CN113631840A - 轨道磁性齿轮和相关系统 - Google Patents

Abstract

根据本公开的各种实施例，轨道磁性齿轮包括齿轮轴。轨道磁性齿轮还包括第一定子磁环和第二定子磁环，第一定子磁环沿着齿轮轴固定在第一轴向位置，第二定子磁环沿着齿轮轴固定在第二轴向位置并且邻近第一定子磁环。轨道磁性齿轮还包括可旋转地联接到齿轮轴的转子磁环。转子磁环相对于齿轮轴以及第一定子磁环和第二定子磁环斜置。

Description

轨道磁性齿轮和相关系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月7日提交的名称为“Orbital Magnetic Gears,andRelated Systems”美国临时专利申请号No.62/776,673的优先权，其全部内容以引用的方式并入到本文中。

技术领域

本公开总体上涉及轨道磁性齿轮和相关系统，包括例如用于各种水电能量系统，更具体地说，用于水电涡轮机。

背景技术

此处使用的章节标题仅用于组织目的，不得解释为以任何方式限制所述主题。

本公开的各种实施例设想了一种磁性齿轮，该磁性齿轮涉及磁体在相对于与其反应的磁体成一定角度倾斜的平面内的旋转，本领域普通技术人员有时将其称为“在黄道平面之外”。磁性齿轮可以是行星型齿轮或摆线型齿轮(有时称为谐波型齿轮)。常规的摆线磁性齿轮可以实现相对较大的扭矩密度，但是这种齿轮的一些相对挑战包括(1)将摆线运动转换成同心旋转的要求，以及(2)摆线轴上的轴承上相对较高的离心载荷。常规的行星磁性齿轮在旋转轴线的两侧都有平衡的力，但是在产生力的磁体之间需要被动的叠片齿。

需要提供一种磁性齿轮，其产生相对高的扭矩密度，同时减少轴承上的离心载荷，以延长轴承的寿命。还需要在旋转轴线的两侧提供具有平衡力的磁性齿轮，但是不需要磁体之间的叠片。

发明内容

本公开解决了上述问题中的一个或多个和/或实现了上述期望的特征中的一个或多个。从下面的描述中，其他特征和/或优点将变得显而易见。

根据本公开的各种示例性实施例，轨道磁性齿轮包括齿轮轴。轨道磁性齿轮还包括第一定子磁环和第二定子磁环，第一定子磁环沿着齿轮轴固定在第一轴向位置，第二定子磁环沿着齿轮轴固定在第二轴向位置并且邻近第一定子磁环。轨道磁性齿轮还包括可旋转地联接到齿轮轴的转子磁环。转子磁环相对于齿轮轴以及第一定子磁环和第二定子磁环斜置。

根据本公开的各种附加示例性实施例，水电涡轮机包括定子和设置在定子径向外侧的转子，转子可围绕定子绕旋转轴线旋转。水电涡轮机还包括沿着旋转轴线设置的发电机。发电机固定地联接到定子上。水电涡轮机还包括轨道磁性齿轮，该轨道磁性齿轮包括相对于旋转轴线斜置的转子磁环。轨道磁性齿轮沿着旋转轴线设置，并且可操作地联接到发电机。水电涡轮机还包括多个叶片，这些叶片可操作地联接到轨道磁性齿轮上并从轨道磁性齿轮径向向外延伸。多个叶片固定在转子上，以响应于流体流与叶片相互作用而使转子旋转。

附加的目的和优点将在下面的描述中部分阐述，并且部分将从描述中显而易见，或者可以通过实践本教导来了解。本公开的至少一些目的和优点可以通过在所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和获得。

应该理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和解释性的，并不限制本公开和权利要求，包括等同物。应当理解，本公开和权利要求在其最广泛的意义上可以在不具有这些示例性方面和实施例的一个或多个特征的情况下实践。

附图说明

并入在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本公开的一些示例性实施例，并与说明书一起用于解释某些原理。在附图中：

图1A是根据本公开的圆柱形轴承表面的示例性实施例的放大透视图；

图1B示出了根据本公开的具有多个圆柱形轴承表面的齿轮轴的示例性实施例；

图2是根据本公开的轨道磁性齿轮的示例性实施例的分解图；

图3是图2的轨道磁性齿轮的输出驱动器的示例性实施例的局部放大视图；

图4A示出了当常规摆线齿轮的内磁环上的扭矩为逆时针时的磁极图案；

图4B示出了当图4A的常规摆线齿轮的内磁环上的扭矩为顺时针时的磁极图案；

图5A是图2的轨道磁性齿轮处于第一旋转位置的侧视截面图；

图5B是图2的轨道磁性齿轮处于第二旋转位置的侧视截面图；

图6是图2的轨道磁性齿轮的透视截面图；

图7是图2的轨道磁性齿轮的局部透视截面图；

图8是根据本公开的轨道磁性齿轮的另一示例性实施例的侧视截面图；

图9是示出根据本发明的扭矩输出作为轨道磁性齿轮的外磁环的分隔距离的函数的曲线图；

图10A-图10C逐步示出了2的轨道磁性齿轮的旋转运动；

图11A-图11C逐步示出了图2的轨道磁性齿轮的摆动运动；

图12A示出了当作用在图2的轨道磁性齿轮的内磁环上的扭矩是逆时针时的磁极图案；

图12B示出了当作用在图12A的内磁环上的扭矩的磁极图案；

图13是根据本公开的水电涡轮机的截面图。

具体实施方式

根据本公开的示例性实施例的轨道磁性齿轮可以实现相对高的扭矩密度，例如，类似于常规的磁性摆线齿轮，同时显著减少磁性摆线齿轮经常遇到的轴承载荷问题。与常规的磁性摆线齿轮不同，所公开的轨道磁性齿轮可以例如平衡旋转轴线两侧的轴承上的力，从而延长轴承沿齿轮轴的寿命(即，轴承的L10寿命)。

轨道磁性齿轮的结构

如图1A和1B所示，根据本公开的示例性实施例的轨道磁性齿轮(OMG)利用齿轮轴5，该齿轮轴5具有一个或更多个轴承表面1，轴承表面1被配置成在齿轮轴5上接纳并支撑圆柱形轴承。如在图1B中最佳地示出，一个或更多个轴承表面1(在图1B的实施例中示出了五个轴承表面1)相对于齿轮轴5的轴线A以微小的角度对准。换句话说，每个轴承表面1具有在相对于齿轮轴5的轴线A的平面内倾斜的外表面10。在一个实施例中，例如，轴承表面1以一定角度直接机械加工到齿轮轴5中，使得每个轴承表面1的厚度t₁大于轴承表面1的厚度t₂。例如，如图1A所示，每个轴承表面1的厚度相对于齿轮轴5在周向和轴向上在厚度t₁与t₂之间变化。

根据各种示例性实施例，厚度t1可以是厚度t2的大约3倍。例如，在一个实施例中，厚度t₁约为3/16英寸，而厚度t₂约为1/16英寸。然而，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开和权利要求的情况下，轴承表面1可以具有各种尺寸，包括由各种厚度t₁和t₂形成的相对于轴线A具有各种倾斜度的外表面10，并且可以由各种方法和技术形成。

如下文将进一步描述的，根据具有单个转子磁环的OMG的一个示例性实施例，单个轴承表面1的倾斜度允许由轴承表面1支撑的圆柱形轴承11(见图2、图5A、图5B和图6)用来将转子磁环(例如内磁环)支撑在相对于齿轮轴5和一对定子磁环(例如，外磁环)斜置的位置。根据本公开的各种示例性实施例，轴承表面1的倾斜度可以相对于定子磁环以小于约15度，例如相对于定子磁环小于约10度的斜角θ支撑转子磁环(见图5A和5B)。以这种方式，如下文将进一步描述的，转子磁环的第一部分围绕齿轮轴5的轴线A与转子磁环的第二部分直径相对，并且转子磁环的磁体在相对于定子磁环的磁体倾斜一定角度的平面内旋转，从而提供“在黄道平面之外”的运动。本领域的普通技术人员将理解，根据本公开的OMG设想到根据OMG的大小和应用，以相对于定子磁环的各种斜角θ支撑转子磁环。例如，斜角θ与OMG的直径(即，转子和定子环的直径)成反比。换句话说，OMG的直径越小，所需的斜角θ就越大。

此外，在各种实施例中，利用单个斜轴承表面使单个转子磁环(例如，内磁环)倾斜(即，斜置)的OMG可能需要比其摆线对应物多33％的磁体。此外，有两个斜轴承表面以分别使两个内磁环倾斜的OMG，可能需要比其摆线对应物多大约20％的磁体。尽管不希望受特定理论的约束，但是发明人已经发现，对于n个表面，OMG的附加磁体要求可以表征为:

具有单个转子磁环、单个内磁环102的OMG 100的示例性实施例在图2至图7中示出。如可能在图5A和5B中最佳地所示，OMG 100包括沿齿轮轴5固定在第一轴向位置的第一外磁环104a和沿齿轮轴5固定在第二轴向位置并邻近第一外磁环104a的第二外磁环104b。内磁环102可旋转地联接到齿轮轴5，并径向设置在由第一外磁环104a和第二外磁环104b界定的空间内。如图5A和5B进一步所示，内磁环102相对于齿轮轴5以及第一外磁环104a和第二外磁环104b斜置。内磁环102被配置成经由输出驱动轮毂106在两个固定的外磁环104a和104b内旋转。例如，输出驱动轮毂106径向定位在内磁环102内，使得内磁环102围绕输出驱动轮毂106的外圆周107延伸。圆柱形轴承11被支撑在例如上面参考图1A和1B描述的圆柱形轴承表面1上，圆柱形轴承11被配置成将输出驱动轮毂106支撑在齿轮轴5上，并允许内磁环102相对于齿轮轴5旋转。以这种方式，在内磁环102旋转期间，由于圆柱形轴承表面1的倾斜外表面10，输出驱动轮毂106经历摆动运动(即，进动运动)。

如图10A-10C和11A-11C所示，输出驱动轮毂106经历摆动运动(见图11A-11C)，组合有旋转(见图10A-10C)。如图3所示，在各种实施例中，例如，输出驱动轮毂106包括一个或更多个球形承窝110，其被配置成接纳相应的球形轴承/线性衬套108。参照图5-7，在一个示例性实施例中，输出驱动轮毂106包括四个球形承窝110，它们围绕输出驱动轮毂106的圆周以相等的间隔隔开。当组装OMG 100时，每个球形承窝110保持相应的球形轴承/线性衬套108，使得衬套108的端部109在一对稳定环112之间延伸并附接到这对稳定环112上，稳定环112例如经由轴承13支撑在齿轮轴5上。以这种方式，球形轴承/线性衬套108允许输出驱动轮毂106的摆动运动，同时将输出驱动轮毂106的旋转传递到齿轮轴5。

本领域普通技术人员将会理解，图2-图7所示的轨道磁性齿轮100仅仅是示例性的，在不脱离本公开和权利要求的范围的情况下，这种齿轮可以具有各种配置、尺寸、形状和/或部件布置，包括以各种斜角的各种数量和/或配置的内磁环。此外，尽管图示的OMG100的示例性实施例利用了附接在稳定环上的球形轴承/线性衬套，但是本公开设想通过任何已知的方法和/或技术来稳定齿轮，同时允许输出驱动轮毂的摆动运动。

虽然在本公开中没有示出，但是本领域普通技术人员将另外理解，所公开的原理也可以应用于定子和转子磁环的定位颠倒的实施例。例如，本公开进一步设想到具有相对于两个固定内磁环斜置的单个旋转外磁环的OMG。在这样的实施例中，OMG包括可旋转地联接到齿轮轴的转子磁环(即，外磁环)、沿齿轮轴固定在第一轴向位置的第一定子磁环(即，第一内磁环)，沿着齿轮轴固定在第二轴向位置并且邻近第一定子磁环的第二定子磁环(即，第二内磁环)。并且，第一定子磁环和第二定子磁环径向设置在由转子磁环界定的空间内。

根据本公开的OMG可以利用内磁环和外磁环上的磁体的各种组合，以产生期望的齿轮比。例如，如图12A和12B所示，本公开设想到第一外磁环104a由第一组磁体105(例如，105a)形成，第二外磁环104b由第二组磁体105(例如，105b)形成，并且内磁环102由第三组磁体103形成。根据一个示例性实施例，第一组磁体和第二组磁体105中的每一组都比第三组磁体103多两个磁极。换句话说，OMG 100的内磁环102和外磁环104上的磁体103和105被配置成使得与具有N_r磁极的内磁环102相比，在外磁环104(即，104a和104b)中每一个上多两个磁极N_s。采用这种磁性布置，OMG 100的齿轮比为:

磁极可以布置在内磁极102和外磁极104的同心环上，以便产生期望的扭矩。例如，在外磁环404(即，转子环)上比内磁环402(即，转子环)上多两个磁极的常规摆线磁性齿轮中，磁极可以定位成使得它们在内磁环402上在3点钟位置产生顺时针扭矩(见图4B)。然而，由于在外磁环404上比内磁环402上多两个磁极，因此该磁极图案将在9点钟位置产生逆时针扭矩(见图4A)。如本领域所理解的，试图解决这个问题(即，同心环上相反扭矩的问题)的一种方式是在齿轮一侧上的环之间提供相对较小的径向气隙，在齿轮相对侧(即，远离小间隙旋转约180°)的环之间提供相对较大的径向气隙。然而，在这种配置中，内磁环402的磁体被不断地拉向气隙小的地方，从而仍然会由于拉向齿轮的一侧而导致扭矩不平衡。由环产生的相反扭矩会对齿轮的轴承造成相对较大的磨损，这又会导致常规磁性摆线齿轮的轴承具有相对较短的寿命(即，短L10寿命)和齿轮过早失效。

如本公开所设想的，避免该问题的一种方式是使用具有斜置转子磁环例如斜置内磁环102和两个定子磁环，例如两个外磁环104(例如，104a和104b)的轨道磁性齿轮(OMG)。以这种方式，如图5A和5B所示，内磁环102的第一部分102a围绕齿轮轴5的轴线A与内磁环102的第二部分102b直径相对。在这种配置中，在内磁环102绕齿轮轴5的第一旋转位置(见图5A)，内磁环102的第一部分102a被配置成与第一外磁环104a对准，内磁环102的第二部分102b被配置成与第二外磁环104b对准。如图5B所示，在内磁环102绕齿轮轴5的第二旋转位置(见图5B)，第二旋转位置与第一旋转位置成大约180度，内磁环102的第二部分102b被配置成与第一外磁环104a对准，内磁环102的第一部分102a被配置成与第二外磁环104b对准。换句话说，在内磁环102的第一旋转位置，第一部分102a在周向定位在第一外磁环104a内，第二部分102b在周向定位在第二外磁环104b内。并且，在内磁环102旋转大约180度之后，在内磁环102的第二旋转位置，第一部分102a和第二部分102b切换位置，使得第一部分102a现在周向定位在第二外磁环104b内，并且第二部分102b现在周向定位在第一外磁环104a内。

换句话说，本公开设想到内磁环102的斜角可以被选择为与OMG100顶部部分的第一外磁环104a和OMG 100底部部分的第二外磁环104b重叠(例如，当OMG 100如图5A和5B所示定向时)。在图2至图7的实施例的取向上，内磁环102因此倾斜，使得内磁环102基本上与OMG 100顶部的第一外磁环104a和OMG 100底部的第二外磁环104b对准。如图6进一步所示，同时，对于每组相邻的磁体105，外磁环104a和104b的磁体105的磁极性通常彼此相反。

如图12A和12B所示，在这种配置中，内磁环102可以与两个不同的外磁环104a和104b相互作用，而不是仅与一个定子磁环相互作用，以获得其净扭矩，从而消除了如图4A和4B所示的常规摆线齿轮中产生的相反扭矩。因此，根据本公开的OMG的轴承可以表现出比它们的常规摆线对应物的轴承更长的L10寿命。

轨道磁性齿轮的扭矩性能

为了测试所公开的轨道磁性齿轮的性能，对行星齿轮和摆线齿轮进行建模(都在有限元程序中进行计算，随后在实体工程中作为实体模型)，并与分析建模的OMG进行比较，如图2所示，用于产生扭矩。在比较中，假设磁性齿轮各自具有相同的总直径和磁体利用率。齿轮在直径为24”、深度为1”的壳中进行比较。

下表总结了各种建模齿轮的计算比较。

如上表所示，与行星和摆线磁性齿轮相比，根据本公开的轨道磁性齿轮传递了增加的扭矩输出。此外，与具有下一最高输出的齿轮，摆线齿轮相比，齿轮上的离心载荷和磁载荷的差异并不显著。

如上文所讨论，发现根据本公开的OMG对于具有一个内磁环的系统通常使用多大约33％的磁体体积，对于具有两个内磁环的系统使用多大约20％的磁体。这表明，与只有一个内磁环的OMG相比，摆线扭矩应列为1.3333×877＝1166英尺-磅(而不是877英尺-磅)，与有两个内磁环的OMG相比，摆线扭矩应列为1.2×877＝1052(而不是877英尺-磅)。因此，确定了两种齿轮类型，摆线和OMG，大体上在性能上接近，与摆线齿轮相比，OMG具有显著降低的轴承载荷。

此外，如本领域普通技术人员所理解的，用行星磁性齿轮实现大齿轮比是困难的。经常尝试大齿轮比，例如，在外部构件上使用高的极数，在内部构件上使用小的极数。外部构件上的高磁极数意味着更少的磁通量将完全跨过两个气隙到达内部构件。以充分结构完整性在两个构件之间夹入无源叠片堆叠以在全载荷能力下操作仍然存在困难。

如果行星磁性齿轮采用许多转子盘，组装也可能更加困难，并且零件数量可能很多。

增加扭矩能力

在一些应用中，装置伴有直径约束，操作长度或深度是增加扭矩的常用方法。使用一个深度较大的内磁环是可能的，但可能会导致磁体体积损失约33％。因此，本公开的各种附加实施例进一步设想到多环实施例，例如图8所示。例如，多环OMG 200可以随着内磁环202的数量线性缩放扭矩。如图8所示，OMG 200包括经由相应的圆柱轴承11可旋转地联接到齿轮轴5的五个内磁环202，圆柱形轴承11经由相应的轴承表面1相对于齿轮轴5被支撑(见1B)。像OMG 100一样，内磁环202径向设置在由第一外磁环204a和第二外磁环204b界定的空间内，并且都相对于齿轮轴5以及第一外磁环204a和第二外磁环204b斜置。对于此实施例，所需的额外磁体体积(即，与摆线齿轮相比)，也将根据上面的等式(1)进行缩放。

发现第一外磁环204a与第二外磁环204b之间的分隔距离对OMG 200的总扭矩输出具有很小的影响。然而，根据所使用的内磁环的数量，增加第一外磁环204a与第二外磁环204b之间的分隔距离也可能需要增加内磁环202的斜角(即，以确保内磁环202的磁体与外磁环204a和204b的磁体正确重叠，如上文所讨论)。根据本公开的OMG也被分析性地建模以确认分隔外磁环的效果。上表中第4行的条件也用于此分析。如图9的曲线图所示，OMG产生的扭矩变化很小，因为外磁环之间的分隔距离增加。

本领域普通技术人员将理解，图8所示的多环轨道磁性齿轮200只是示例性的并且这种齿轮可以具有各种配置、尺寸、形状和/或部件布置，包括以各种斜角的各种数量的内磁环，而不脱离本公开和权利要求的范围。

水电能量系统中的应用

根据本公开的轨道磁性齿轮(OMG)可用于各种应用，包括例如各种水电能量系统，更具体地说，用于水电涡轮机。本公开设想例如在水电能量系统中利用轨道磁性齿轮，例如图2-8所示的那些轨道磁性齿轮，水电能量系统包括水电涡轮机，水电涡轮机包括静止构件(例如，定子)和旋转构件(例如，转子)，旋转构件设置在定子外周向表面的径向外侧(即，绕定子同心设置)并且被配置成围绕定子绕旋转轴线旋转。根据本公开的涡轮机可以具有相对于转子径向向内和径向向外延伸的多个叶片部分。以这种方式，具有大致平行于转子旋转轴线的方向分量流的流体流作用在叶片部分上，从而导致转子绕旋转轴线旋转。

根据本公开的一个或多个示例性实施例，流体流中的能量可以使用位于涡轮机中心的固定点处的现成发电机直接转换成电能。例如，发电机可以沿着涡轮机的旋转轴线设置，并且相对于定子被支撑，以防止发电机绕旋转轴线旋转。根据各种实施例，例如，发电机可以设置在固定壳体或吊舱内，该固定壳体或吊舱由与定子接合的支撑构件支撑。在各种示例性实施例中，支撑构件可以包括联接到定子的边沿和在边沿与发电机壳体之间延伸的多个交叉角撑条(例如，辐条)。

为了将由叶片收集的高扭矩、低速功率(例如，来自图6的轴15)转换为适合于发电机的低扭矩、高速输入(例如，来自图6的轴5)，本公开的各种实施例还设想到将发电机联接到如上所描述的轨道磁性齿轮。在一个示例性实施例中，如例如在2019年5月29日提交的国际申请号PCT/US2019/034306(其以全文引用的方式并入到本文中)中，轨道磁性齿轮可以沿着旋转轴线设置在发电机与径向向内延伸的叶片部分之间，并且径向向内延伸的叶片部分可以终止并附接到磁性齿轮，使得径向向内延伸的叶片部分在涡轮机的中心支撑轨道磁性齿轮。

参考图13，示出了根据本公开的利用OMG 100的水电涡轮机300的示例性实施例。水电涡轮机300包括设置在定子306径向外侧的转子304。在这种布置中，多个叶片(水翼)301可以从转子304的旋转轴线A附近在径向延伸。每个叶片301可以具有从转子304中心附近延伸的一定长度(例如，从下面进一步描述的动力输出系统330)以径向延伸到转子304之外，使得叶片部分303在转子304的径向内侧延伸，并且叶片部分302在转子304的径向外侧延伸。以这种方式，叶片301可以被布置成拦截在中央流过转子304和在转子304径向外侧流动的流体流F(在图13中由箭头示意性地表示)，从而使转子304相对于定子306绕中心旋转轴线A旋转。在各种示例性实施例中，多个叶片301可以围绕旋转轴线A以均匀的间隔安装。然而，相邻叶片之间的不均匀间距也是可以设想到的。

如图13所示，叶片301可以朝向转子304的靠近涡轮机300的第一端面308的前边沿(即，当涡轮机300位于流体流F中时，转子304的上游端)附连，并且可以从位于中央的动力输出系统330径向向外延伸。如上文所讨论，动力输出系统330沿着涡轮机300的旋转轴线A设置。动力输出系统330包括发电机332和联接到发电机332的轨道磁性齿轮，例如上文所讨论的OMG 100。如图13所示，OMG 100沿着旋转轴线A设置在发电机332与叶片301之间。在各种实施例中，例如，如上文所提到的，叶片301终止于OMG 100并附接到OMG 100。以这种方式，叶片301支撑OMG 100(即，沿着中心旋转轴线A)并且可以将高扭矩、低速动力输入传递到OMG 100。反过来，OMG 100被配置为向发电机332提供低扭矩、高速功率输出。如在以全文引用的方式并入到本文中的国际申请号PCT/US2019/034306中所讨论，发电机332相对于定子306被支撑，以防止发电机332也绕旋转轴线A旋转。在各种实施例中，例如，发电机332是三相、高速、低扭矩发电机，并且设置在具有流体动力学轮廓的固定壳体或吊舱内。

本领域普通技术人员将理解，上述水电能量系统仅是示例性的，并且根据本公开的轨道磁性齿轮可以具有各种应用，并且可以并入到各种系统中。由于它们相对较小的尺寸，各种附加实施例设想到例如将这种轨道磁性齿轮并入到风力涡轮机或高扭矩密度马达中。例如，尽管上述示例性实施例设想利用这种轨道磁性齿轮将高扭矩、低速输入转换成低扭矩、高速输出，但是本公开的各种附加实施例设想利用所公开的轨道磁性齿轮将低扭矩、高速输入转换成低速、高扭矩输出。

本说明书和示出示例性实施例的附图不应被视为限制。在不脱离本说明书和权利要求书的范围(包括等同物)的情况下，可以进行各种机械、组成、结构、电气和操作上的改变。在一些情况下，没有详细示出或描述众所周知的结构和技术，以免混淆本公开。此外，只要可行，参考一个实施例详细描述的元件及其相关联特征可以包括在没有具体示出或描述它们的其他实施例中。例如，如果参考一个实施例详细描述了元件，而没有参考第二实施例描述该元件，则该元件仍然可以包括在第二实施例中。

注意，如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”，以及任何单词的任何单数使用，包括复数指代物，除非明确且毫不含糊地限于一个指代物。如本文所使用的，术语“包括”及其语法变体旨在是非限制性的，使得列表中的项目的列举不排除可以替代或添加到所列项目的其他类似项目。

此外，本说明书的术语并不旨在限制本公开。例如，空间上相对的术语——诸如“上游”、“下游”、“下方”、“之下”、“下部”、“之上”、“上部”、“前方”、“前”、“后方”等——可用于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，如附图的取向所示。除了图中所示的位置和取向之外，这些空间上相对的术语旨在包括使用或操作中的装置的不同位置和取向。例如，如果图中的装置被倒置，则被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下方”的元件将会在其他元件或特征“之上”或“上方”。因此，示例性术语“下方”可以包括上方和下方的位置和取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他取向)，并且这里使用的空间相对描述符被相应地解释。

鉴于本文的公开内容，进一步的修改和替代实施例对于本领域普通技术人员将是显而易见的。例如，装置可以包括为了操作清楚而从图和描述中省略的附加部件。因此，该描述仅被解释为说明性的，并且是为了教导本领域技术人员执行本公开的一般方式。应当理解，本文所示和所述的各种实施例将被视为示例性的。元件和材料，以及这些元件和材料的布置，可以代替这里示出和描述的那些，零件和过程可以颠倒，并且可以独立地利用本教导的某些特征，所有这些对于受益于这里的描述的本领域技术人员来说都是显而易见的。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对这里描述的元件进行改变。

应当理解，本文阐述的特定示例和实施例是非限制性的，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对结构、尺寸、材料和方法进行修改。考虑到这里公开的本发明的说明书和实践，根据本公开的其他实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。说明书和示例仅被认为是示例性的，并被赋予其全部范围广度，包括等同物。

Claims (20)

1.一种轨道磁性齿轮，包括:

齿轮轴；

第一定子磁环，所述第一定子磁环沿着所述齿轮轴固定在第一轴向位置；

第二定子磁环，所述第二定子磁环沿着所述齿轮轴固定在第二轴向位置并且邻近所述第一定子磁环；和

转子磁环，所述转子磁环可旋转地联接到所述齿轮轴，

其中，所述转子磁环相对于所述齿轮轴以及所述第一定子磁环和第二定子磁环斜置。

2.根据权利要求1所述的轨道磁性齿轮，其中，所述转子磁环相对于所述第一定子磁环和第二定子磁环同心设置。

3.根据权利要求1所述的轨道磁性齿轮，其中，所述转子磁环径向设置在由所述第一定子磁环和第二定子磁环界定的空间内。

4.根据权利要求3所述的轨道磁性齿轮，其中，在所述转子磁环相对于所述齿轮轴的第一旋转位置，所述转子磁环的第一部分与所述第一定子磁环对准，并且所述转子磁环的第二部分与所述第二定子磁环对准。

5.根据权利要求4所述的轨道磁性齿轮，其中，在所述转子磁环绕所述齿轮轴的第二旋转位置，所述转子磁环的所述第二部分与所述第一定子磁环对准，并且所述转子磁环的所述第一部分与所述第二定子磁环对准，所述第二旋转位置与所述第一旋转位置成大约180度。

6.根据权利要求1所述的轨道磁性齿轮，其中，所述第一定子磁环由第一组磁体形成，所述第二定子磁环由第二组磁体形成，所述第一组磁体的每个磁体的极性与所述第二组磁体的相应相邻磁体的极性相反。

7.根据权利要求6所述的轨道磁性齿轮，其中，所述转子磁环由第三组磁体形成。

8.根据权利要求7所述的轨道磁性齿轮，其中，所述第一组磁体和第二组磁体中的每一组都比第三组磁体多两个磁极。

9.根据权利要求1所述的轨道磁性齿轮，还包括径向定位在所述转子磁环内的输出驱动轮毂，所述转子磁环围绕所述输出驱动轮毂的外圆周延伸。

10.根据权利要求9所述的轨道磁性齿轮，还包括圆柱形轴承表面，所述圆柱形轴承表面具有相对于所述齿轮轴倾斜的外表面，所述圆柱形轴承表面被配置成支撑所述输出驱动轮毂，使得所述转子磁环相对于所述齿轮轴斜置。

11.根据权利要求9所述的轨道磁性齿轮，其中，所述输出驱动轮毂被配置为当所述转子磁环绕所述齿轮轴旋转时经历摆动运动。

12.根据权利要求9所述的轨道磁性齿轮，其中，所述输出驱动轮毂包括一个或更多个球形承窝，每个球形承窝被配置成接纳相应的球形轴承，每个球形轴承具有从所述球形轴承向外延伸的线性衬套。

13.根据权利要求1所述的轨道磁性齿轮，进一步包括一个或更多个稳定环。

14.一种水电涡轮机，包括:

定子；

转子，所述转子设置在所述定子的径向外侧，所述转子能够围绕所述定子绕旋转轴线旋转；

发电机，所述发电机沿着所述旋转轴线设置，所述发电机固定地联接到所述定子；和

轨道磁性齿轮，包括转子磁环，所述转子磁环相对于所述旋转轴线斜置，所述轨道磁性齿轮沿着所述旋转轴线设置并且可操作地联接到所述发电机；和

多个叶片，所述多个叶片可操作地联接到所述轨道磁性齿轮并从所述轨道磁性齿轮径向向外延伸，所述多个叶片固定到所述转子，以响应于流体流与所述叶片相互作用而使所述转子旋转。

15.根据权利要求14所述的水电涡轮机，其中，所述轨道磁性齿轮包括沿着所述旋转轴线延伸的齿轮轴，所述转子磁环相对于所述齿轮轴斜置。

16.根据权利要求15所述的水电涡轮机，还包括圆柱形轴承表面，所述圆柱形轴承表面具有相对于所述齿轮轴倾斜的外表面，所述转子磁环经由所述圆柱形轴承表面可旋转地联接到所述齿轮轴。

17.根据权利要求16所述的水电涡轮机，其中，所述轨道磁性齿轮包括沿着所述齿轮轴定位的静止的第一外磁环和第二外磁环，所述转子磁环在由所述静止的第一外磁环和第二外磁环界定的空间内可旋转地联接到所述齿轮轴。

18.根据权利要求17所述的水电涡轮机，其中，所述转子磁环相对于所述静止的第一外磁环和第二外磁环斜置。

19.根据权利要求14所述的水电涡轮机，其中，所述轨道磁性齿轮被配置为向所述发电机提供低扭矩、高速功率输出。

20.根据权利要求14所述的水电涡轮机，其中，所述发电机是三相高速低扭矩发电机。

Images