CN113890304A - 一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮 - Google Patents

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Abstract

一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，在内转子与调磁环之间设有内层气隙，在调磁环与外转子之间设有外层气隙；所述外转子包括交错设置的外转子永磁体和外转子轭铁，在外转子轭铁的内侧嵌设有额外永磁体。本发明提供一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，通过改变永磁体的拓扑结构和充磁方式、磁力齿轮转子铁轭开槽的结构，实现高转矩密度，同时减小磁齿轮的质量。

Description

一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮
技术领域
本发明涉及传动技术领域，尤其是一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮。
背景技术
随着新能源的发展，电动汽车、风力发电、潮汐发电等领域受到人们广泛的关注。其中，在能量传递过程中，齿轮占有重要地位。机械齿轮虽然具有传动比大、传递功率大的优点，但机械齿轮的传动是通过齿轮之间的物理啮合来实现的，因此不可避免地存在因物理接触而引起的摩擦损失、噪声、振动等问题。
与机械齿轮相比，磁力齿轮利用磁场耦合实现扭矩传递的功能，具有无接触、低振动、免润滑等优点，广泛应用于低速大扭矩领域。21世纪初，K Atallah，D Howe教授提出了磁场调制式磁力齿轮，在转矩传递过程中所有永磁体均参与，转矩密度高且永磁体利用率高。随着磁场调制型磁力齿轮的研究不断深入，各种不同结构的磁力齿轮相继被研究出来，直线式、聚磁式和轴向式磁力齿轮相继问世。但是前述磁力齿轮结构存在一些缺陷，如结构复杂、脉动大等，不能广泛应用于高精度科技领域。因此，为获得结构简单、扭矩密度高、传动平稳的磁力齿轮还需进一步努力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，通过改变永磁体的拓扑结构和充磁方式、磁力齿轮转子铁轭开槽的结构，实现高转矩密度，同时减小磁齿轮的质量。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，在内转子与调磁环之间设有内层气隙，在调磁环与外转子之间设有外层气隙；所述外转子包括交错设置的外转子永磁体和外转子轭铁，在外转子轭铁的内侧嵌设有额外永磁体。
优选的，所述外转子轭铁的外侧设有槽。
优选的，所述内转子包括内转子轭铁以及内转子永磁体，内转子永磁体贴附于内转子轭铁的表面，内转子永磁体为凸型-T型交替排列。
优选的，所述调磁环包括交错排列的非导磁材料及调磁轭铁。
优选的，所述外转子永磁体为Spoke切向极化结构，其充磁方向为切向充磁；额外永磁体为径向充磁，且与外转子永磁体构成径向-Spoke复合极化磁齿轮结构，从而实现向内聚磁的功能。
优选的，所述内转子永磁体为Halbach阵列充磁。
优选的，调磁环的磁场极对数Ns、内转子永磁体2的磁场极对数Pin以及外转子永磁体7的磁场极对数Pout满足如下关系：Ns＝Pin+Pout。
优选的，所述调磁铁轭由硅钢片堆叠制成。
本发明提供一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，具有以下有益效果：
1、本发明所提供的具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮装置，改进了内外转子永磁体的充磁方式，内转子永磁体采用两段一级的Halbach阵列充磁，外转子永磁体和额外永磁体构成径向-Spoke复合结构，采用三段一级的Halbach阵列充磁，这种充磁方式使得内外层气隙磁密幅值更高，并且波形更接近正弦，谐波含量更少。
2、本发明所提供的具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮装置，内转子采用不同于传统圆环状永磁体，在本发明中采用凸型和T型的永磁体交替排列，利用ansoft软件对内外层气隙磁密和内外转子的静态、动态转矩进行计算，并和传统磁齿轮进行比较，本发明新型磁齿轮在气隙磁密和转矩幅值上都有很大的提高，适用于低速高转矩的场合。
3、本发明所提供的具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮装置，外轭铁上设有开槽，能够减小轭铁的用量，进而减轻磁齿轮装置的质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的外转子局部示意图；
图3为本发明的内层气隙磁密径向分量比较图；
图4为本发明的内层气隙磁密切向分量比较图；
图5为本发明的外层气隙磁密径向分量比较图；
图6为本发明的外层气隙磁密切向分量比较图；
图7为本发明的内层气隙径向谐波幅值比较图；
图8为本发明的内层气隙切向谐波幅值比较图；
图9为本发明的外层气隙径向谐波幅值比较图；
图10为本发明的外层气隙切向谐波幅值比较图；
图11为本发明的静态转矩比较图；
图12为本发明的稳态转矩比较图。
具体实施方式
如图1-2中，一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，在内转子与调磁环之间设有内层气隙3，在调磁环与外转子之间设有外层气隙6；所述外转子包括交错设置的外转子永磁体7和外转子轭铁9，在外转子轭铁9的内侧嵌设有额外永磁体8。
优选的，所述外转子轭铁9的外侧设有槽10。
优选的，所述内转子包括内转子轭铁1以及内转子永磁体2，内转子永磁体2贴附于内转子轭铁1的表面，内转子永磁体为凸型-T型交替排列。
优选的，所述调磁环包括交错排列的非导磁材料4及调磁轭铁5。
优选的，所述外转子永磁体7为Spoke切向极化结构，其充磁方向为切向充磁；额外永磁体8为径向充磁，且与外转子永磁体7构成径向-Spoke复合极化磁齿轮结构，从而实现向内聚磁的功能。
优选的，所述内转子永磁体为Halbach阵列充磁。
优选的，调磁环的磁场极对数Ns、内转子永磁体2的磁场极对数Pin以及外转子永磁体7的磁场极对数Pout满足如下关系：Ns＝Pin+Pout。
优选的，所述调磁铁轭5由硅钢片堆叠制成。
根据磁场调制原理，保持调磁环静止，高速内转子、低速外转子分别以不同的转速沿着相反的方向旋转，磁力齿轮的传动比可表示为：
Figure BDA0003313306040000031
为探究本发明所提供的磁齿轮装置在提高转矩密度方面的作用，以传动比1:4.25的磁齿轮为例，在保证永磁体用量相等且基本参数相同的情况下，分别建立传统型以及改进型磁齿轮模型，改进型磁齿轮即根据本发明所提供的具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮装置所建立的模型。磁齿轮结构参数如表1所示：
表1磁力齿轮主要参数
Figure BDA0003313306040000041
如图3至图6所示，内、外转子永磁体的形状和充磁方式改变后，磁力齿轮内外层气隙的径向磁密幅值增大，其波形更接近于正弦波。从图中看出，磁密不仅有基波分量，还有因调磁环的存在而引起的谐波。具体谐波含量见图7至10。
如图7至图8所示，给出了内层气隙磁通密度的谐波频谱。根据磁场调制理论，极数分别为4、17、25、38、46次等谐波分量为工作谐波。本发明所提供的磁齿轮装置的工作谐波分量比传统型磁力齿轮大，有利于内部气隙中的转矩传递。此外，与传统型相比，本发明所提供的磁齿轮装置的12、20、28、33、36和41次等非工作谐波分量得到明显抑制。这些非工作谐波的减少有利于提高磁力齿轮转矩传递的稳定性。
如图9至图10所示，给出了外层气隙磁通密度的谐波频谱。从图中可以看出，在Spoke结构和Halbach阵列组合的共同作用下，主工作谐波的幅值得到了明显的提高，尤其是第17极对的谐波幅值，有助于增大输出转矩。
静态转矩是判断磁力齿轮性能的重要依据。固定外转子和调磁环，内转子以170r/min的速度旋转，从而得到传统型磁齿轮和本发明所提供的磁齿轮装置的静态扭矩-角曲线如图11所示。从图中可以看出，转矩-角度曲线为正弦曲线，当电角度为90°时，静态转矩达到最大值。内、外转子输出转矩方向相反，并且在任意时刻，内、外转矩之比近似等于磁力齿轮的传动比。
固定调磁环，高速内转子和低速外转子分别以170r/min和40r/min的转速反向旋转，从而得到内、外转子的稳态转矩波形如图12所示。从图12中可以看出，内、外转子输出转矩方向相反，本发明所提供的磁齿轮装置的输出转矩高于传统型磁齿轮。在外转子上，本发明所提供的磁齿轮装置的输出转矩为345.725N·m，传统型的输出转矩为243.851N·m，提高了41.78％。
表2磁齿轮转矩参数
Figure BDA0003313306040000051
Ⅰ：传统型磁齿轮。Ⅱ：本发明所提供的磁齿轮装置。Tmax、Tmin和Tave分别为输出转矩的最大值、最小值和平均值。a：转矩脉动。
表2分别列出了本发明所提供的磁齿轮装置和传统型磁齿轮的转矩和转矩脉动系数。从表Ⅱ可以看出，内转子的转矩脉动系数从3.17％下降到0.62％，这是因为本发明所提供的磁齿轮装置不仅改善了气隙磁场，使气隙磁场更加正弦化，而且抑制了一些高阶非工作谐波，从而减小了转矩脉动。外转子的转矩脉动系数由0.25％提高到0.45％。虽然转矩脉动有所提高，但仍小于5％，输出转矩相对稳定，在可接受范围内。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，在内转子与调磁环之间设有内层气隙（3），在调磁环与外转子之间设有外层气隙（6）；所述外转子包括交错设置的外转子永磁体（7）和外转子轭铁（9），在外转子轭铁（9）的内侧嵌设有额外永磁体（8）。
2.根据权利要求1所述一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：所述外转子轭铁（9）的外侧设有槽（10）。
3.根据权利要求1所述一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：所述内转子包括内转子轭铁（1）以及内转子永磁体（2），内转子永磁体（2）贴附于内转子轭铁（1）的表面，内转子永磁体为凸型-T型交替排列。
4.根据权利要求1所述一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：所述调磁环包括交错排列的非导磁材料（4）及调磁轭铁（5）。
5.根据权利要求1所述一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：所述外转子永磁体（7）为Spoke切向极化结构，其充磁方向为切向充磁；额外永磁体（8）为径向充磁，且与外转子永磁体（7）构成径向-Spoke复合极化磁齿轮结构，从而实现向内聚磁的功能。
6.根据权利要求3所述一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：所述内转子永磁体为Halbach阵列充磁。
7.根据权利要求3所述一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：调磁环的磁场极对数Ns、内转子永磁体2的磁场极对数Pin以及外转子永磁体7的磁场极对数Pout满足如下关系：Ns=Pin+Pout。
8.根据权利要求4所述一种具有凸型Halbach阵列和Spoke结构的磁力齿轮，其特征在于：所述调磁铁轭（5）由硅钢片堆叠制成。
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