CN113014064A - 一种自动控制的有源磁齿轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动控制的有源磁齿轮，包括内转子、调磁块、绕组和外转子。本发明的有益效果是：在调磁块间的空隙中加入了电枢绕组，通过绕组电流产生的磁场与外转子永磁体产生的磁场间的相互作用产生电磁转矩以及内外转子上永磁体产生磁场间的相互作用产生的永磁转矩共同作用，达到控制外转子的目的，针对负载转矩、外转子目标转速与位置突变的情况下，利用电枢绕组产生的电磁转矩来规划外转子转速、位置的变化运动曲线，使其能够平稳地在不同目标转速、位置下自由运动且尽量减少转速脉动，当负载转矩超过磁齿轮未加电枢电流时本身能产生的最大转矩，将电枢绕组通电作为外转子转矩的来源之一，扩大整个磁齿轮系统的运行范围即转矩输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁齿轮，具体为一种自动控制的有源磁齿轮，属于齿轮类技术领域。
背景技术
磁齿轮利用磁力传动,是没有机械接触的齿轮啮合。正是由于齿轮间的啮合无接触,无摩擦能耗、传动平稳,才体现出了磁齿轮效率高、可靠性高及使用寿命长的优点。其次它无需润滑,清洁、无油污、防尘防水等。且具有过载保护作用,过载时不会损坏减速器,而且在过载时随时切断传动关系,不仅减速器自身不会损坏,还能保护原动机。
而现在所使用的磁齿轮主要是无源磁齿轮，针对传统无源磁齿轮，会因转矩波动而导致位置精度降低、易失步的问题，因此本发明提出一种自动控制的有源磁齿轮，
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种自动控制的有源磁齿轮。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种自动控制的有源磁齿轮，包括内转子、调磁块、绕组和外转子；所述内转子与外转子呈同轴设置，且所述内转子位于外转子的内侧，所述调磁块安置在内转子与外转子之间的空隙处，且相邻的所述调磁块之间的空隙处安置有绕组；
其控制系统包括以下步骤：
步骤一、通过在内转子的外侧壁与外转子的内侧壁嵌贴永磁体极，使内转子转动产生的磁场通过调磁块形成与外转子同频率的谐波以驱动外转子转动；
步骤二、通过绕组电流产生的磁场与外转子永磁体产生的磁场间的相互作用产生电磁转矩，对外转子的转矩进行控制；
步骤三、当负载转矩、外转子目标转速、位置发生变化的情况下，利用电枢绕组所产生的电磁转矩来规划外转子转速的变化曲线，使其能够平稳地在不同转速、位置下自由切换且尽量减少转速脉动；
步骤四、当负载转矩超过磁齿轮未加电枢电流时本身能产生的最大转矩，即最大永磁转矩时，将电枢绕组通电作为外转子转矩的来源之一，扩大整个磁齿轮系统的运行范围即转矩输出能力。
作为本发明再进一步的方案：所述内转子与外转子在稳定状态下的转速反比于其转子上嵌贴的永磁体极对数，且转速与永磁体极对数所构成的齿轮比为：
其中，Pi为内转子永磁体的极对数，Po为外转子永磁体的极对数，ωi为内转子的转速，ωo为外转子的转速，通过调整内外转子嵌贴的永磁体极对数，磁齿轮可被用作减速或加速磁齿轮。
作为本发明再进一步的方案：所述调磁块的数目与内转子和外转子所嵌贴永磁体的极对数之间存在的关系为：
Nm＝Pi+Po
其中，Nm为调磁块的数目，Pi为内转子永磁体的极对数，Po为外转子永磁体的极对数，只有当调磁块与内外转子永磁体的极对数满足关系式时，其内转子转动产生的磁场才能通过调磁块形成与外转子同极对数的谐波以驱动外转子转动。
作为本发明再进一步的方案：所述外转子的转矩由内转子与绕组电流共同作用产生，且转矩输出公式为：
To＝TMG+TEM
其中，To为外转子输出的转矩，TMG为内转子永磁体与外转子永磁体相互作用产生的永磁转矩，TEM是电枢绕组产生的磁场与外转子永磁体相互作用产生的电磁转矩。
作为本发明再进一步的方案：所述电枢绕组作用产生的TEM可由公式表示为：
其中，p为外转子永磁体的极对数，ψf为其产生的磁链，Ld、Lq与id、iq为电感的交直轴分量，由于当内外转子永磁体合成磁场的相对角度确定时，其由两者相互作用所产生的磁场也就确定，因此可以根据当前两个转子的位置来计算当前的转矩TMG，进而确定电磁转矩TEM，最终达到降低或消除转矩脉动的目的。
本发明的有益效果是：该自动控制的有源磁齿轮设计合理，在调磁块间的空隙中加入了电枢绕组，通过绕组电流产生的磁场与外转子永磁体产生的磁场间的相互作用产生转矩，达到控制外转子的目的，针对负载转矩、外转子目标转速突变的情况下，利用电枢绕组所产生的转矩来规划外转子转速的变化曲线，使其能够平稳地在不同转速下自由切换且尽量减少转速脉动。此外，当负载转矩超过磁齿轮未加电枢电流时本身能产生的最大转矩，将电枢绕组通电作为外转子转矩的来源之一，扩大整个磁齿轮系统的运行范围即转矩输出能力，通过建立磁齿轮力矩传递的数学模型，通过计算施加负载转矩时磁齿轮内外转子磁场变化的速率来计算负载转矩的大小并判断是否应将电枢绕组作为外转子的动力来源以杜绝磁齿轮失步的发生。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中：1、内转子，2、调磁块，3、绕组和4、外转子。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1，一种自动控制的有源磁齿轮，包括内转子1、调磁块2、绕组3和外转子4；所述内转子1与外转子4呈同轴设置，且所述内转子1位于外转子4的内侧，所述调磁块2安置在内转子1与外转子4之间的空隙处，且相邻的所述调磁块2之间的空隙处安置有绕组3；
其控制系统包括以下步骤：
步骤一、通过在内转子1的外侧壁与外转子4的内侧壁嵌贴永磁体极，使内转子1转动产生的磁场通过调磁块2形成与外转子4同频率的谐波以驱动外转子4转动；
步骤二、通过绕组3电流产生的磁场与外转子4永磁体产生的磁场间的相互作用产生电磁转矩，对外转子4的转矩进行控制；
步骤三、当负载转矩、外转子4目标转速、位置发生变化的情况下，利用电枢绕组3所产生的电磁转矩来规划外转子4转速的变化曲线，使其能够平稳地在不同转速、位置下自由切换且尽量减少转速脉动；
步骤四、当负载转矩超过磁齿轮未加电枢电流时本身能产生的最大转矩，即最大永磁转矩时，将电枢绕组3通电作为外转子4转矩的来源之一，扩大整个磁齿轮系统的运行范围即转矩输出能力。
进一步的，在本发明实施例中，所述内转子1与外转子4在稳定状态下的转速反比于其转子上嵌贴的永磁体极对数，且转速与永磁体极对数所构成的齿轮比为：
其中，Pi为内转子永磁体的极对数，Po为外转子永磁体的极对数，ωi为内转子的转速，ωo为外转子的转速，通过调整内外转子嵌贴的永磁体极对数，磁齿轮可被用作减速或加速磁齿轮。
进一步的，在本发明实施例中，所述调磁块2的数目与内转子1和外转子4所嵌贴永磁体的极对数之间存在的关系为：
Nm＝Pi+Po
其中，Nm为调磁块的数目，Pi为内转子永磁体的极对数，Po为外转子永磁体的极对数，只有当调磁块2与内外转子永磁体的极对数满足关系式时，其内转子转动产生的磁场才能通过调磁块2形成与外转子4同极对数的谐波以驱动外转子转动。
进一步的，在本发明实施例中，所述外转子4的转矩由内转子1与绕组2电流共同作用产生，且转矩输出公式为：
To＝TMG+TEM
其中，To为外转子输出的转矩，TMG为内转子永磁体与外转子永磁体相互作用产生的永磁转矩，TEM是电枢绕组产生的磁场与外转子永磁体相互作用产生的电磁转矩，有源磁齿轮中由电枢电流产生的TEM是可控的，因此只要通过控制策略对其加以优化，可以完全消除内转子所产生的转矩脉动进而优化整个磁齿轮传动系统的性能。
进一步的，在本发明实施例中，所述电枢绕组作用产生的TEM可由公式表示为：
其中，p为外转子永磁体的极对数，ψf为其产生的磁链，Ld、Lq与id、iq为电感的交直轴分量，由于当内外转子永磁体合成磁场的相对角度确定时，其由两者相互作用所产生的磁场也就确定，因此可以根据当前两个转子的位置来计算当前的转矩TMG，进而确定电磁转矩TEM，最终达到降低或消除转矩脉动的目的。
工作原理：在使用该自动控制的有源磁齿轮时，通过绕组电流产生的磁场与外转子永磁体产生的磁场间的相互作用产生转矩，达到控制外转子的目的，针对负载转矩、外转子目标转速突变的情况下，利用电枢绕组所产生的转矩来规划外转子转速的变化曲线，使其能够平稳地在不同转速下自由切换且尽量减少转速脉动，此外，当负载转矩超过磁齿轮未加电枢电流时本身能产生的最大转矩，将电枢绕组通电作为外转子转矩的来源之一，扩大整个磁齿轮系统的运行范围即转矩输出能力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种自动控制的有源磁齿轮，其特征在于：包括内转子(1)、调磁块(2)、绕组(3)和外转子(4)；所述内转子(1)与外转子(4)呈同轴设置，且所述内转子(1)位于外转子(4)的内侧，所述调磁块(2)安置在内转子(1)与外转子(4)之间的空隙处，且相邻的所述调磁块(2)之间的空隙处安置有绕组(3)；
其控制系统包括以下步骤：
步骤一、通过在内转子(1)的外侧壁与外转子(4)的内侧壁嵌贴永磁体极，使内转子(1)转动产生的磁场通过调磁块(2)形成与外转子(4)同频率的谐波以驱动外转子(4)转动；
步骤二、通过绕组(3)电流产生的磁场与外转子(4)永磁体产生的磁场间的相互作用产生电磁转矩，对外转子(4)的转矩进行控制；
步骤三、当负载转矩、外转子(4)目标转速、位置发生变化的情况下，利用电枢绕组(3)所产生的电磁转矩来规划外转子(4)转速的变化曲线，使其能够平稳地在不同转速、位置下自由切换且尽量减少转速脉动；
步骤四、当负载转矩超过磁齿轮未加电枢电流时本身能产生的最大转矩，即最大永磁转矩时，将电枢绕组(3)通电作为外转子(4)转矩的来源之一，扩大整个磁齿轮系统的运行范围即转矩输出能力。
2.根据权利要求1所述的一种自动控制的有源磁齿轮，其特征在于：所述内转子(1)与外转子(4)在稳定状态下的转速反比于其转子上嵌贴的永磁体极对数，且转速与永磁体极对数所构成的齿轮比为：
其中，Pi为内转子永磁体的极对数，Po为外转子永磁体的极对数，ωi为内转子的转速，ωo为外转子的转速，通过调整内外转子嵌贴的永磁体极对数，磁齿轮可被用作减速或加速磁齿轮。
3.根据权利要求1或2所述的一种自动控制的有源磁齿轮，其特征在于：所述调磁块(2)的数目与内转子(1)和外转子(4)所嵌贴永磁体的极对数之间存在的关系为：
Nm＝Pi+Po
其中，Nm为调磁块的数目，Pi为内转子永磁体的极对数，Po为外转子永磁体的极对数，只有当调磁块(2)与内外转子永磁体的极对数满足关系式时，其内转子转动产生的磁场才能通过调磁块(2)形成与外转子(4)同极对数的谐波以驱动外转子转动。
4.根据权利要求1所述的一种自动控制的有源磁齿轮，其特征在于：所述外转子(4)的转矩由内转子(1)与绕组(2)电流共同作用产生，且转矩输出公式为：
To＝TMG+TEM
其中，To为外转子输出的转矩，TMG为内转子永磁体与外转子永磁体相互作用产生的永磁转矩，TEM是电枢绕组产生的磁场与外转子永磁体相互作用产生的电磁转矩。
5.根据权利要求4所述的一种自动控制的有源磁齿轮，其特征在于：所述电枢绕组作用产生的TEM可由公式表示为：
其中，p为外转子永磁体的极对数，ψf为其产生的磁链，Ld、Lq与id、iq为电感的交直轴分量，由于当内外转子永磁体合成磁场的相对角度确定时，其由两者相互作用所产生的磁场也就确定，因此可以根据当前两个转子的位置来计算当前的转矩TMG，进而确定电磁转矩TEM，最终达到降低或消除转矩脉动的目的。
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