CN203979331U - 磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮 - Google Patents

Abstract

磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮，属于永磁齿轮技术领域，本实用新型为解决现有永磁齿轮的永磁体由于磁路结构的制约而没被充分利用，而造成永磁体的利用率低的问题。本实用新型包括外转子盘、内转子、调制环定子、外转子和外定子；外转子盘具有输出轴；内转子设置在调制环定子内部，内转子和调制环定子之间存在径向气隙δ3；调制环定子设置在外转子内部，调制环定子与外转子之间存在径向气隙δ2；外转子设置在外定子内部，外转子和外定子之间存在径向气隙δ1；增设外定子，来改进磁路，从而提高永磁体的利用率，从而增大转矩及转矩密度。

Description

磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮

技术领域

本发明涉及磁场调制式永磁齿轮，属于永磁齿轮技术领域。

背景技术

永磁齿轮与机械齿轮类似，都是一种动力传递机构。相比于机械齿轮，永磁齿轮的输入端与输出端由于没有物理接触，而具有特殊的优势，即：1)降低噪声和振动；2)无需润滑，可减少维护，增加可靠性；3)具有过载保护能力；4)由于输入端和输出端的无接触性的特点，在有毒、有害流体泵类驱动中有巨大优势。永磁齿轮通过调整其内外转子上永磁体的个数，就可以获得不同的传动比。

现有的永磁齿轮中，永磁体由于磁路的制约使得没有被充分利用，造成永磁体的利用率低。

发明内容

本实用新型目的是为了解决现有永磁齿轮的永磁体由于磁路结构的制约而没被充分利用，而造成永磁体的利用率低的问题，提供了一种磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮。

本实用新型所述磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮，它包括外转子盘、内转子、调制环定子、外转子和外定子；外转子盘具有输出轴；内转子设置在调制环定子内部，内转子和调制环定子之间存在径向气隙δ3；调制环定子设置在外转子内部，调制环定子与外转子之间存在径向气隙δ2；外转子设置在外定子内部，外转子和外定子之间存在径向气隙δ1；

内转子包括内转子轴、内转子轭和2p₁块内转子永磁体；内转子轴上设置有内转子轭，内转子轭的外圆表面沿圆周方向均匀设置有2p₁块内转子永磁体，相邻两块内转子永磁体的充磁方向相反，内转子轴与外转子盘之间通过轴承连接；

外转子由2p₂块外转子永磁体构成；

调制环定子由p₁+p₂块导磁块和p₁+p₂块非导磁块交错设置而成；

外定子包括机壳和p₁+p₂个外定子齿；机壳的内圆表面均匀设置有p₁+p₂个外定子齿。

本实用新型的优点：本实用新型对现有永磁齿轮的结构进行了改进，通过改进外转子永磁固定方式(利用其轴向的两端面来固定)，并增设外定子，来改进磁路，从而提高永磁体的利用率，从而增大转矩及转矩密度，本实用新型磁齿轮，较内外转子极对数以及轴向长度相同的传统磁场调制式齿轮，转矩由183Nm提高到232.6Nm，提高27％，转矩密度提高0.75％。

本实用新型所述永磁齿轮的转矩传递平稳性比传统磁场调制式齿轮更好。

附图说明

图1是本实用新型所述磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是磁路示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮，它包括外转子盘1、内转子、调制环定子4、外转子和外定子；外转子盘1具有输出轴；内转子设置在调制环定子4内部，内转子和调制环定子4之间存在径向气隙δ3；调制环定子4设置在外转子内部，调制环定子4与外转子之间存在径向气隙δ2；外转子设置在外定子内部，外转子和外定子之间存在径向气隙δ1；

内转子包括内转子轴8、内转子轭2和2p₁块内转子永磁体3；内转子轴8上设置有内转子轭2，内转子轭2的外圆表面沿圆周方向均匀设置有2p₁块内转子永磁体3，相邻两块内转子永磁体3的充磁方向相反，内转子轴8与外转子盘1之间通过轴承连接；

外转子由2p₂块外转子永磁体5构成；

调制环定子4由p₁+p₂块导磁块和p₁+p₂块非导磁块交错设置而成；

外定子包括机壳6和p₁+p₂个外定子齿7；机壳6的内圆表面均匀设置有p₁+p₂个外定子齿7。

内转子永磁体3和外转子永磁体5的充磁方向均为径向充磁。

调制环定子4的一侧轴向端部固定在机壳6的端部。

外转子轴向两侧端部与外转子盘1粘接在一起。

定子齿7由硅钢片叠压而成。

调制环定子4的导磁块由硅钢片叠压而成。

本实施方式中，在径向上形成三层气隙δ1、δ2和δ3，内转子永磁体3和外转子永磁体5通过调制环定子4以及外定子的调制后在气隙δ1、δ2和δ3内相互作用，即实现转矩的平稳传递。所述永磁齿轮的传动比p₂：p₁，永磁体均为径向充磁的环状永磁体。

下面结合图3来说明该永磁齿轮磁通路径：

主磁通路径：内转子永磁体3的N极出发，经过调磁环定子4中的导磁块、外转子永磁体5的S极、外定子齿7、机壳6，而后磁力线沿着机壳6，经外定子齿7、外转子永磁体5的N极，调磁环定子4中的导磁块，内转子永磁体3的S极，通过内转子轭2，最终到达内转子永磁体3的N极，完成磁路的闭合。

漏磁路的路径：相邻永磁体之间完成磁路的闭合。

本发明的工作原理是：具有p₁对永磁磁极的内转子以速度Ω₁旋转时，内转子永磁体3所产生的磁场经过静止的调磁环定子4调制后，假定调磁环定子4调磁铁心数为n_s，在气隙δ2和δ3中形成一空间分布磁场，该磁场在半径为r，空间角度为θ处的磁感应强度径向分量B_r(r,θ)可表示为：

$B_r(r,\mathrm{\θ})=(\underset{m=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ({\mathrm{mp}}_1\left({\mathrm{\θ}-\mathrm{\Ω}}_{1}t\right)+{\mathrm{mp}}_1{\mathrm{\θ}}_0)\×({\mathrm{\λ}}_{r0}\left(r\right)+\underset{j=\mathrm{1,2,3},...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)\cos \left({\mathrm{jn}}_s\mathrm{\θ}\right))---\left(1\right)$

其中：b_rm为没有调磁环定子4时气隙磁场磁感应强度径向分量傅立叶系数；t为时间变量；θ₀为初始空间相位角；λ_r0为调磁环定子4的磁导平均值；λ_rj为引入调磁环定子4后，调磁环定子4对磁场径向分量调制函数的傅立叶分解系数。

通过变换,式(1)可以写成如下形式：

$\begin{array}{c}{B}_r(r,\mathrm{\θ})={\mathrm{\λ}}_{r0}\underset{m=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ({\mathrm{mp}}_1\left(\mathrm{\θ}{-\mathrm{\Ω}}_{1}t\right)+{\mathrm{mp}}_1{\mathrm{\θ}}_0)\\ +\frac{1}{2}\underset{m=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3},...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos (({\mathrm{mp}}_1+{\mathrm{jn}}_s)(\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{mp}}_1{\mathrm{\Ω}}_1}{{\mathrm{mp}}_1+{\mathrm{jn}}_s}t)+{\mathrm{mp}}_1{\mathrm{\θ}}_0)\\ +\frac{1}{2}\underset{m=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3},...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos (({\mathrm{mp}}_1+{\mathrm{jn}}_s)(\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{mp}}_1{\mathrm{\Ω}}_1}{{\mathrm{mp}}_1+{\mathrm{jn}}_s}t)+{\mathrm{mp}}_1{\mathrm{\θ}}_0)\end{array}---\left(2\right)$

从谐波分析的角度看，式(2)中余弦函数内空间角度θ的系数表征的是谐波次数。综合式(2)中空间角度θ的系数,该气隙磁场所包含的各次谐波磁场次数可统一表示为：

p_m,k＝|mp₁+kn_s|

m＝1,3,5,...,∞，   (3)

k＝0,±1,±2,±3,...±∞

同理从谐波分析的角度看，式(2)中余弦函数内时间变量t的系数表征的是谐波磁场对应的旋转速度。综合式(2)中时间变量t的系数，该气隙磁场所包含的各次谐波磁场对应旋转速度可统一表示为：

${\mathrm{\Ω}}_{m,k}=\frac{{\mathrm{mp}}_1}{{\mathrm{mp}}_1+{\mathrm{kn}}_s}{\mathrm{\Ω}}_1$

m＝1,3,5,...,∞，   (4)

k＝0,±1,±2,±3,...,±∞

综合式(3)和式(4)，根据旋转速度的不同，可以将气隙谐波磁场分为两大类：一类是没有调磁环定子4时，即k＝0时所对应的谐波磁场，其特点是谐波磁场转速与内转子转速Ω₁相同；另一类是由于调磁环定子4的引入，也就是k≠0时所对应的谐波磁场，其特点是谐波磁场的转速与内转子转速Ω₁不同。

在气隙δ2内所有调制谐波磁场中m＝1，k＝-1的组合所对应的p_1,-1次调制谐波磁场幅值最大。即p_1,-1次谐波磁场的次数及对应转速为：

p_1,-1＝|p₁-n_s|

${\mathrm{\Ω}}_{1,-1}=\frac{p_1}{p_1-n_s}{\mathrm{\Ω}}_1,---\left(5\right)$

根据机电能量转换定律，两个磁场要进行稳定的能量传递，这两个磁场的磁极对数必须相同。因此在磁场调制式磁性齿轮中，将外转子磁极对数取为|n_s-p₁|对。也就是说，如果内转子有p₁对极，即2p₁块永磁体，外转子有p₂对极，即2p₂块永磁体，则调磁环定子4的导磁块数量应为p₁+p₂块，调磁环定子4上的非导磁块数量也为p₁+p₂块，这样磁场调制作用在气隙δ2内产生p_1,-1次调制谐波磁场与外转子主磁场相互作用就会产生同步转矩。由于p_1,-1次调制谐波磁场的旋转速度为因此在此同步转矩作用下，外转子也以同步转速旋转。这样就实现了一个转子以速度Ω₁旋转，而另外一个转子以速度旋转的转速变比功能，因此磁性齿轮的传动比可表示为：

$G_r=\frac{{\mathrm{\Ω}}_1}{\frac{p_1}{p_1-n_s}{\mathrm{\Ω}}_1}=\frac{{p-n}_s}{p_1}---\left(6\right)$

这样选择永磁体和调磁环的数量配比，可以满足转矩平稳的需求，否则将无法平稳地传递转矩。

Claims (4)

1.磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮，其特征在于，它包括外转子盘(1)、内转子、调制环定子(4)、外转子和外定子；外转子盘(1)具有输出轴；内转子设置在调制环定子(4)内部，内转子和调制环定子(4)之间存在径向气隙δ3；调制环定子(4)设置在外转子内部，调制环定子(4)与外转子之间存在径向气隙δ2；外转子设置在外定子内部，外转子和外定子之间存在径向气隙δ1；

内转子包括内转子轴(8)、内转子轭(2)和2p₁块内转子永磁体(3)；内转子轴(8)上设置有内转子轭(2)，内转子轭(2)的外圆表面沿圆周方向均匀设置有2p₁块内转子永磁体(3)，相邻两块内转子永磁体(3)的充磁方向相反，内转子轴(8)与外转子盘(1)之间通过轴承连接；

外转子由2p₂块外转子永磁体(5)构成；

调制环定子(4)由p₁+p₂块导磁块和p₁+p₂块非导磁块交错设置而成；

外定子包括机壳(6)和p₁+p₂个外定子齿(7)；机壳(6)的内圆表面均匀设置有p₁+p₂个外定子齿(7)。

2.根据权利要求1所述磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮，其特征在于，内转子永磁体(3)和外转子永磁体(5)的充磁方向均为径向充磁。

3.根据权利要求1所述磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮，其特征在于，外定子齿(7)由硅钢片叠压而成。

4.根据权利要求1所述磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮，其特征在于，调制环定子的导磁块由硅钢片叠压而成。