CN116997736A - 磁通调制型磁齿轮 - Google Patents

Abstract

一种磁通调制型磁齿轮，具备：少极机构(10)，具有多个磁极；多极机构(30)，具有比所述少极机构多的磁极；以及极靴(20)，设置于所述少极机构与所述多极机构之间，其中，在所述多极机构的磁极设置有永磁体(32)和励磁线圈(33)。

Description

磁通调制型磁齿轮

技术领域

本申请涉及磁通调制型磁齿轮。

背景技术

一般的磁齿轮为将机械式齿轮的齿简单地替换为永磁体而成的结构。因此，磁齿轮能够以非接触方式增速减速，振动及噪声小，有望提高维护性。然而，在利用永磁体的转矩传递中，由于仅有相互对置的磁体彼此对转矩传递有贡献，因此与机械式齿轮相比转矩较小。对此，为了增大转矩，采用如下磁通调制型磁齿轮：构成以相邻永磁体的极性交替反向的方式配置的多极机构与少极机构、以及在多极机构与少极机构相向的磁隙之间沿周向等间隔配置的被称为极靴(pole piece)的多个磁极片，由此使在构造中贡献于转矩传递的磁通量增加。

磁通调制型磁齿轮能够提高传递转矩，但另一方面，产生因经由磁隙部经过构造内的磁通量大而引起的涡流损耗及磁滞损耗，导致发热及效率恶化。尤其是由于在配置于磁隙部附近的永磁体有许多磁通经过，并且磁通在时间上波动大，因此容易产生涡流损耗，成为效率恶化的主要原因。于是在专利文献1中，为了降低在磁体内部产生的涡流并高效地传递转矩，提出了如下构造：将构成少极机构及多极机构的永磁体嵌入到磁性材料内部，从而使永磁体远离磁隙部附近的磁通波动，并且使永磁体为分割构造，由此降低作为效率恶化之主要原因的涡流损耗。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2012/114368号公报

发明内容

发明所要解决的技术课题

然而，当将永磁体嵌入到磁性材料时，永磁体远离磁隙部，因此贡献于转矩传递的有效磁通量下降。另外，由于永磁体的分割而在构造内部产生空隙，因此存在磁通的绝对量趋于下降的技术课题。还存在如下技术课题：虽然当将永磁体嵌入到磁性材料时涡流损耗降低，但由于涡流损耗与磁通波动的频率的平方成比例，因此当磁齿轮高速旋转时效率恶化，这一特性在专利文献1中也未改变。

尤其是，在将磁通调制型磁齿轮作为在多种速度条件及转矩条件下被要求高效率特性的车辆的驱动系统中的磁通调制型磁齿轮来使用的情况下，由于还设想10000r/min以上的高速旋转的条件，因此存在引起驱动系统整体的效率下降而难以应用的问题。

本申请是为了解决上述那样的技术课题而做出的。目的是提供在多种速度条件及转矩条件下确保所需的传递转矩的同时实现损耗小的驱动状态且效率高的磁通调制型磁齿轮。

用于解决技术课题的技术方案

本申请的磁通调制型磁齿轮具备：少极机构，具有多个磁极；多极机构，具有比所述少极机构多的磁极；以及极靴，设置于所述少极机构与所述多极机构之间，其中，在所述多极机构的磁极设置有永磁体和励磁线圈。

发明效果

根据本申请，能够提供高效的磁通调制型磁齿轮，其中因为在磁通调制型磁齿轮的多极机构的磁极设置了永磁体和励磁线圈，所以在确保所需的传递转矩的同时在多种速度条件及转矩条件下实现损耗小的驱动状态。

附图说明

图1为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的剖视图。

图2为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的立体图。

图3为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的剖视图。

图4为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的截面放大图。

图5A为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的转速和转矩特性的图。

图5B为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的转速和转矩特性的图。

图6为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的损耗的图。

图7为示出实施方式2的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的截面放大图。

图8为示出实施方式3的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的截面放大图。

图9为示出实施方式3的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的截面放大图。

图10为示出实施方式4的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的截面放大图。

图11为示出实施方式4的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的截面放大图。

附图标记

1：输入轴；2：输出轴；3：框架；10：少极机构；11：第一转子；12：永磁体；20：极靴；21：第二转子；30：多极机构；31：定子；32：永磁体；33：励磁线圈；331：齿部；41、42、43、44：轴承；5：直流电源；51：开关。

具体实施方式

实施方式1

图1中示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的剖视图。输入轴1被连接固定于少极机构10，输出轴2被连接固定于极靴20，对输入轴的旋转力以既定传动比进行减速并使转矩增加而输出至输出轴2。少极机构10和极靴20分别对应于第一转子11、第二转子21。另外，多极机构30构成与固定于外部的框架3连接的定子31。连接于输入轴1的少极机构10及连接于输出轴的极靴20以经由轴承41、42、43、44而旋转自如的方式被容纳于框架3中。另外，输入轴1、输出轴2、少极机构10及极靴20具有与多极机构30同心的旋转中心C。

图2为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的磁极构造的立体图。是切除构成少极机构10、极靴20及多极机构30的磁极的部分而得到的图。多极机构30具有32个永磁体32和用于产生励磁磁通的励磁线圈33，所有励磁线圈33经由开关51与直流电源5连接。开关51被设置为在磁通调制型磁齿轮的工作过程中可通断，能够在励磁线圈33通电与不通电之间进行切换。另外，少极机构10具有16个永磁体12，极靴20是在少极机构10与多极机构30之间由24个磁极片构成的。即，本实施方式的磁齿轮的传动比为24/(16/2)＝3，将输入轴1的旋转力减速至1/3倍，并且使转矩增加至3倍而输出至输出轴2。

图3为实施方式1的磁通调制型磁齿轮的横剖视图。图3示出了图1的截面P-P。多极机构30具有向着磁隙面突出的齿部331，永磁体32嵌入于在齿部331的磁隙面侧的顶端部分设置的磁体插入孔部，如图3的箭头所示，配置于各齿部331的永磁体32被交替磁化为与周向上相邻的齿部331相反方向的磁极。在各齿部分别卷绕有线圈而构成励磁线圈33，对各励磁线圈33的线圈线连接有直流电源5，以使得在通电时与齿部331的永磁体32的磁化方向一致。关于少极机构10的永磁体12，也是与多极机构30同样地，如图3的箭头所示，被交替磁化为与周向上相邻的磁极相反的方向。

图4为实施方式1的磁通调制型磁齿轮的横剖视图的放大图。当设多极机构30的永磁体32在磁化方向上(在本实施方式中为径向)的厚度为L1、设少极机构10的永磁体12在磁化方向上的厚度为L2时，通过设为L1＜L2的关系，能够降低在永磁体12及32产生的磁体涡流损耗。

图5A及图5B为示出实施方式1的磁通调制型磁齿轮的转速与转矩的特性的图。在此转速和转矩都表示输入至输入轴1的旋转力。图5A中示出产生相同的最大传递转矩的以往构造的特性，图5B中示出本申请的特性。以往构造为不存在本申请中使用的励磁线圈33的状态，为与将本申请的励磁线圈33的直流电源5的开关51断开的状态等同的条件。在图5A及图5B中，将磁齿轮效率低的区域到高的区域分成4份，从效率低者起，表示为效率低L、效率中低Lm、效率中高Hm、效率高H。另外，在效率高H的区域中，用等高线示出效率高的区域。图中虚线箭头方向表示效率高。

可知在示出以往构造的特性的图5A中，效率高H的工作区域限于低速且高转矩区域，与此相对，在示出本申请通电时的图5B中，效率高H的工作区域移动至低到中转矩区域，高速区域的效率也得到改善。以往构造与本申请中不通电时的状态相同，因此仅在需要大转矩的限制性驱动条件时进行由直流电源5向各励磁线圈33的通电，在其它小到中转矩下的通常驱动条件时设为不通电，从而能够从转速低的区域到高的区域高效地进行使用。

另外，因为在需要大转矩的条件下能够在图5B所示通电时的状态下使用，所以在不通电时的通常驱动条件时，能够采用如得到产生所需最低限度的传递转矩(图5B的单点划线所示的水平A)的磁通量那样的、永磁体量少于以往构造的结构。由此，能够降低以永磁体中的涡流损耗为首的因磁通引起的损耗，能够提高高速旋转时的效率。

此外，在通电时在励磁线圈33的线圈部产生铜损，因此可见，相比于以往构造，高转矩区域的效率趋于下降，但由于利用通电的驱动条件是有限的，在车辆的驱动系统中是低到中转矩区域的运行条件占主导，因此通电时的铜损不会成为大问题。

图6为示出关于实施方式1的磁通调制型磁齿轮在某固定转速和转矩条件下效率提高效果的图。这是对考虑到铁损和磁体涡流损耗的解析结果进行比较而得到的图，其中铁损和磁体涡流损耗在磁通调制型磁齿轮中是占主导的效率恶化因素，铁损是在磁性材料部产生的涡流损耗与磁滞损耗之和，磁体涡流损耗是在永磁体部产生的涡流损耗。仅看铁损，能够确认约50％的损耗降低效果，当包含铁损和磁体涡流损耗在内时，能够确认约40％的损耗降低效果。这表明通过在铁损及磁体涡流损耗因高频分量经过而容易增大的多极机构30构成齿部331并配置励磁线圈33，能够削减与励磁线圈33的轴向截面积等量以上的铁面积，铁损降低。另外还表明，与产生相同的最大传递转矩的以往构造相比使用较小的永磁体，因此磁体涡流损耗降低。

此外，为了使效率更加提高，优选的是使多极机构30的永磁体32的磁化方向厚度变小、使齿部331的芯部变宽的构造。通常，如也在专利文献1中所示，多极机构30的磁体涡流损耗大于少极机构10，成为效率恶化的主要因素，因此通过如图4所示采用比少极机构10的永磁体12薄的L1＜L2的结构，可以提高降低磁体涡流损耗的效果。

另外，由于以往构造的磁通调制型磁齿轮需要大量永磁体，因此担心制造成本会高涨，但通过使在少极机构10与多极机构30中使用的永磁体为共用的，可以实现成本降低。例如，采用将少极机构10的永磁体12对每1个磁极在磁化方向及磁化正交方向上分割为2个以上的结构，在多极机构的齿部331设置可插入分割磁体的尺寸的磁体插入孔，用个数比少极机构10的1个磁极少的永磁体构成多极机构30的1个磁极，从而能够降低制造成本。

进而，通过对在顶端部具备永磁体32的齿部331设置直流通电的励磁线圈33，从而形成在磁路中串联配置有磁动势源的构造，并且励磁线圈33被卷绕的位置与永磁体32被配置的位置一致，因此多极机构30的永磁体32的磁化因励磁线圈33的直流通电而被增强。据此，可以得到在使永磁体32在磁化方向上的厚度变小的同时提高抗退磁性的协同效果。

另外，通过将具有励磁线圈33的多极机构30配置为如图3所示在外径侧的被旋转固定的定子31，从而使冷却机构的结构精简，此外与在位于内径侧的第一转子11配置励磁线圈的情况相比，能够扩大齿部之间的槽的面积，能够卷绕更多的励磁线圈33，可以得到通电时提高转矩的效果和降低发热量的效果。另外，在定子31上易于构成直流通电的线圈的接线，在制造上是有利的。

另外，本申请不同于电动机，不具有在驱动时始终进行交流通电的电枢，因此齿部之间的槽能够全部用作直流通电的励磁线圈33的空间。进而，直流通电用于暂时性增强多极机构30的永磁体32的磁化，与驱动电动机所需的功率相比小得多，与电动机相比能够将发热量抑制得较低。

此外，虽然在实施方式1中示出了永磁体32嵌入于在多极机构30中的齿部331设置的磁体插入孔部的例子，但在采用永磁体32粘贴于齿部331的磁隙侧的顶端部的结构的情况下，也得到同样效果。

实施方式2

图7为实施方式2的磁通调制型磁齿轮的横剖视图的放大图。配置有永磁体32的齿部331与卷绕有励磁线圈的齿部331不同，并且配置于齿部331的永磁体32的极性为相同方向，对励磁线圈33通电以得到与永磁体32相反方向的极性。其它结构与实施方式1相同。

当关注多极机构30时，可知本结构是使S极为永磁体32而使N极为铁芯的顺式马达(consequent type motor)的定子构造。根据本结构能够实现扩大齿之间的槽面积以及扩大多极机构的永磁体的尺寸，能够提高设计自由度。

此外，虽然在实施方式2中示出了永磁体32嵌入于在多极机构30中的齿部331设置的磁体插入孔部的例子，但在采用永磁体32粘贴于齿部331的磁隙侧的顶端部的结构的情况下，也得到同样效果。

实施方式3

图8为实施方式3的磁通调制型磁齿轮的横剖视图的放大图。多极机构30的各磁极包括3根齿部331，永磁体32配置于其中中间的1根，在两邻相邻的2根分别卷绕有励磁线圈33。通过对构成1个磁极的2个励磁线圈33进行直流通电，磁动势以在中间的齿部331配置的永磁体32的磁化为基准而被增强。

即，配置有永磁体32的齿部331与卷绕有励磁线圈33的齿部331不同。另外，配置有永磁体32的齿部的永磁体32的极性按每个齿部反转，设置有励磁线圈33的所述齿部以各磁极的磁动势成为相同方向和强度的方式被通电并被磁化。其它结构与实施方式1相同。在本结构中也得到与实施方式1同样的效果。

图9为实施方式3的变形例的磁通调制型磁齿轮的横剖视图的放大图。多极机构30的各磁极包括2根齿部331，在一个齿部331配置有永磁体32，在另一个齿部331卷绕有励磁线圈33。通过对励磁线圈33进行直流通电，磁动势以在相邻的齿部331配置的永磁体32的磁化为基准而被增强。其它结构与图8所示的实施方式3相同。多极机构30的磁动势波形取决于旋转方向而为非对称，但因为能够扩大齿部331之间的槽面积，所以能够提高励磁线圈33的设计自由度。

此外，虽然在实施方式3中示出了永磁体32嵌入于在多极机构30中的齿部331设置的磁体插入孔部的例子，但在采用永磁体粘贴于齿部331的磁隙侧的顶端部的结构的情况下，也得到同样效果。

另外，虽然在本实施方式中示出了对多极机构30的每1个磁极配置永磁体32的齿部331为1根、卷绕励磁线圈33的齿部331为2根或1根的例子，但即使将配置永磁体32的齿部331的根数和卷绕励磁线圈33的齿部331的根数设为任意根数，只要配置为多极机构30的磁极在周向上反转而实现为磁减速机，就可以得到同样效果。

实施方式4

图10为实施方式4的磁通调制型磁齿轮的横剖视图的放大图。沿周向被磁化的永磁体32配置于邻接的齿部331的顶端部的周向之间，励磁线圈33卷绕于所有齿部331。励磁线圈33的直流通电的方向及永磁体32的磁化方向被构成为使得相邻的齿部331为不同磁极。另外，永磁体32的磁化方向被配置为在周向上相向。其它结构与实施方式1相同。

本结构为在线圈通电时感应出朝向磁隙部的永磁体32的磁通的混合励磁构造。根据本结构，能够使不通电时的磁通量与通电时的磁通量之差变大，能够使可变磁通量变大，因此能够提高多极机构30的设计自由度。

图11为实施方式4的变形例的磁通调制型磁齿轮的横剖视图的放大图。沿周向被磁化的永磁体32配置于邻接的齿部331的根部的周向之间。其它结构与图10所示的实施方式4相同。采用使永磁体32远离磁隙部的结构，实现磁体涡流损耗的进一步降低。

此外，虽然在实施方式4中示出了沿周向被磁化的永磁体配置于齿部331的顶端部或齿部331的根部的情况，但在配置于顶端部到根部的中间的情况下也得到同样效果。另外在永磁体32嵌入于成为多极机构30之外缘的磁轭部侧、或是分割独立的齿部331以永磁体32作为磁轭部而相互连接的情况下，也得到同样效果。

作为其它实施方式，永磁体32由作为可调整产生磁通量的可变磁体材料的SmCo(samarium-cobalt magnet，钐钴磁体)系等材料构成，能够通过向励磁线圈33通电来调整产生磁通量。其它结构设为与实施方式1相同。据此能够进一步扩大可变磁通量，能够进一步提高设计自由度。

另外，虽然在前述的实施方式中示出了进行减速及使转矩增大的减速齿轮的例子，但对于使输入轴1与输出轴2为相反结构而进行增速及使转矩减小的增速齿轮的结构，也得到同样效果。

另外，虽然在前述的实施方式中示出了使多极机构30为定子31、使少极机构10为第一转子11、使极靴20为第二转子21的例子，但也可以使多极机构30为第3转子，在进而使少极机构10或极靴20为定子的情况下，也得到同样效果。

另外，虽然在前述的实施方式中示出了各磁极的永磁体12、32为单个物体的例子，但在将永磁体在磁化方向、磁化正交方向和轴向及其它方向上进行分割的情况下，也得到同样效果。

另外，虽然在前述的实施方式中示出了在与旋转中心C正交的径向具有磁隙部的辐射型的例子，但作为在与旋转中心C平行的轴向具有磁隙部的轴向型，也得到同样效果。即，即使当在少极机构10与极靴20之间以及极靴20与多极机构30之间的轴向分别设置有磁隙的情况下，也得到同样效果。

另外，虽然在前述的实施方式中全都示出少极机构10为16极、多极机构30为32极、极靴20为24个的例子，但在少极机构10的极数小于多极机构30的极数、并且构成磁齿轮的组合在(设少极机构10的极对数为N1、设多极机构30的极对数为N2、设极靴的数量为Np时为(2m－1)Np＝N2±(2n－1)N1(m和n都为自然数)的情况下，也得到同样效果。

另外，在前述的实施方式中，齿部331、极靴20、永磁体12、32的形状都以最简单的形状示出。但是，在将齿部331和极靴20的形状形成为朝向磁隙部沿径向逐渐扩展或者逐渐收窄的形状时、作为永磁体12、32使用粘结磁体时、对每1个磁极使用2个以上永磁体而呈V字形嵌入时等，只要磁隙部的极配置具有与前述的实施方式同样的关系，则无论齿部331、极靴20、永磁体12、32的形状如何，都得到同样效果。

虽然本申请记载了各种例示性实施方式及实施例，但1个或多个实施方式所记载的各种特征、形态及功能不限于特定实施方式中的应用，而是能够单独或以各种组合的方式来应用于实施方式。因此，在本申请说明书中公开的技术范围内设想未例示的无数变形例。例如，包括将至少1个构成要素变形的情况、追加的情况或省略的情况，还包括将至少1个构成要素提取并与其它实施方式的构成要素组合的情况。

Claims (15)

1.一种磁通调制型磁齿轮，具备：

少极机构，具有多个磁极；

多极机构，具有比所述少极机构多的磁极；以及

极靴，设置于所述少极机构与所述多极机构之间，其中

在所述多极机构的磁极设置有永磁体和励磁线圈。

2.根据权利要求1所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

直流电源以可通断的方式连接于所述励磁线圈。

3.根据权利要求1或2所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述少极机构、所述多极机构和所述极靴具有为同心的旋转中心，

所述少极机构、所述多极机构和所述极靴中的任意一者连接于输入轴，另外一者连接于输出轴。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

在所述少极机构的磁极设置的永磁体在磁化方向上的厚度厚于在所述多极机构设置的永磁体在磁化方向上的厚度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述多极机构为被旋转固定的定子。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述多极机构具有向着磁隙面突出的齿部。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述永磁体配置于在所述多极机构设置的齿部的顶端。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述永磁体嵌入于在所述多极机构设置的齿部。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

在设置于所述多极机构的齿部设置有所述永磁体和所述励磁线圈。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

在所述多极机构设置有配置有所述永磁体的齿部和卷绕有所述励磁线圈的齿部，

设置有所述永磁体的所述齿部的磁化方向向着磁隙面为相同方向，

设置有所述励磁线圈的所述齿部的磁化方向向着磁隙面为与设置有所述永磁体的所述齿部的磁化方向相反的方向。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

在所述多极机构设置有配置有所述永磁体的齿部和卷绕有所述励磁线圈的齿部，

设置有所述永磁体的所述齿部的磁化方向向着磁隙面按每个所述齿部反转，

设置有所述励磁线圈的所述齿部以各磁极的磁动势成为相同方向和强度的方式被磁化。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述永磁体在邻接的齿部之间沿周向被磁化而配置。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述永磁体由能够通过向所述励磁线圈通电而调整产生磁通量的可变磁体材料构成。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

所述少极机构配置于内径侧，所述多极机构配置于外径侧。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的磁通调制型磁齿轮，其特征在于，

在所述少极机构与所述极靴之间以及所述极靴与所述多极机构之间，在轴向上分别设置有磁隙。