CN112491243B - 调磁环组件、磁力齿轮和复合电机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种调磁环组件、磁力齿轮和复合电机。该调磁环组件包括调磁环(1)和调磁环支撑结构，调磁环(1)与调磁环支撑结构套接固定，调磁环(1)包括沿周向交替设置的凸极(2)和第一凹槽(3)，调磁环支撑结构包括套环(4)和沿套环(4)的表面周向间隔设置的凸起(5)和第二凹槽(6)，凸极(2)嵌入第二凹槽(6)内，凸起(5)嵌入第一凹槽(3)内。根据本申请的调磁环组件，能够有效增强调磁环组件的强度和刚度，增大输出转矩的稳定性，保证调磁环组件有效输出大转矩，降低转矩波动。
Description
技术领域
本申请涉及动力传动技术领域，具体涉及一种调磁环组件、磁力齿轮和复合电机。
背景技术
同心式磁力齿轮是一种用于实现低速大扭矩的变速装置，相比于传统的变速机械齿轮结构，同心式磁力齿轮具有如下优点：1、采用非接触式结构，减小了振动及噪声；2、不需要润滑，免维护，具有高可靠性；3、具有过载自保护能力。
在现有技术中，磁力齿轮由内侧高速转子、外侧低速转子以及位于两者中间的调磁环组成，可以固定内侧高速转子、外侧低速转子、调磁环中的任意一者，使另外两者旋转，也可以三者同时旋转。用于磁力齿轮上的调磁环通常采用软磁材料和非导磁材料交替排列组合而成，但在该组合形式中，软磁材料一般由很窄的磁桥连接，或者根本无磁桥连接，非导磁材料也是独立安装于软磁材料之间，导致了该种组合的调磁环结构的强度及刚度较低，易发生变形，无法有效的输出大转矩，且会降低输出转矩的稳定性，增大转矩波动，这对于需要平稳运行的场合有很大的影响。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种调磁环组件、磁力齿轮和复合电机，能够有效增强调磁环组件的强度和刚度，增大输出转矩的稳定性，保证调磁环组件有效输出大转矩，降低转矩波动。
为了解决上述问题，本申请提供一种调磁环组件，包括调磁环和调磁环支撑结构，调磁环与调磁环支撑结构套接固定，调磁环包括沿周向交替设置的凸极和第一凹槽，调磁环支撑结构包括套环和沿套环的表面周向间隔设置的凸起和第二凹槽，凸极嵌入第二凹槽内，凸起嵌入第一凹槽内。
优选地，套环与凸起为一体式结构；和/或，调磁环和调磁环支撑结构形成一体式结构。
优选地，套环与凸起由非导电非导磁材料一体成型。
优选地，调磁环还包括环形的磁桥，凸极沿周向间隔设置在磁桥表面。
优选地，调磁环由软磁材料一体成型。
优选地，凸极设置在磁桥的外周面上，凸起设置在套环的内周面上。
优选地，调磁环的最大外圆半径为Ra1，调磁环支撑结构的最大外圆半径为Ra2，其中Ra2-Ra1＝0.5～1mm。
优选地，磁桥的径向厚度为d1，调磁环的径向厚度为d2，其中d1/d2＝0.1～0.2。
优选地，在垂直于调磁环的中心轴线的截面内，凸极的两个侧边之间的夹角为a1，第一凹槽的两个侧边之间的夹角为a2，其中a1/a2＝0.4～2.4。
优选地，调磁环支撑结构套设在调磁环的外周侧，调磁环支撑结构上设置有沿轴向延伸的连接孔，连接孔为盲孔或通孔，连接孔的中心与套环的外周壁之间的距离为L1，连接孔的中心与凸起的内周壁之间的距离为L2，L2/L1＝1～1.2。
优选地，调磁环组件还包括设置在套环第一端的第一端盖和设置在套环第二端的第二端盖，第一端盖和第二端盖固定连接在套环上，并夹紧固定调磁环。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁力齿轮，包括内转子、外转子和上述的调磁环组件，调磁环组件设置在内转子的外周壁与外转子的内周壁之间。
优选地，调磁环组件包括第一端盖和第二端盖时，磁力齿轮还包括输入轴和输出轴，内转子套设在输入轴上，并与输入轴同步转动，第一端盖通过轴承支撑在输入轴的第一端，第二端盖通过轴承支撑在输入轴的第二端，输出轴连接在第二端盖上。
根据本申请的另一方面，提供了一种复合电机，包括上述的调磁环组件或上述的磁力齿轮。
本申请提供的调磁环组件，包括调磁环和调磁环支撑结构，调磁环与调磁环支撑结构套接固定，调磁环包括沿周向交替设置的凸极和第一凹槽，调磁环支撑结构包括套环和沿套环的表面周向间隔设置的凸起和第二凹槽，凸极嵌入第二凹槽内，凸起嵌入第一凹槽内。该调磁环组件利用调磁环支撑结构对调磁环形成支撑，使得调磁环的凸极设置在调磁环支撑结构的第二凹槽内，并使得调磁环支撑结构的凸起嵌入调磁环的第一凹槽内，且使得凸起设置在套环结构上，利用套环将所有的凸起连接成整体式结构，进而利用调磁环支撑结构使得调磁环和调磁环支撑结构形成整体式结构，利用调磁环支撑结构对调磁环进行支撑，从而利用调磁环支撑结构有效增强调磁环组件的强度和刚度，增大调磁环组件输出转矩的稳定性，保证调磁环组件有效输出大转矩，降低转矩波动，提高调磁环组件的工作性能。
附图说明
图1为本申请实施例的调磁环组件的横截面结构图；
图2为本申请实施例的调磁环组件的调磁环的结构示意图；
图3为本申请实施例的调磁环组件的调磁环支撑结构的示意图；
图4为本申请实施例的调磁环组件的纵剖结构示意图；
图5为本申请实施例的调磁环组件的输出轴的立体结构示意图；
图6为本申请实施例的调磁环组件的a1与a2的比值与输出转矩的关系图；
图7为本申请实施例的调磁环组件的d1与d2的比值与输出转矩的关系图；
图8为本申请实施例的调磁环组件的Ra2与Ra1的差值与输出转矩的关系图。
附图标记表示为：
1、调磁环；2、凸极；3、第一凹槽；4、套环；5、凸起；6、第二凹槽；7、磁桥；8、连接孔；9、第一端盖；10、第二端盖；11、内转子；12、外转子；13、输入轴；14、输出轴；15、轴承；16、内永磁体；17、外永磁体。
具体实施方式
结合参见图1至图5所示，根据本申请的实施例，调磁环组件包括调磁环1和调磁环支撑结构，调磁环1与调磁环支撑结构套接固定，调磁环1包括沿周向交替设置的凸极2和第一凹槽3，调磁环支撑结构包括套环4和沿套环4的表面周向间隔设置的凸起5和第二凹槽6，凸极2嵌入第二凹槽6内，凸起5嵌入第一凹槽3内。
该调磁环组件利用调磁环支撑结构对调磁环1形成支撑，使得调磁环1的凸极2设置在调磁环支撑结构的第二凹槽6内，并使得调磁环支撑结构的凸起5嵌入调磁环1的第一凹槽3内，且使得凸起5设置在套环4上，利用套环4将所有的凸起5连接形成整体式结构，进而利用调磁环支撑结构使得调磁环1和调磁环支撑结构形成整体式结构，利用调磁环支撑结构对调磁环1进行支撑，从而利用调磁环支撑结构有效增强调磁环组件的强度和刚度，增大调磁环组件输出转矩的稳定性，保证调磁环组件有效输出大转矩，降低转矩波动，提高调磁环组件的工作性能。
在本申请中，增加了调磁环支撑结构，不再利用调磁环1自身的结构来承载转矩，而是主要依靠调磁环支撑结构来承载转矩，避免了由于调磁环1必须采用软磁材料导致的调磁环的整体结构强度及刚度较低，易发生变形的问题，使得调磁环1能够通过调磁环支撑结构来进行支撑，从提高了调磁环组件的整体强度和刚度，使得调磁环组件能够承受更大载荷，输出更大转矩，实现了调磁环组件的大转矩输出。
由于调磁环组件主要依靠调磁环支撑结构提供支撑作用，因此，调磁环1可以采用分块式结构，也即，调磁环1可以为多个凸极2，多个凸极2之间并不连接，而是通过固定设置在调磁环支撑结构的第二凹槽6内的方式形成对凸极2的安装固定，并且实现对凸极2的定位。由于凸极2采用软磁材料制成，而调磁环支撑结构的凸起5采用非导磁材料制成，因此，使得凸极2和凸起5也能够形成软磁材料和非导磁材料交替排列的结构，不影响调磁环的整体性能。
当然，调磁环1也可以采用整体式结构。
套环4与凸起5可以为一体式结构，这种一体式结构可以采用套环4与凸起5分开成型之后固定连接为一体的方式，也可以采用直接一体成型套环4与凸起5的方式，优选地，在本实施例中，套环4与凸起5由非导电非导磁材料一体成型。当套环4与凸起5采用一体成型方式成型为一体时，由于凸起5不用单独成型之后固定在套环4上，因此，可以直接在成型套环4的过程中成型凸起5，简化了成型结构，可以提高凸起5与套环4之间的结合强度，进而提高整个调磁环组件的承载能力，降低成型难度，提高成型效率。
优选地，调磁环1和调磁环支撑结构形成一体式结构，也即，调磁环1与调磁环支撑结构之间最终形成具有良好连接强度的一体式结构，两者之间可以通过胶粘固结为一体，也可以先成型其中一个结构，然后再成型另一个结构的过程中，将已经成型好的结构与待成型的结构放在一起进行成型，最终成型为一体，从而保证调磁环1与调磁环支撑结构之间能够形成良好的配合关系，结构强度和结合强度都更好，工作性能更加稳定可靠。
调磁环1还包括环形的磁桥7，凸极2沿周向间隔设置在磁桥7表面。优选地，调磁环1由软磁材料一体成型。
在调磁环1的成型过程中，先将软磁材料冲压或者切割成如图2所示的形状，然后叠压形成调磁环1。
在本实施例中，凸极2设置在磁桥7的外周面上，凸起5设置在套环4的内周面上，凸极2嵌入到第二凹槽6中，凸起5嵌入到第一凹槽3中，从而使得调磁环1与调磁环支撑结构相互嵌合，形成稳定的配合结构和支撑关系。当磁桥7位于调磁环1的内周侧时，更加方便实现调磁环1与调磁环支撑结构之间的嵌合，而且能够减小调磁环1与内转子11之间的漏磁，提高转矩输出能力。
在本实施例中，调磁环1的最大外圆半径为Ra1，调磁环支撑结构的最大外圆半径为Ra2，其中Ra2-Ra1＝0.5～1mm。由于调磁环1与调磁环支撑结构嵌合，且调磁环1的凸极2的外周壁贴合在调磁环支撑结构的套环4的内周壁上，因此Ra2-Ra1实际上相当于是套环4的径向厚度。因为套环4为非导磁材料，若套环4的圆弧厚度过大，则相当于套环4所在侧的气隙厚度过大，将会导致输出转矩降低，因此，套环4的径向厚度需要保持在合理范围内，既要能够起到良好的承载和连接作用，又要避免对转矩输出的影响过大。图8所示为该差值分别为0.5mm和2mm时的调磁环输出转矩及转矩波动对比图，从图中可以明显看出，当差值由0.5mm变为2mm时，输出转矩降低约60％，转矩波动增大了约188％。
磁桥7的径向厚度为d1，调磁环1的径向整体厚度为d2，其中d1/d2＝0.1～0.2。若该比值过小，则调磁环磁桥7的厚度过小，调磁环的整体强度和刚度过小，难以加工及制作，若该比值过大，则大厚度磁桥会引起较大的漏磁，且会削弱调磁环对磁场的调制作用，如图7所示。
在垂直于调磁环1的中心轴线的截面内，凸极2的两个侧边之间的夹角为a1，第一凹槽3的两个侧边之间的夹角为a2，其中a1/a2＝0.4～2.4。若该比值过小，则调磁环凸极范围过小，导致调磁环易饱和，影响转矩输出，若该比值过大，则调磁环凹槽范围过小，调磁环对磁场的调制作用削弱，无法实现小转矩输入、大转矩输出的作用，如图6所示。
在本实施例中，调磁环1由软磁材料叠压而成，包括凸极2、第一凹槽3和磁桥7，磁桥7为圆环形，其中凸极2和第一凹槽3沿磁桥7的外周侧周向交替排布，数量均为Q，在垂直于调磁环1的中心轴线的截面内，凸极2的两个侧边的延长线相交于磁桥7的圆心。
调磁环支撑结构套设在调磁环1的外周侧，调磁环支撑结构上设置有沿轴向延伸的连接孔8，连接孔8为盲孔或通孔，连接孔8的中心与套环的外周壁之间的距离为L1，连接孔8的中心与凸起5的内周壁之间的距离为L2，L2/L1＝1～1.2。
在本实施例中，套环4由非导磁非导电的材料如环氧树脂、氧化锆等高分子塑料或陶瓷等加工而成，包括凸起5、第二凹槽6和连接孔8，其中凸起5位于套环4的内周侧，并与第二凹槽6沿套环4的周向交替排布，凸起5沿套环4的周向均匀分布，凸起5和第二凹槽6的数量均为Q，且多个凸起5由套环4的内周壁连接成一体，从而保证了调磁环支撑结构的整体性及统一性。凸起5与第一凹槽3、凸极2与第二凹槽6均为一一对应设置，且凸起5能够嵌入第一凹槽3内，凸极2能够嵌入第二凹槽6内，其中凸起5的两个侧边之间的夹角与第一凹槽3的两个侧边之间的夹角相等，凸极2的两个侧边之间的夹角与第二凹槽6的两个侧边之间的夹角相等。
连接孔8为通孔或者盲孔，当连接孔8为通孔时，其数量为Q，当连接孔8为盲孔时，在套环4的两端各均匀开设有Q个盲孔。连接孔8在套环4的断面上的位置大体位于套环4和凸起5的整体结构的中间位置，也即调磁环支撑结构的整体厚度的中间位置，且略微靠近外周侧，这是由于如果连接孔8与套环4的外周圆相距过大，则会降低套环4的强度及刚度，若相距过小，则会使螺钉安装时，螺钉帽安装于套环4的外周圆之外，位于外气隙中，为了便于安装，会增大外气隙的宽度，从而影响转矩输出及增大磁力齿轮结构体积。
调磁环组件还包括设置在套环4第一端的第一端盖9和设置在套环4第二端的第二端盖10，第一端盖9和第二端盖10固定连接在套环4上，并夹紧固定调磁环1。在本实施例中，两端的端盖与套环4和凸起5之间通过螺杆固定连接，螺杆的一端为螺栓头，另一端通过螺母锁紧，从而将调磁环1夹紧固定在两端的端盖之间，进一步增加调磁环1与调磁环支撑结构的一体化结构强度和刚度，增大调磁环组件可承受的输出转矩，降低了调磁环1发生扭曲变形的可能，增大了输出转矩的稳定性。
结合参见图1至图5所示，根据本申请的实施例，磁力齿轮包括内转子11、外转子12和上述的调磁环组件，调磁环组件设置在内转子11的外周壁与外转子12的内周壁之间。
在内转子11的外侧边缘表贴有内永磁体16，在外转子12的内侧边缘表贴有外永磁体17。内永磁体16表贴安装于内转子11的外侧边缘上，极对数为Pin，外永磁体17表贴安装于外转子12内侧边缘上，极对数为Pout，Pin、Pout、Q三者满足关系式Q＝Pin+Pout。
内转子11由软磁材料叠压而成，包括内转子磁轭、内转子凸点和输入轴孔，内转子凸点是数量为2Pin的矩形状定位点，沿内转子圆周方向均匀分布，作为内永磁体16表贴的定位点，可使内永磁体16分布均匀；输入轴孔与输入轴13采用过盈配合的方式安装，用于输入扭矩。
外转子12由软磁材料叠压而成，包括外转子磁轭、外转子凸点，外转子凸点是数量为2Pout的矩形状定位点，沿外转子圆周方向均匀分布，作为外永磁体17表贴的定位点，可使外永磁体17分布均匀。
具体而言，内永磁体16和外永磁体17的材料为钕铁硼，形状为圆环形，充磁方式为径向充磁，采用表贴式安装，内永磁体16安装在内转子11的内转子磁轭外表面，极对数为Pin，外永磁体17安装在外转子12的外转子磁轭内表面，极对数为Pout，沿内转子11和外转子12圆周均匀分布的相邻磁极的永磁体充磁方向相反。
调磁环组件包括第一端盖9和第二端盖10时，磁力齿轮还包括输入轴13和输出轴14，内转子11套设在输入轴13上，并与输入轴13同步转动，第一端盖9通过轴承15支撑在输入轴13的第一端，第二端盖10通过轴承15支撑在输入轴13的第二端，输出轴14连接在第二端盖10上。
在本实施例中，第二端盖10与输入轴13之间采用一体成型的结构，利用输入轴13输入转矩，利用调磁环组件输出转矩至输出轴14，进而通过输出轴14输出转矩。第二端盖10与输入轴13之间也可以采用分体式结构，分体式结构可以通过螺栓连接等方式固定连接在一起。输出轴包括输出轴圆盘、输出轴轴伸段，在输出轴圆盘上沿圆周方向有均匀分布的Q个螺纹孔，采用螺钉将输出轴与调磁环支撑环锁紧；输出轴轴伸段作为输出轴的输出部位。在本实施例中，输出轴圆盘即为本申请中的第二端盖10。
本实施例中的第一端盖9为圆盘状，在第一端盖9的端部均匀开设有Q个螺纹孔，采用螺钉将第一端盖9和套环4与凸起5的整体结构锁紧。
在本申请的其中一个实施例中，如图4所示，外转子12固定，内转子11和调磁环组件自由旋转，通过输入轴13使内转子11以ωin旋转，调磁环1的旋转速度为Z，则ωin与Z满足ωin/Z＝Q/Pin，实现了变速运行；输入轴13输入的转矩为Tin，输出轴14输出的转矩为Tout，Tin与Tout满足Tin/Tout＝Pin/Pout，实现了大转矩的输出。
根据本申请的实施例，复合电机包括上述的调磁环组件或上述的磁力齿轮。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (13)
1.一种调磁环组件，其特征在于，包括调磁环(1)和调磁环支撑结构，所述调磁环(1)与所述调磁环支撑结构套接固定，所述调磁环(1)包括沿周向交替设置的凸极(2)和第一凹槽(3)，所述调磁环支撑结构包括套环(4)和沿所述套环(4)的表面周向间隔设置的凸起(5)和第二凹槽(6)，所述凸极(2)嵌入所述第二凹槽(6)内，所述凸起(5)嵌入所述第一凹槽(3)内；在垂直于所述调磁环(1)的中心轴线的截面内，所述凸极(2)的两个侧边之间的夹角为a1，所述第一凹槽(3)的两个侧边之间的夹角为a2，其中a1/a2＝0.4～2.4。
2.根据权利要求1所述的调磁环组件，其特征在于，所述套环(4)与所述凸起(5)为一体式结构；和/或，所述调磁环(1)和所述调磁环支撑结构形成一体式结构。
3.根据权利要求1所述的调磁环组件，其特征在于，所述套环(4)与所述凸起(5)由非导电非导磁材料一体成型。
4.根据权利要求1所述的调磁环组件，其特征在于，所述调磁环(1)还包括环形的磁桥(7)，所述凸极(2)沿周向间隔设置在所述磁桥(7)表面。
5.根据权利要求4所述的调磁环组件，其特征在于，所述调磁环(1)由软磁材料一体成型。
6.根据权利要求4所述的调磁环组件，其特征在于，所述凸极(2)设置在所述磁桥(7)的外周面上，所述凸起(5)设置在所述套环(4)的内周面上。
7.根据权利要求6所述的调磁环组件，其特征在于，所述调磁环(1)的最大外圆半径为Ra1，所述调磁环支撑结构的最大外圆半径为Ra2，其中Ra2-Ra1＝0.5～1mm。
8.根据权利要求4所述的调磁环组件，其特征在于，所述磁桥(7)的径向厚度为d1，所述调磁环(1)的径向厚度为d2，其中d1/d2＝0.1～0.2。
9.根据权利要求1所述的调磁环组件，其特征在于，所述调磁环支撑结构套设在所述调磁环(1)的外周侧，所述调磁环支撑结构上设置有沿轴向延伸的连接孔(8)，所述连接孔(8)为盲孔或通孔，所述连接孔(8)的中心与所述套环的外周壁之间的距离为L1，所述连接孔(8)的中心与所述凸起(5)的内周壁之间的距离为L2，L2/L1＝1～1.2。
10.根据权利要求1所述的调磁环组件，其特征在于，所述调磁环组件还包括设置在所述套环(4)第一端的第一端盖(9)和设置在所述套环(4)第二端的第二端盖(10)，所述第一端盖(9)和第二端盖(10)固定连接在所述套环(4)上，并夹紧固定所述调磁环(1)。
11.一种磁力齿轮，其特征在于，包括内转子(11)、外转子(12)和权利要求1至10中任一项所述的调磁环组件，所述调磁环组件设置在所述内转子(11)的外周壁与所述外转子(12)的内周壁之间。
12.根据权利要求11所述的磁力齿轮，其特征在于，所述调磁环组件包括第一端盖(9)和第二端盖(10)时，所述磁力齿轮还包括输入轴(13)和输出轴(14)，所述内转子(11)套设在所述输入轴(13)上，并与所述输入轴(13)同步转动，所述第一端盖(9)通过轴承(15)支撑在所述输入轴(13)的第一端，所述第二端盖(10)通过轴承(15)支撑在所述输入轴(13)的第二端，所述输出轴(14)连接在所述第二端盖(10)上。
13.一种复合电机，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的调磁环组件或权利要求11和12中任一项所述的磁力齿轮。
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