CN112615517A - 磁齿轮组件及具有其的复合电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁齿轮组件及具有其的复合电机，磁齿轮组件包括转子结构、调磁环结构和第二磁性元件，其中，转子结构的外周面上设置有第一磁性元件；调磁环结构套设在转子结构的外周侧，调磁环结构包括调磁环本体和凸起磁极，其中，凸起磁极设置在调磁环本体的内周面上；第二磁性元件设置在第一磁性元件和调磁环结构围成的环形间隙内。本发明解决了现有技术中的磁齿轮的调磁环的机械强度不足的问题。

Description

磁齿轮组件及具有其的复合电机

技术领域

本发明涉及非接触式传动设备技术领域，具体而言，涉及一种磁齿轮组件及具有其的复合电机。

背景技术

磁齿轮通常包括内转子、调磁环和外转子，其中，内转子的外周面和外转子的内周面上均设置有永磁体，调磁环由多块铁芯等间距组装形成环状结构，将外转子固定，内转子为高速小扭矩输出，调磁环为低速大转矩输出，由于现有的调磁环设置在内转子和外转子之间起调制作用，而内转子和外转子之间的气隙较窄，只能用较细的磁桥来连接均匀分布的多块铁芯，然后再在各铁芯之间放置非导磁材料进行固定。

上述结构的磁齿轮的机械强度不足，当调磁环输出较大扭矩时容易出现因调磁环变形而严重影响复合电机的正常作业的现象。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁齿轮组件及具有其的复合电机，以解决现有技术中的磁齿轮的调磁环的机械强度不足的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁齿轮组件，包括转子结构、调磁环结构和第二磁性元件，其中，转子结构的外周面上设置有第一磁性元件；调磁环结构套设在转子结构的外周侧，调磁环结构包括调磁环本体和凸起磁极，其中，凸起磁极设置在调磁环本体的内周面上；第二磁性元件设置在第一磁性元件和调磁环结构围成的环形间隙内。

进一步地，凸起磁极为多个，多个凸起磁极绕调磁环结构的内周面相间隔地设置，相邻地两个凸起磁极之间形成凹槽结构。

进一步地，凸起磁极在调磁环结构的周向上的宽度为a1，凹槽结构在调磁环结构的周向上的宽度为a2，其中，0.2≤a1/a2≤0.45。

进一步地，凸起磁极在调磁环结构的径向上的高度为h2，凹槽结构的槽底至调磁环结构的外表面的厚度为h1，其中，0.8≤h2/h1≤0.9。

进一步地，第二磁性元件在转子结构的径向上的厚度为h3，其中，1≤h2/h3≤1.2。

进一步地，转子结构具有第一空气槽，第一空气槽为弧形槽，第一空气槽的两端远离转子结构的几何中心设置，第一空气槽的中部朝向转子结构的几何中心一侧凸出地设置。

进一步地，第一磁性元件为多个，多个第一磁性元件绕转子结构的周向相间隔地设置，相邻地两个第一磁性元件之间形成第二空气槽，磁齿轮组件还包括辅助磁性元件，辅助磁性元件设置在转子结构上并位于第一空气槽和第二空气槽之间。

进一步地，辅助磁性元件为多个，第二空气槽为多个，多个辅助磁性元件与多个第二空气槽一一对应地设置。

进一步地，第一空气槽的在转子结构的周向上的几何中心线与辅助磁性元件的在转子结构的周向上的几何中心线重合地设置，且辅助磁性元件的端部与第二空气槽相对地设置。

进一步地，凹槽结构的槽底为圆弧面，凹槽结构的槽底所在圆的圆弧半径为r1，第一空气槽的远离转子结构的几何中心一侧的槽壁的型线的曲率半径为r2，其中，0.3≤r1/r2≤0.35。

进一步地，转子结构的直径为d1，第一空气槽的靠近转子结构的几何中心一侧的槽壁的型线的曲率半径为r3，其中，r2＝0.47×d1，r3＝0.53×d1。

进一步地，第一空气槽的长度方向的第一端的槽壁与第二端的槽壁之间的夹角为a3，其中，70°≤a3≤90°。

进一步地，辅助磁性元件在转子结构的周向上的宽度为w1，其中，0.05×d1≤w1≤0.07×d1。

进一步地，辅助磁性元件在转子结构的径向上的高度为h4，其中，0.21×d1≤h4≤0.26×d1。

进一步地，辅助磁性元件的充磁方向与第一磁性元件产生的磁力线穿过辅助磁性元件的方向相平行。

根据本发明的另一方面，提供了一种复合电机，复合电机包括磁齿轮组件，磁齿轮组件为上述的磁齿轮组件。

应用本发明的技术方案，通过将调磁环结构设置成包括调磁环本体和凸起磁极的结构形式，并将调磁环结构套设在转子结构的外周侧，这样，大大提升了调磁环结构的结构强度，在调磁环结构输出较大扭矩时，确保调磁环结构的变形量尽可能地小，从而确保磁齿轮组件的工作可靠性，进而确保复合电机能够正常作业。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种可选实施例的磁齿轮组件的结构示意图；

图2示出了图1中的磁齿轮组件的磁力线的分布示意图；

图3示出了磁齿轮组件的输出转矩随a1/a2的变化曲线；

图4示出了磁齿轮组件的输出转矩随h2/h1的变化曲线；

图5示出了磁齿轮组件的输出转矩随h2/h3的变化曲线；

图6示出了磁齿轮组件的输出转矩随a3的变化曲线；

图7示出了磁齿轮组件的输出转矩随w1/d1的变化曲线；

图8示出了磁齿轮组件的转子结和调磁环结构的输出转矩随时间的变化曲线。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、转子结构；11、第一磁性元件；111、第二空气槽；12、第一空气槽；20、调磁环结构；21、凸起磁极；22、凹槽结构；23、调磁环本体；30、第二磁性元件；100、环形间隙；40、辅助磁性元件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中的磁齿轮的调磁环的机械强度不足的问题，本发明提供了一种磁齿轮组件和复合电机，复合电机包括磁齿轮组件，磁齿轮组件为上述和下述的磁齿轮组件。

如图1和图2所示，磁齿轮组件包括转子结构10、调磁环结构20和第二磁性元件30，其中，转子结构10的外周面上设置有第一磁性元件11；调磁环结构20套设在转子结构10的外周侧，调磁环结构20包括调磁环本体23和凸起磁极21，其中，凸起磁极21设置在调磁环本体23的内周面上；第二磁性元件30设置在第一磁性元件11和调磁环结构20围成的环形间隙100内。

通过将调磁环结构20设置成包括调磁环本体23和凸起磁极21的结构形式，并将调磁环结构20套设在转子结构10的外周侧，这样，大大提升了调磁环结构20的结构强度，在调磁环结构20输出较大扭矩时，确保调磁环结构20的变形量尽可能地小，从而确保磁齿轮组件的工作可靠性，进而确保复合电机能够正常作业。

需要说明的是，在本申请中，如图1和图2所示，凸起磁极21设置在调磁环本体23的内周面上并沿转子结构10的径向延伸设置。

如图1和图2所示，凸起磁极21为多个，多个凸起磁极21绕调磁环结构20的内周面相间隔地设置，相邻地两个凸起磁极21之间形成凹槽结构22。

如图1和图3所示，凸起磁极21在调磁环结构20的周向上的宽度为a1，凹槽结构22在调磁环结构20的周向上的宽度为a2，其中，0.2≤a1/a2≤0.45。这样，通过图3中的磁齿轮组件的输出转矩随a1/a2的变化曲线图可知，当0.2≤a1/a2≤0.45时，磁齿轮组件的输出转矩较大，且调磁环结构20的调制效果较好。

优选地，当0.3≤a1/a2≤0.35时，磁齿轮组件的输出转矩为恒转矩，约为30Nm。

如图1和图4所示，凸起磁极21在调磁环结构20的径向上的高度为h2，凹槽结构22的槽底至调磁环结构20的外表面的厚度为h1，其中，0.8≤h2/h1≤0.9。这样，通过图4中的磁齿轮组件的输出转矩随h2/h1的变化曲线可知，当0.8≤h2/h1≤0.9时，磁齿轮组件的输出转矩较大，且调磁环结构20的调制效果较好。

如图1和图5所示，第二磁性元件30在转子结构10的径向上的厚度为h3，其中，1≤h2/h3≤1.2。这样，通过图5中的磁齿轮组件的输出转矩随h2/h3的变化曲线可知，当1≤h2/h3≤1.2时，磁齿轮组件的输出转矩较大。

如图1和图2所示，转子结构10具有第一空气槽12，第一空气槽12为弧形槽，第一空气槽12的两端远离转子结构10的几何中心设置，第一空气槽12的中部朝向转子结构10的几何中心一侧凸出地设置。这样，确保第一磁性元件11产生的磁力线在通过转子结构10时，大部分的磁力线能够按照既定的路径通过，从而确保磁力线的通过路径更加顺滑。

需要说明的是，本申请提供的第一空气槽12的外形轮廓与调磁环结构20的形状相适配，有利于减小转矩的波动。

如图1和图2所示，第一磁性元件11为多个，多个第一磁性元件11绕转子结构10的周向相间隔地设置，相邻地两个第一磁性元件11之间形成第二空气槽111，磁齿轮组件还包括辅助磁性元件40，辅助磁性元件40设置在转子结构10上并位于第一空气槽12和第二空气槽111之间。辅助磁性元件40为多个，第二空气槽111为多个，多个辅助磁性元件40与多个第二空气槽111一一对应地设置。第一空气槽12的在转子结构10的周向上的几何中心线与辅助磁性元件40的在转子结构10的周向上的几何中心线重合地设置，且辅助磁性元件40的端部与第二空气槽111相对地设置。

如图2所示，辅助磁性元件40的充磁方向与第一磁性元件11产生的磁力线穿过辅助磁性元件40的方向相平行。这样，辅助磁性元件40起到进一步归束磁力线的作用，从而有利于减小转矩的波动。

如图1和图2所示，凹槽结构22的槽底为圆弧面，凹槽结构22的槽底所在圆的圆弧半径为r1，第一空气槽12的远离转子结构10的几何中心一侧的槽壁的型线的曲率半径为r2，其中，0.3≤r1/r2≤0.35。这样，当0.3≤r1/r2≤0.35时，磁力线在调磁环结构20和转子结构10中都非常顺滑，确保转矩的传递更加稳定，磁齿轮组件的输出转矩的波动相对较小。

如图1所示，转子结构10的直径为d1，第一空气槽12的靠近转子结构10的几何中心一侧的槽壁的型线的曲率半径为r3，其中，r2＝0.47×d1，r3＝0.53×d1。这样，通过优化第一空气槽12的外半径为r3和第一空气槽12的内半径为r2，确保第一空气槽12能够位于转子结构10的周向范围内，避免第一空气槽12出现漏磁现象，上述尺寸的第一空气槽12对磁力线的路径的限制效果较好，且转子结构10的转矩的波动相对较小。

如图1和图6所示，第一空气槽12的长度方向的第一端的槽壁与第二端的槽壁之间的夹角为a3，其中，70°≤a3≤90°。这样，通过图6中的转子结构10的转矩的波动随a3的变化曲线可知，当70°≤a3≤90°时，转子结构10的转矩的波动较小，且较为平稳。

优选地，第一空气槽12的长度方向的第一端与第二端之间的夹角a3为75°。

如图1和图7所示，辅助磁性元件40在转子结构10的周向上的宽度为w1，其中，0.05≤w1/d1≤0.07。这样，通过图7中的转子结构10的转矩的波动随w1/d1的变化曲线可知，当0.05≤w1/d1≤0.07时，转子结构10的转矩的波动较小，且较为平稳。

优选地，由图7可知，当w1/d1＝0.06时，转子结构10的转矩的波动最小。

如图1所示，辅助磁性元件40在转子结构10的径向上的高度为h4，其中，0.21×d1≤h4≤0.26×d1。这样，在提升了转子结构10的转矩的前提下，有利于尽可能地减小转子结构10的转矩的波动。

如图8所示，图8分别示出了转子结构10和调磁环结构20的输出转矩随时间的变化曲线图，该图中，转子结构10和调磁环结构20的输出转矩均较为平稳。

需要说明的是，在本申请中，磁齿轮组件的转子结构10的外周面上贴设有第一磁性元件11，其中，第一磁性元件11为磁钢，中间层为第二磁性元件30，第二磁性元件30为固定的永磁体，外置式的调磁环结构20，磁齿轮组件还包括若干固定用的零部件，转子结构10的极对数为P1，第二磁性元件30的极对数为P2，调磁环结构20的凸起磁极21的个数为N，由于磁齿轮组件的运行原理是利用调磁环结构20对内外两层的磁钢产生的磁场进行调制，使得调制后的内气隙和外置式的调磁环结构20的凸起磁极21的根部磁密的谐波成分具有相同的极对数。根据麦克斯韦张量理论，加入两个谐波分量具有相同的磁极对数，且空间相位差不随时间变化，那么就能够实现稳定的转矩传递。

因此，根据上述分析，当调磁环结构20的凸起磁极21的个数为N、转子结构10的极对数为P1以及第二磁性元件30的极对数为P2满足：N＝P1+P2时，如果转子结构10与外置式调磁环结构20按照N/P1的转速比旋转，就可以实现稳定的转矩传递。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种磁齿轮组件，其特征在于，包括：

转子结构(10)，所述转子结构(10)的外周面上设置有第一磁性元件(11)；

调磁环结构(20)，所述调磁环结构(20)套设在所述转子结构(10)的外周侧，所述调磁环结构(20)包括调磁环本体(23)和凸起磁极(21)，其中，凸起磁极(21)设置在调磁环本体(23)的内周面上；

第二磁性元件(30)，所述第二磁性元件(30)设置在所述第一磁性元件(11)和所述调磁环结构(20)围成的环形间隙(100)内。

2.根据权利要求1所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述凸起磁极(21)为多个，多个所述凸起磁极(21)绕所述调磁环结构(20)的内周面相间隔地设置，相邻地两个所述凸起磁极(21)之间形成凹槽结构(22)。

3.根据权利要求2所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述凸起磁极(21)在所述调磁环结构(20)的周向上的宽度为a1，所述凹槽结构(22)在所述调磁环结构(20)的周向上的宽度为a2，其中，0.2≤a1/a2≤0.45。

4.根据权利要求3所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述凸起磁极(21)在所述调磁环结构(20)的径向上的高度为h2，所述凹槽结构(22)的槽底至所述调磁环结构(20)的外表面的厚度为h1，其中，0.8≤h2/h1≤0.9。

5.根据权利要求4所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述第二磁性元件(30)在所述转子结构(10)的径向上的厚度为h3，其中，1≤h2/h3≤1.2。

6.根据权利要求5所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述转子结构(10)具有第一空气槽(12)，所述第一空气槽(12)为弧形槽，所述第一空气槽(12)的两端远离所述转子结构(10)的几何中心设置，所述第一空气槽(12)的中部朝向所述转子结构(10)的几何中心一侧凸出地设置。

7.根据权利要求6所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述第一磁性元件(11)为多个，多个所述第一磁性元件(11)绕所述转子结构(10)的周向相间隔地设置，相邻地两个所述第一磁性元件(11)之间形成第二空气槽(111)，所述磁齿轮组件还包括：

辅助磁性元件(40)，所述辅助磁性元件(40)设置在转子结构(10)上并位于所述第一空气槽(12)和所述第二空气槽(111)之间。

8.根据权利要求7所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述辅助磁性元件(40)为多个，所述第二空气槽(111)为多个，多个所述辅助磁性元件(40)与多个所述第二空气槽(111)一一对应地设置。

9.根据权利要求8所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述第一空气槽(12)的在所述转子结构(10)的周向上的几何中心线与所述辅助磁性元件(40)的在所述转子结构(10)的周向上的几何中心线重合地设置，且所述辅助磁性元件(40)的端部与所述第二空气槽(111)相对地设置。

10.根据权利要求9所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述凹槽结构(22)的槽底为圆弧面，所述凹槽结构(22)的槽底所在圆的圆弧半径为r1，所述第一空气槽(12)的远离所述转子结构(10)的几何中心一侧的槽壁的型线的曲率半径为r2，其中，0.3≤r1/r2≤0.35。

11.根据权利要求10所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述转子结构(10)的直径为d1，所述第一空气槽(12)的靠近所述转子结构(10)的几何中心一侧的槽壁的型线的曲率半径为r3，其中，r2＝0.47×d1，r3＝0.53×d1。

12.根据权利要求11所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述第一空气槽(12)的长度方向的第一端的槽壁与第二端的槽壁之间的夹角为a3，其中，70°≤a3≤90°。

13.根据权利要求12所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述辅助磁性元件(40)在所述转子结构(10)的周向上的宽度为w1，其中，0.05×d1≤w1≤0.07×d1。

14.根据权利要求13所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述辅助磁性元件(40)在所述转子结构(10)的径向上的高度为h4，其中，0.21×d1≤h4≤0.26×d1。

15.根据权利要求14所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述辅助磁性元件(40)的充磁方向与第一磁性元件(11)产生的磁力线穿过所述辅助磁性元件(40)的方向相平行。

16.一种复合电机，所述复合电机包括磁齿轮组件，其特征在于，所述磁齿轮组件为权利要求1至15中任一项所述的磁齿轮组件。

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