入侧转子磁石的数目。

10.一种电气产品，其特征在于，所述电气产品包括权利要求1-9任一项所述的变速机构。

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