CN112615518A - 磁齿轮及具有其的复合电机 - Google Patents

磁齿轮及具有其的复合电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁齿轮及具有其的复合电机，磁齿轮包括：内转子本体，内转子本体上设置有多个内转子永磁体，多个内转子永磁体沿内转子本体的周向间隔设置；多个内转子永磁体的极对数为P2；外转子本体，外转子本体上设置有多个外转子永磁体，多个外转子永磁体沿外转子本体的周向间隔设置；多个外转子永磁体的极对数为P1；外转子本体的厚度为ty1，外转子永磁体的厚度为tm1；调制环，调制环设置在内转子本体和外转子本体之间，调制环包括沿圆周方向间隔设置的多个调制块，调制块的个数为N；其中，N＝P1+P2，外转子本体的厚度与外转子永磁体的厚度之间的关系为0.07<tm1/ty1×sin(180/P1)<0.12。本发明解决了现有技术中的磁齿轮的转矩波动大的问题。

Description

磁齿轮及具有其的复合电机
技术领域
本发明涉及磁齿轮领域，具体而言，涉及一种磁齿轮及具有其的复合电机。
背景技术
目前，磁齿轮由于相比于机械齿轮具有不接触传动、振动噪声小、自动过载保护和免维护等优势，被越来越多的行业关注到。
但是，现有的磁齿轮永磁体用量大，普遍具有转矩波动大、转矩能力不足的问题，导致降低了磁齿轮的利用率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种磁齿轮及具有其的复合电机，以解决现有技术中的磁齿轮的转矩波动大的问题。
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，包括：内转子本体，内转子本体上设置有多个内转子永磁体，多个内转子永磁体沿内转子本体的周向间隔设置；多个内转子永磁体的极对数为P2；外转子本体，外转子本体上设置有多个外转子永磁体，多个外转子永磁体沿外转子本体的周向间隔设置；多个外转子永磁体的极对数为P1；外转子本体的厚度为ty1，外转子永磁体的厚度为tm1；调制环，调制环设置在内转子本体和外转子本体之间，调制环包括沿圆周方向间隔设置的多个调制块，调制块的个数为N；其中，N＝P1+P2，外转子本体的厚度与外转子永磁体的厚度之间的关系为0.07<tm1/ty1×sin(180/P1)<0.12。
进一步地，tm1/ty1/P2的范围为0.05～0.125。
进一步地，调制环具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面与内转子永磁体相对，第二端面与外转子永磁体相对，第一端面和第二端面之间的距离为tmg，tm1/tmg/P2的范围为0.05～0.1。
进一步地，调制块的径向截面的截面积为smg，外转子永磁体的径向截面的截面积为sm1，0.7<smg/sm1<0.82。
进一步地，调制环具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面与内转子永磁体相对，第二端面与外转子永磁体相对，第一端面和第二端面之间的距离为tmg，第二端面与外转子永磁体之间的气隙距离为tag1，0.03<(tm1/P1)×(tmg/N)/tag1<0.15。
进一步地，内转子永磁体的径向截面的面积为sm2，(sm1×P1)/(sm2×P2)/的范围为0.4～0.5。
进一步地，内转子永磁体的内半径为R1，外转子永磁体的外半径为R2，0.2<tm1/(R2-R1)<0.4。
进一步地，相邻的两个调制块之间通过磁桥连接，磁桥的至少部分朝向调制环的中心方向凹陷。
进一步地，相邻的两个调制块之间通过磁桥连接，磁桥包括第一连接端面和第二连接端面，第一连接端面与两个调制块中的一个调制块连接，第二连接端面与两个调制块中的另一个调制块连接，第一连接端面与第二连接端面之间具有预定夹角。
根据本发明的另一方面，提供了一种复合电机，包括磁齿轮，磁齿轮为上述的磁齿轮。
应用本发明的技术方案，磁齿轮包括内转子本体、外转子本体和调制环，内转子本体上设置有多个内转子永磁体，多个内转子永磁体沿内转子本体的周向间隔设置；多个内转子永磁体的极对数为P2；外转子本体上设置有多个外转子永磁体，多个外转子永磁体沿外转子本体的周向间隔设置；多个外转子永磁体的极对数为P1；外转子本体的厚度为ty1，外转子永磁体的厚度为tm1；调制环设置在内转子本体和外转子本体之间，调制环包括沿圆周方向间隔设置的多个调制块，调制块的个数为N；其中，N＝P1+P2，外转子本体的厚度与外转子永磁体的厚度之间的关系为0.07<tm1/ty1×sin(180/P1)<0.12。在此范围内，如图2所示，外转子永磁体产生的磁场在外转子本体中刚好达到饱和，外转子本体的利用率较高，此时磁齿轮的输出转矩较大，转矩波动较小。
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磁齿轮的实施例的结构示意图；
图2示出了根据本发明的磁齿轮对转矩波动与输出转矩的影响曲线图；
图3示出了根据本发明的磁齿轮对永磁体利用率的影响曲线图；
图4示出了根据本发明的磁齿轮对输出转矩的影响曲线图；以及
图5示出了根据本发明的磁齿轮的转矩与现有技术中磁齿轮转矩的曲线对比图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、内转子本体；10、内转子永磁体；2、外转子本体；20、外转子永磁体；3、调制环；30、调制块；31、磁桥。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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。
本发明提供了一种磁齿轮，请参考图1，包括：内转子本体1，内转子本体1上设置有多个内转子永磁体10，多个内转子永磁体10沿内转子本体1的周向间隔设置；多个内转子永磁体10的极对数为P2；外转子本体2，外转子本体2上设置有多个外转子永磁体20，多个外转子永磁体20沿外转子本体2的周向间隔设置；多个外转子永磁体20的极对数为P1；外转子本体2的厚度为ty1，外转子永磁体20的厚度为tm1；调制环3，调制环3设置在内转子本体1和外转子本体2之间，调制环3包括沿圆周方向间隔设置的多个调制块30，调制块30的个数为N；其中，N＝P1+P2，外转子本体2的厚度与外转子永磁体20的厚度之间的关系为0.07<tm1/ty1×sin(180/P1)<0.12。
根据本发明提供的磁齿轮，包括内转子本体1、外转子本体2和调制环3，内转子本体1上设置有多个内转子永磁体10，多个内转子永磁体10沿内转子本体1的周向间隔设置；多个内转子永磁体10的极对数为P2；外转子本体2上设置有多个外转子永磁体20，多个外转子永磁体20沿外转子本体2的周向间隔设置；多个外转子永磁体20的极对数为P1；外转子本体2的厚度为ty1，外转子永磁体20的厚度为tm1；调制环3设置在内转子本体1和外转子本体2之间，调制环3包括沿圆周方向间隔设置的多个调制块30，调制块30的个数为N；其中，N＝P1+P2，外转子本体2的厚度与外转子永磁体20的厚度之间的关系为0.07<tm1/ty1×sin(180/P1)<0.12。在此范围内，如图2所示，外转子永磁体产生的磁场在外转子本体中刚好达到饱和，外转子本体的利用率较高，此时磁齿轮的输出转矩较大，转矩波动较小。
在具体实施的过程中，如图4所示，当内转子永磁体极对数增多时，内对极产生的磁通路径变短，能通过调制环3的作用到达外层的磁力线会变少，因此为了得到较大的输出扭矩，限制tm1/ty1/P2的范围为0.05～0.125。
由于调制环3具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面与内转子永磁体10相对，第二端面与外转子永磁体20相对，第一端面和第二端面之间的距离为tmg，由于内转子永磁体10与外转子永磁体20产生的磁场通过调制环3的调制作用后相互匹配，从而传递转矩，为了提高输出转矩，限制tm1/tmg/P2的范围为0.05～0.1。
在本发明提供的磁齿轮中，外转子永磁体20产生的磁场通过调制环3的调制作用与内转子永磁体10产生的磁场相匹配，调制环3中调制块30的面积决定了气隙中磁导的分布情况，从而决定了磁场调制效果。调制块30的径向截面的截面积为smg，外转子永磁体20的径向截面的截面积为sm1，0.7<smg/sm1<0.82。此范围下调制环3对外磁场的调制效果最好。
调制环3具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面与内转子永磁体10相对，第二端面与外转子永磁体20相对，第一端面和第二端面之间的距离为tmg，第二端面与外转子永磁体20之间的气隙距离为tag1，0.03<(tm1/P1)×(tmg/N)/tag1<0.15。此范围约束能够使外转子永磁体20产生的磁场尽可能多的的通过气隙参与调制过程。
磁齿轮输出转矩与永磁体的用量之间的比值决定了永磁体的利用率，而内转子永磁体的面积和外转子永磁体的面积直接决定了永磁体的用量，经研究发现，内、外转子永磁体的面积与永磁体利用率之间存在一个类抛物线关系，如图3所示，因此，内转子永磁体10的径向截面的面积为sm2，限制(sm1×P1)/(sm2×P2)的范围为0.4～0.5。此范围内磁齿轮的永磁体利用率处于较大范围。
内转子本体1和外转子本体2之间的路径为磁场的主要路径，当内转子永磁体10的内半径为R1，外转子永磁体20的外半径为R2，0.2<tm1/(R2-R1)<0.4时，内转子本体1和外转子本体2具有合适的饱和程度，利用率最高。
在本发明提供的实施例中，相邻的两个调制块30之间通过磁桥31连接，磁桥31的至少部分朝向调制环3的中心方向凹陷。相邻的两个调制块30之间通过磁桥31连接，磁桥31包括第一连接端面和第二连接端面，第一连接端面与两个调制块30中的一个调制块30连接，第二连接端面与两个调制块30中的另一个调制块30连接，第一连接端面与第二连接端面之间具有预定夹角。这样设置能够通过磁桥31吸收内转子永磁体10或外转子永磁体20产生的磁密谐波，降低内转子永磁体10或外转子永磁体20的转矩波动。
本发明还提供了一种复合电机，包括磁齿轮，磁齿轮为上述实施例的磁齿轮。如图5所示，利用本发明的磁齿轮，在相同的永磁体用量下，本发明的磁齿轮较现有技术相比，输出转矩明显提升且转矩波动降低。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
根据本发明提供的磁齿轮，包括内转子本体1、外转子本体2和调制环3，内转子本体1上设置有多个内转子永磁体10，多个内转子永磁体10沿内转子本体1的周向间隔设置；多个内转子永磁体10的极对数为P2；外转子本体2上设置有多个外转子永磁体20，多个外转子永磁体20沿外转子本体2的周向间隔设置；多个外转子永磁体20的极对数为P1；外转子本体2的厚度为ty1，外转子永磁体20的厚度为tm1；调制环3设置在内转子本体1和外转子本体2之间，调制环3包括沿圆周方向间隔设置的多个调制块30，调制块30的个数为N；其中，N＝P1+P2，外转子本体2的厚度与外转子永磁体20的厚度之间的关系为0.07<tm1/ty1×sin(180/P1)<0.12。在此范围内，如图2所示，外转子永磁体产生的磁场在外转子本体中刚好达到饱和，外转子本体的利用率较高，此时磁齿轮的输出转矩较大，转矩波动较小。
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例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
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。
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 (10)

1.一种磁齿轮，其特征在于，包括：
内转子本体(1)，所述内转子本体(1)上设置有多个内转子永磁体(10)，多个所述内转子永磁体(10)沿所述内转子本体(1)的周向间隔设置；所述多个内转子永磁体(10)的极对数为P2；
外转子本体(2)，所述外转子本体(2)上设置有多个外转子永磁体(20)，多个所述外转子永磁体(20)沿所述外转子本体(2)的周向间隔设置；所述多个外转子永磁体(20)的极对数为P1；所述外转子本体(2)的厚度为ty1，所述外转子永磁体(20)的厚度为tm1；
调制环(3)，所述调制环(3)设置在所述内转子本体(1)和所述外转子本体(2)之间，所述调制环(3)包括沿圆周方向间隔设置的多个调制块(30)，所述调制块(30)的个数为N；
其中，N＝P1+P2，所述外转子本体(2)的厚度与所述外转子永磁体(20)的厚度之间的关系为0.07<tm1/ty1×sin(180/P1)<0.12。
2.根据权利要求1所述的磁齿轮，其特征在于，tm1/ty1/P2的范围为0.05～0.125。
3.根据权利要求1所述的磁齿轮，其特征在于，所述调制环(3)具有相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面与所述内转子永磁体(10)相对，所述第二端面与所述外转子永磁体(20)相对，所述第一端面和所述第二端面之间的距离为tmg，tm1/tmg/P2的范围为0.05～0.1。
4.根据权利要求1所述的磁齿轮，其特征在于，所述调制块(30)的径向截面的截面积为smg，所述外转子永磁体(20)的径向截面的截面积为sm1，0.7<smg/sm1<0.82。
5.根据权利要求1所述的磁齿轮，其特征在于，所述调制环(3)具有相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面与所述内转子永磁体(10)相对，所述第二端面与所述外转子永磁体(20)相对，所述第一端面和所述第二端面之间的距离为tmg，所述第二端面与所述外转子永磁体(20)之间的气隙距离为tag1，0.03<(tm1/P1)×(tmg/N)/tag1<0.15。
6.根据权利要求1所述的磁齿轮，其特征在于，所述内转子永磁体(10)的径向截面的面积为sm2，(sm1×P1)/(sm2×P2)的范围为0.4～0.5。
7.根据权利要求1所述的磁齿轮，其特征在于，所述内转子永磁体(10)的内半径为R1，所述外转子永磁体(20)的外半径为R2，0.2<tm1/(R2-R1)<0.4。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁齿轮，其特征在于，相邻的两个所述调制块(30)之间通过磁桥(31)连接，所述磁桥(31)的至少部分朝向所述调制环(3)的中心方向凹陷。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的磁齿轮，其特征在于，相邻的两个所述调制块(30)之间通过磁桥(31)连接，所述磁桥(31)包括第一连接端面和第二连接端面，所述第一连接端面与两个所述调制块(30)中的一个所述调制块(30)连接，所述第二连接端面与两个所述调制块(30)中的另一个所述调制块(30)连接，所述第一连接端面与所述第二连接端面之间具有预定夹角。
10.一种复合电机，包括磁齿轮，其特征在于，所述磁齿轮为权利要求1至9中任一项所述的磁齿轮。
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