CN114337018B - 一种调磁环转子、磁性齿轮及磁场调制电机 - Google Patents

Abstract

一种调磁环转子、磁性齿轮及磁场调制电机，它涉及一种调磁环转子、磁性齿轮及磁场调制电机。本发明为了解决现有磁场调制电机调磁环结构强度上的不足和空间尺寸上的占用浪费，进而造成转矩输出能力下降的技术问题。本发明的调磁环转子：多个调磁环冲片沿其轴线方向上叠压，叠压的调磁环冲片左右两端各安装有一个冲片绝缘垫片，左端环和右端环安装在冲片绝缘垫片的外侧，双头螺杆穿设在左端环、两个冲片绝缘垫片、多个调磁环冲片和右端环上，双头螺杆的两端分别通过一个螺母绝缘垫片锁紧，绝缘套筒安装在调磁环冲片和双头螺杆之间。磁性齿轮：调磁环转子安装在外转子和内转子之间形成的气隙之间。本发明用于驱动环境中。

Description

一种调磁环转子、磁性齿轮及磁场调制电机

技术领域

本发明涉及一种调磁环转子、磁性齿轮及磁场调制电机，属于电机技术领域。

背景技术

在工业传动领域，尤其是低速应用工况，对电机转矩密度要求越来越高，具有自减速高转矩输出特性的磁场调制电机应运而生，应用前景广阔。

磁场调制电机由永磁电机与磁场调制齿轮在电机壳体内复合组成，分别由电机定子、外转子、调磁环转子、永磁转子等组成，其中调磁环转子作为磁场调制电机的功率输出部分，要求其具有磁场调制功能，要求调磁环转子具备导磁和非导磁圆周间隔结构，此外还需承担转矩转速输出，即要求调磁环转子具有一定的强度和刚度，因而呈圆环导磁和非导磁间隔结构的调磁环转子其实现最为困难和复杂。

现有的技术中大致可分为两类：

一类为调磁环转子由软磁材料构成调磁块和非导磁材料如环氧树脂等间隔构成，各调磁块相互独立无机械连接，通过环氧树脂等非导磁材料粘合固化，但是该结构在强度上极弱，一般适用于原理验证；

另一类为采用调磁环支撑架和调磁环嵌合，在该类结构中，虽然能够实现调磁环功能，但是调磁环支撑架占用内外转子气隙空间，而转矩受空间与空间磁场强度成正比，因而采用调磁环支撑架与调磁环嵌合的结构在很大程度上降低了磁场调制电机的转矩输出能力。

因此，现有磁场调制电机调磁环结构强度上的不足和空间尺寸上的占用浪费，进而造成转矩输出能力下降的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有磁场调制电机调磁环结构强度上的不足和空间尺寸上的占用浪费，进而造成转矩输出能力下降的技术问题。基于此背景，本发明旨在设计出一种调磁环转子、磁性齿轮及磁场调制电机，具有结构强度和磁场调制功能的调磁环转子，解决上述存在的问题。

本发明的技术方案是：包括左端环21、两个冲片绝缘垫片22、多个调磁环冲片23、绝缘套筒24、双头螺杆25、右端环26以及螺母绝缘垫片27；多个调磁环冲片23沿其轴线方向上叠压，叠压的调磁环冲片23左右两端各安装有一个冲片绝缘垫片22，左端环21和右端环26安装在冲片绝缘垫片22的外侧，双头螺杆25穿设在左端环21、两个冲片绝缘垫片22、多个调磁环冲片23和右端环26上，双头螺杆25的两端分别通过一个螺母绝缘垫片27锁紧，绝缘套筒24安装在调磁环冲片23和双头螺杆25之间。

进一步地，双头螺杆25采用无磁不锈钢材质制成。

进一步地，绝缘套筒24阻断双头螺杆与调磁环冲片之间的电气连接，形成绝缘结构。

进一步地，调磁环冲片23沿其圆周方向上均布P₂个调磁齿231，所有调磁齿231均由导磁材料组成，相邻两个调磁齿231上部之间的间隙为调磁齿间232，所述调磁齿间232为非导磁。

进一步地，相邻两个调磁齿231下部之间设有调磁齿机械连接桥233。

进一步地，调磁齿231为梯形结构，调磁齿间232为与调磁齿231互补的梯形结构，其中，调磁齿231的顶宽为TW1，调磁齿231的底宽为TW2，调磁齿231的间宽为TW3，TW1/TW2＝0.55～0.65，TW1/TW2＝0.35～0.45。

进一步地，调磁齿间232上设有圆形孔，所述圆形孔的孔径为d，调磁齿机械连接桥233的高度为h，h/d＝0.07～0.08。

进一步地，调磁环冲片23为圆周整体结构，由导磁硅钢片一体成型。

本发明还提供了一种磁性齿轮，它包括外转子100、内转子300以及调磁环转子200，调磁环转子200安装在外转子100和内转子300之间形成的气隙之间；其中，外转子100和内转子300均由N、S交替布置的永磁体组成，其中外转子100极对数为P₁，内转子300的极对数为P₃，要求P₁₊P_3＝P₂。

本发明还提供了一种磁场调制电机，它包括磁性齿轮，外转子100固定在电机定子上，内转子300即为常规电机转子，调磁环转子200位于气隙内部。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明提出了一种不占用内外转子气隙的调磁环转子结构，该调磁环转子结构通过双头螺栓拉紧满足强度要求，且符合导磁和非导磁间隔布置的磁场调制要求。

2、本发明的调磁环转子结构实现简单，无需设计复杂的调磁环转子支撑架，易于生产加工。

3、本发明的调磁环转子调磁齿进行梯形设计，气隙磁场无用谐波得到抑制。

4、本发明采用该调磁环转子结构复合而成的磁性齿轮和磁场调制电机，因气隙空间利用充分无浪费，气隙磁场强度得到极大提升，磁性齿轮和磁场调制电机性能得到提升。

附图说明

图1为调磁环转子结构示意图；图2为图1中A处断面结结构示意图；图3为图2中局部放大图；图4为一种磁性齿轮；图5为一种磁场调制电机。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明通过以下技术方案实现的：

具体实施方式一：为更清晰的表述，调磁环转子200如图1所示，其中左端环21、冲片绝缘垫片22(左右对称布置)、调磁环冲片23、绝缘套筒24、双头螺杆25、右端环26以及螺母绝缘垫片27(左右对称布置)。

调磁环冲片23，在圆周上均布调磁齿，调磁之间有圆形孔，在左右端环上有紧固用孔，在轴向上叠压按需数量调磁环冲片，并在左右各装配冲片绝缘垫片22，绝缘垫片选用双马来酰亚胺玻纤布层压板或相似绝缘材料，通过双头螺杆25拉紧左右端盖压紧调磁环，拉紧后由螺母紧固，在双头螺杆与调磁环冲片之间增加绝缘套筒24，在左右端环与螺母之间增加螺母绝缘垫片27。

双头螺杆采用无磁不锈钢材质，避免其破坏调磁环冲片的磁场调制特性。绝缘套筒24阻断双头螺杆与调磁环冲片之间的电气连接，形成绝缘结构，螺母绝缘垫片27阻断双头螺杆与左右端环的电气连接，形成绝缘结构，从而调磁环转子200起到拉紧和增加强度左右的双头螺杆和螺母在电气上相互独立，双头螺杆在气隙磁场内产生的感应电势不会形成环流，对磁场调制作用产生干扰。

调磁环转子位于外转子100和内转子300形成的气隙内，其空间尺寸受限，双头螺杆布置在调磁齿之间，不会增加调磁环转子200内径和外径占用空间，进而能够很大程度上避免现有技术的调磁环支撑架在气隙内空间的占用，从而转矩输出能力得到提高。

调磁环冲片23中，均布P₂个调磁齿231，理想情况下要求各调磁齿圆周间隔分布，调磁齿相互独立，调磁齿由导磁材料组成，调磁齿间232为非导磁。显而易见，调磁齿相互独立不具备机械连接在结构上不具备可实施性，因而增加调磁齿机械连接桥233，此时调磁环冲片为圆周整体结构，可由导磁硅钢片一体成型，出于调磁性能考虑，机械连接桥233越薄越好利用磁饱和特性使其磁导率降低。

调磁环冲片23在设计较为多变，现有技术中以矩形调磁常见，本专利中出于调磁性能和机械强度考虑，调磁齿设计为梯形结构，调磁齿间232为互补的梯形结构，其中调磁齿顶宽TW1，调磁齿底宽TW2，调磁齿间宽TW3，TW1/TW2＝0.55～0.65，TW1/TW2＝0.35～0.45磁场调制性能较好，磁场调制无用谐波含量较少。

在调磁齿间232设计时，考虑配合绝缘套筒24和双头螺杆25，设计配合圆形孔，孔径为d，机械连接桥233高度为h，考虑强度和调磁特性，一般可取h/d＝0.07～0.08。

具体实施方式二：本发明提出一种磁性齿轮，其中100为外转子、300为内转子，200为调磁环转子即上述组成，调磁环转子位于内外转子形成气隙之间，如图4所示，内外转子均由N、S交替布置的永磁体组成，其中外转子极对数为P₁,内转子极对数为P₃,要求P₁₊P_3＝P₂。作为磁性齿轮应用时，外转子、内转子、调磁环转子可任意固定一个形成双端机械输出齿轮，也可三个旋转部件同时旋转，形成三端机械输出。

具体实施方式三：本发明进一步提出一种磁场调制电机，其中磁性齿轮由上述组成，此时图5所示，100外转子固定在电机定子上，300内转子即为常规电机转子，200调磁环转子位于气隙内部，极数配比满足磁齿轮约束要求。在运行时，内转子高速旋转，调磁环转子在磁场调制作用下减速输出转矩，可根据需要磁场调制电机只输出调磁环转子转矩转速，此时磁场调制电机单轴输出，内转子在电机内部空转，也可同时输出内转子机械性能，此时电机两根相互独立的旋转轴输出。

结合图1至图5说明本发明的工作原理：

调磁环冲片23由导磁硅钢片冲制或线切割而成，调磁环冲片上均布P₂个调磁齿和安装双头螺杆用安装孔，在加工叠片时硅钢片内径外径预留2～5mm加工余量，待叠压后再加工至指定尺寸，一方面有利于叠压后冲片整齐度，另一方面防止由于调磁环冲片机械连接桥233高度较薄导致的叠压前冲片变形。

加工冲片绝缘垫片22，其外形尺寸与冲片23一致，材质为双马来酰亚胺玻纤布层压板或相似绝缘材料。

加工螺母绝缘垫片27，垫片内孔能够穿过双头螺杆25，外径小于左右端盖沉孔。

加工左端环21、右端环26，端环上开有P₂个均布的通孔，出于利用空间考虑，通孔为沉孔，双头螺杆紧固螺母旋紧固定在沉孔内。

利用压紧成型工装叠压调磁环冲片23，在左右两侧各安装相同形状的冲片绝缘垫片，再叠压过程中需保证各冲片严格对其，否则将导致无法安装双头螺杆，导致后续工序无法进行。

叠压调磁环冲片和冲片绝缘垫片后，安装左右端环，均布的安装孔与冲片一一对应，在安装孔内先安装由绝缘套筒，再从绝缘套筒内穿过双头螺杆，安装孔、绝缘套筒、双头螺杆之间均为小间隙配合。

穿完双头螺杆后，现在左右端盖沉孔内放入螺母绝缘垫片，后旋紧左右螺母拉紧调磁环转子。双头螺杆、冲片、左端环以及右端环由绝缘材料阻隔，不构成电气通路，拉紧后进行绝缘电阻测试，合格后加工内外圆至指定尺寸。

调磁环转子组装完成。

由该调磁环转子组成磁性齿轮，如图4，从内向外分别为外转子100、调磁环转子200以及内转子300，三个部件形成双层气隙，磁性齿轮外转子由极对数为P₁的永磁体和铁心轭部组成，磁性齿轮内转子由极对数为P₃的永磁体和铁心轭部组成，要求P₁₊P_3＝P₂。其中，永磁体NS交替分布于铁心轭，安装方式常见为表贴或内置，不在本发明保护范围内。

由上述磁性齿轮可组成磁场调制电机，此时外转子由极对数为P₁永磁体直接固定于常规电机定子铁心内径上，N、S交替分布，常规电机转子作为内转子。电机轴可通过机械固定于调磁环转子完成轴功率输出。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种调磁环转子，其特征在于：它包括左端环(21)、两个冲片绝缘垫片(22)、多个调磁环冲片(23)、绝缘套筒(24)、双头螺杆(25)、右端环(26)以及螺母绝缘垫片(27)；

多个调磁环冲片(23)沿其轴线方向上叠压，叠压的调磁环冲片(23)左右两端各安装有一个冲片绝缘垫片(22)，左端环(21)和右端环(26)安装在冲片绝缘垫片(22)的外侧，双头螺杆(25)穿设在左端环(21)、两个冲片绝缘垫片(22)、多个调磁环冲片(23)和右端环(26)上，调磁环冲片(23)沿其圆周方向上设有多个间隔设置的调磁齿(231)，调磁环冲片(23)沿其圆周方向上均布P 2个调磁齿(231)，所有调磁齿(231)均由导磁材料组成，相邻两个调磁齿(231)上部之间的间隙为调磁齿间(232)，所述调磁齿间(232)为非导磁，调磁齿(231)为梯形结构，调磁齿间(232)为与调磁齿(231)互补的梯形结构，调磁齿间(232)内侧的调磁环冲片(23)上形成有圆形孔，圆形孔靠近调磁环冲片(23)内壁的侧壁与调磁环冲片(23)的内壁形成调磁齿机械连接桥(233)，双头螺杆(25)的两端分别通过一个螺母绝缘垫片(27)锁紧，绝缘套筒(24)安装在调磁环冲片(23)和双头螺杆(25)之间，且圆形孔沿调磁环冲片(23)的径向与两个调磁齿(231)的间隙相通，圆形孔内设有绝缘套筒(24)，双头螺杆(25)的两端穿过绝缘套筒(24)设置。

2.根据权利要求1所述的一种调磁环转子，其特征在于：双头螺杆(25)采用无磁不锈钢材质制成。

3.根据权利要求2所述的一种调磁环转子，其特征在于：绝缘套筒(24)阻断双头螺杆与调磁环冲片之间的电气连接，形成绝缘结构。

4.根据权利要求1所述的一种调磁环转子，其特征在于：调磁齿(231)的顶宽为TW1，调磁齿(231)的底宽为TW2，TW1/TW2＝0.55～0.65。

5.根据权利要求4所述的一种调磁环转子，其特征在于：所述圆形孔的孔径为d，调磁齿机械连接桥(233)的高度为h，h/d＝0.07～0.08。

6.根据权利要求1所述的一种调磁环转子，其特征在于：调磁环冲片(23)为圆周整体结构，由导磁硅钢片一体成型。

7.一种使用权利要求1至6中任意一项权利要求所述的调磁环转子的磁性齿轮，其特征在于：它包括外转子(100)、内转子(300)以及调磁环转子(200)，调磁环转子(200)安装在外转子(100)和内转子(300)之间形成的气隙之间；其中，外转子(100)和内转子(300)均由N、S交替布置的永磁体组成，其中外转子(100)极对数为P1，内转子(300)的极对数为P 3，要求P1+P 3＝P 2。

8.一种使用权利要求7所述的磁性齿轮的磁场调制电机，其特征在于：它包括磁性齿轮，外转子(100)固定在电机定子上，内转子(300)即为常规电机转子，调磁环转子(200)位于气隙内部。

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