CN115765384A - 一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，由外转子总成、内转子总成和调磁装置组成。内转子永磁体采用传统的永磁体排布方式，外转子永磁体采用分段式的单向充磁，并且每个极对永磁体嵌入外转子轭铁中，外转子轭铁端部设计了外伸。调磁装置结构上将传统的硅钢片叠加结构改成整体的柱状结构，调磁装置材料上选用相对磁导率更高的工业纯铁，调磁装置的调磁柱采用侧边1/2周期正弦以及梯形截面的结构，调磁装置采用封闭式和非封闭式两种固定方法。本发明有效地增强了磁力齿轮的转矩密度，使其广泛应用于高转矩的工作环境。

Description

一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮

技术领域

本发明涉及机械工程中的传动技术领域，是一种非接触式连接的磁力齿轮，具体是一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮。它可应用于高转矩和高低速传动的非接触变速系统，并且磁力齿轮的调磁装置具有更高的抗变形能，使磁力齿轮实用环境较传统磁力齿轮有很大提升，能适用于工作温度更高的场合。

背景技术

在工业生产中，机械齿轮是一种传统的机械传动器件，通过轮齿之间相互啮合完成传动，机械齿轮由于传动比固定、适用的速度和负载范围广、寿命长等优点被广泛应用于国防、农业、汽车制造等各种工业领域。但是机械齿轮的正常运行需要相互接触，不可避免存在噪音、维修成本大、老化严重等问题，因此限制了机械齿轮的引用场景，并且给传动系统的安装及维护带了困难。由于新型产业的不断发展，传统机械齿轮的不足愈发明显。随着现代科技的发展和永磁材料性能的提升，许多学者提出了使用磁力齿轮结构代替传统机械齿轮的解决方案。

磁力齿轮是通过磁耦合力相吸相斥达到传动的目的，通过气隙中磁场耦合作用实现力和转矩的无接触传递，与传统的机械齿轮相比，具有无接触式传动、过载保护作用和传动效率高的优点。高性能磁力齿轮引入了调磁极片，内、外转子中的永磁体经过调磁极片的调制作用，在内、外气隙中产生与转子永磁体磁极对数相等的谐波磁场，提高了永磁体的利用率，从而大大增加了磁力齿轮的传动效率。

江苏大学在中国发明专利201710461909.0中公开了一种应用侧边正弦调磁装置的气隙可调式磁力齿轮，在筒式磁力齿轮上应用了调磁块的侧边正弦结构，其调磁块应用的1/2周期的正弦曲线在轴向上是变化的，在气隙调节过程中，1/2周期的正弦曲线起到的调制效果不同。其永磁体端采用传统的充磁方式，并且永磁体端部的漏磁没有设计结构处理，会产生较多的漏磁，这样磁力齿轮提供的转矩密度不够高，并且调磁装置采用的是硅钢片层叠式结构，这种结构在磁力齿轮工作时容易发生变形，这两个方面大大缩小了磁力齿轮的适用范围。

江苏大学在中国发明专利201911052924.5中公开了一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮，在盘式磁力齿轮上应用一种聚磁型调磁装置，其调磁装置分为调制部分和聚磁部分，调制的过程中可以减小永磁体漏磁，提高转矩密度。其结构主要适用于盘式磁力齿轮，大多适用于对同轴度要求不高的场合，并且调磁装置多用铆钉连接，这样磁力齿轮在工作时产生的涡流变大，产生温度较高，加速了永磁体退磁。其调磁装置部分零件较多，磁力齿轮的稳定性会有所降低，多个零件的端部尖角处未做相应处理，没有考虑尖角处的磁饱和效应。

发明内容

本发明为克服目前磁力齿轮应用中的永磁体磁能利用不充分、永磁体端部漏磁、调磁装置结构无法满足实际工作时的应力和温度要求等缺陷，将外转子永磁体嵌入外转子轭铁内部并采用单向充磁的分段式紧密排布；调磁装置部分用完整的调磁柱来代替传统的硅钢片层叠式调磁块，每根调磁柱之间的空气间隙相当于传统调磁装置的环氧树脂部分，调磁柱侧边采用1/2周期正弦曲线，调磁柱的端部采用软磁材料制成的调磁柱端盖或调磁柱压圈两种固定方式，并且调磁柱侧边的棱角、调磁柱压圈和调磁柱端盖的两个端面边缘处都设计了圆角，提出了一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮。

一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，由外转子总成、内转子总成和调磁装置组成。外转子总成包括从动轴、外转子轭铁和外转子永磁体，外转子轭铁与从动轴之间通过键连接，从动轴上设计轴肩进行定位，外转子轭铁内部是掏空结构，内壁设有槽，永磁体采用紧密排布的方式在外转子轭铁内部的槽内贴面安装。内转子总成包括主动轴、内转子轭铁和内转子永磁体，内转子轭铁与主动轴之间通过键连接，主动轴同样设计轴肩进行定位，内转子永磁体采用紧密排布在内转子轭铁表面上贴面安装。调磁装置总成包括调磁柱压圈或调磁柱端盖、调磁柱、调磁柱底座，调磁装置总成安装在外转子总成和内转子总成之间，调磁柱底端与调磁柱底座配合后焊接连接，调磁柱压圈或调磁柱端盖与调磁柱顶端之间通过焊接连接，将整个调磁装置固定。其中调磁柱的数目为n_s，内转子永磁体极对数为P₁，外转子永磁体极对数为P₂，三者满足关系：n_s＝P₁+P₂。

调磁装置中的调磁柱的轴向的软磁材料部分通过集中磁感应线实现对磁场的调制，调磁柱顶端固定的调磁柱压圈换成密封式的软磁材料调磁柱端盖时，集中了永磁体端部产生的磁感线，有效的减弱了内转子永磁体端部的漏磁，整体形成一个聚磁型的调磁装置，达到磁场调制与增强磁力齿轮的转矩密度的目的。调磁柱的侧边为1/2周期正弦曲线，改善调磁效果，与调磁柱底座、调磁柱压圈通过焊接形成整个调磁装置，增强调磁装置的可靠性。

本发明还包括：调磁柱侧边为1/2周期的正弦曲线的表达式为

式中，A为1/2周期正弦曲线的幅值，H_s为调磁极片径向厚度。在加工调磁柱时可以改变函数中的A的值来改变侧边形状来改变调磁柱的聚磁效果。

调磁装置采用非封闭式固定时，调磁装置由调磁柱底座、调磁柱、调磁柱压圈三个部分组成，调磁柱底座与调磁柱之间配合安装，调磁柱压圈一侧开有与调磁柱形状配合的凹槽，然后与调磁柱配合安装。调磁柱材料为DT4工业纯铁或10号钢，调磁柱底座和调磁柱压圈采用不锈钢等强度较高的非导磁材料，连接方式采用焊接。当调磁装置采用封闭式固定时，调磁装置由调磁柱底座、调磁柱、调磁柱端盖三个部分组成，安装方式与非封闭式相同，封闭式安装使用的调磁柱端盖可以减小内转子永磁体端部的漏磁，实现轴向聚磁效果，其调磁柱端盖和调磁柱材料为DT4工业纯铁或10号钢材料，制造方法上采用3D打印技术或者浇铸方法制造。外转子永磁体采用嵌入分段式紧密排布，一个极对采用三块永磁体，充磁方向上采用单向充磁，这种充磁可以很好的抑制了外转子相邻的永磁体之间构成磁回路，从而消除了外转子永磁体之间的磁通，提高了磁力齿轮的有效磁通，增强了磁力齿轮工作气隙的磁场强度。

本发明的优点：本发明的调磁装置具有调磁和聚磁两个部分，结合永磁体的嵌入式安装和单向充磁的排布方式，同时实现调磁与端部聚磁的作用。调磁部分做成整体的柱状来代替传统的硅钢片层叠式，有效的提高了调磁柱装置自身的结构强度，调磁柱侧边的棱角、调磁柱压圈和调磁柱端盖的两个端面边缘处都做了倒圆角处理，大大减小了磁力齿轮工作时尖角处产生的磁饱和现象。外转子永磁体嵌入式排布，采用单向充磁，可以减小永磁体端部漏磁，有效的减少了外转子上相邻两个极对的永磁体之间发生自感回路。调磁装置采用非封闭式固定时，使磁力齿轮在高转矩的工作环境下不会发生调磁柱手里过大发生形变，提高了调磁柱的稳定性，同时调磁装置上产生的涡流较少，保证了调磁装置的寿命。调磁装置采用封闭式固定时，在保证调磁柱稳定性的同时减小了内转子永磁体的端部漏磁，有效的提高了永磁体的利用率，使磁力齿轮适用于转矩要求更高的场合。

附图说明

以下结合附图及实施例对发明作进一步说明

图1为一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮的总成示意图。

图2为实施例内外转永磁体的充磁方向以及安装位置二维示意图。

图3为实施例调磁装置采用非封闭式固定时总体三维结构的1/4剖面爆炸视图。

图4为实施例调磁装置采用非封闭式固定时三维结构图。

图5为实施例采用调磁装置采用封闭式固定时总体三维结构的1/4剖面爆炸视图。

图6为实施例采用调磁装置采用非封闭式固定时三维结构图。

图7为实施例调磁装置的调磁柱三维结构图。

图8为实施例调磁装置的调磁柱底座三维结构图。

图9为实施例外转子轭铁内开槽三维结构示意图。

图10(a)为实施例调磁柱截面二维示意图。

图10(b)为实施例调磁柱截面等效在坐标系中的示意图。

图10(c)为实施例调磁柱侧边等效函数曲线图。

调磁装置的调磁柱采用非封闭式固定时：1—从动轴2—外转子轭铁3—外转子永磁体4—调磁柱压圈5—调磁柱6—调磁柱底座7—内转子永磁体8—内转子轭铁9—主动轴11—外转子轭铁槽。

调磁装置的调磁柱采用封闭式固定时：1—从动轴2—外转子轭铁3—外转子永磁体5—调磁柱6—调磁柱底座7—内转子永磁体8—内转子轭铁9—主动轴10—调磁柱端盖11—外转子轭铁槽。

具体实施方式

如图1所示，一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，由外转子总成III、内转子总成I和调磁装置总成II组成。

外转子总成包括从动轴1、外转子轭铁3和外转子永磁体4，外转子轭铁3与从动轴之间通过键2连接，从动轴1上设计轴肩进行定位，外转子轭铁3内部是掏空结构，内壁设有槽11，永磁体采用紧密排布在轭铁内部的槽内贴面安装，一个槽内有三块永磁体，它们之间的间隙为零。内转子总成包括主动轴9、内转子轭铁8和内转子永磁体7，内转子轭铁8与主动轴9之间通过键连接，主动轴9同样设计轴肩进行定位，内转子永磁体7采用紧密排布在内转子轭铁侧面上贴面安装。

调磁装置采用调磁柱压圈5非封闭式固定时，即调磁装置无聚磁作用，调磁装置总成包括调磁柱压圈5、调磁柱6、调磁柱底座7，调磁柱6与调磁柱底座7之间通过焊接连接，调磁柱压圈5上开有与调磁柱6厚度相同的槽，调磁柱压圈5与调磁柱6配合后通过焊接连接。工作时，内转子总成中的主动轴9转动，带动内转子轭铁8转动，内转子永磁体7产生磁场，利用调磁柱5磁导率较高的性能，调制内转子永磁体产生的磁场，调制好的磁场具有的谐波与外转子轭铁2上的外转子永磁体3产生的磁场相互作用，带动外转子轭铁转动从而带动外转子总成中的从动轴转动。

调磁装置采用调磁柱端盖10封闭式固定时，调磁装置总成包括调磁柱6、调磁柱底座7、调磁柱端盖10，调磁柱6与调磁柱底座7之间通过焊接连接，调磁柱端盖10上开有与调磁柱6厚度相同的槽，调磁柱端盖10与调磁柱6配合后通过焊接连接。工作时，内转子总成中的主动轴9转动，带动内转子轭铁7转动，内转子永磁体8产生磁场，利用调磁柱6磁导率较高的性能，调制内转子总成I产生的磁场，调制好的磁场具有的谐波与外转子轭铁2上的外转子永磁体3产生的磁场相互作用，带动外转子轭铁3转动从而带动外转子总成III中的从动轴1转动，同时调磁柱端盖10的材料为DT4工业纯铁，具有较高的磁导率，遏制了内转子永磁体8端部的磁漏，增强了内转子总成I与外转子总成III之间的磁场密度。

调磁装置中的调磁柱5侧边采用1/2周期的正弦曲线结构，这种结构有效的提高了调磁装置对磁场的调制效果。材料上调磁柱5采用DT4工业纯铁材料整体制造而成，在磁力齿轮工作时可以克服较大的径向力，从而不易产生变形，进一步增强了调磁装置的强度和刚度，调磁柱端盖10和调磁柱压圈4与调磁柱6材料相同，减小漏磁的同时也提高了调磁柱的稳定性，调磁柱底座6采用不锈钢等非导磁材料浇铸成型加工，调磁柱底座6上开有螺钉孔，便于调磁装置的固定。

外转子轭铁2内部掏空并设有槽，永磁体三块为一个整体贴在槽内部，永磁体充磁方式如图2所示，采用这种单向充磁方式可以减小外转子永磁体之间的磁通，并且这种嵌入式槽的设计有效减小了外转子永磁体3的端部漏磁，提高了永磁体利用率。

Claims (5)

1.一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，由外转子总成、内转子总成和调磁装置组成；外转子总成包括从动轴、外转子轭铁和外转子永磁体，外转子轭铁与从动轴之间通过键连接，从动轴上设计轴肩进行定位；内转子总成包括主动轴、内转子轭铁和内转子永磁体，内转子轭铁与主动轴之间通过键连接，主动轴同样设计轴肩进行定位，内转子永磁体采用紧密排布在内转子轭铁表面上贴面安装；其特征在于，外转子轭铁内部是掏空结构，内壁设有槽，永磁体采用紧密排布的方式在外转子轭铁内部的槽内贴面安装，一个槽内有三块永磁体，它们之间的间隙为零，充磁方向上采用单向充磁；调磁装置总成包括调磁柱压圈或调磁柱端盖、调磁柱、调磁柱底座，调磁装置总成安装在外转子总成和内转子总成之间，调磁柱底端与调磁柱底座配合后焊接连接，调磁柱压圈或调磁柱端盖与调磁柱顶端之间通过焊接连接，将整个调磁装置固定；其中调磁柱的数目为n_s，内转子永磁体极对数为P₁，外转子永磁体极对数为P₂，三者满足关系：n_s＝P₁+P₂。

2.如权利要求1所述的一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，其特征在于：调磁柱的侧边为1/2周期正弦曲线，改善调磁效果，与调磁柱底座、调磁柱压圈通过焊接形成整个调磁装置，增强调磁装置的可靠性；调磁柱侧边为1/2周期的正弦曲线的表达式为

式中，A为1/2周期正弦曲线的幅值，H_s为调磁极片径向厚度，在加工调磁柱时可以改变函数中的A的值来改变侧边形状来改变调磁柱的聚磁效果。

3.如权利要求1所述的一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，其特征在于：调磁装置采用非封闭式固定时，调磁装置由调磁柱底座、调磁柱、调磁柱压圈三个部分组成，调磁柱底座与调磁柱之间配合安装，调磁柱压圈一侧开有与调磁柱形状配合的凹槽，然后与调磁柱配合安装；调磁柱材料为DT4工业纯铁或10号钢，调磁柱底座和调磁柱压圈采用包括不锈钢在内的强度较高的非导磁材料，连接方式采用焊接。

4.如权利要求1所述的一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，其特征在于：当调磁装置采用封闭式固定时，调磁装置由调磁柱底座、调磁柱、调磁柱端盖三个部分组成，安装方式与非封闭式相同，封闭式安装使用的调磁柱端盖可以减小内转子永磁体端部的漏磁，实现轴向聚磁效果，其调磁柱端盖和调磁柱材料为DT4工业纯铁或10号钢材料，制造方法上采用3D打印技术或者浇铸方法制造。

5.如权利要求1所述的一种永磁体嵌入式的聚磁型调磁装置的同轴式磁力齿轮，其特征在于：调磁柱侧边的棱角、调磁柱压圈和调磁柱端盖的两个端面边缘处都做了倒圆角处理，减小了磁力齿轮工作时尖角处产生的磁饱和现象。

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