CN206807260U - 一种新型磁齿轮装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型内转子充磁的磁齿轮装置，该装置由内到外依次为内转子铁心、内转子永磁体、调磁环、外转子永磁体、外转子铁心。传统磁齿轮内外转子永磁体采用径向充磁，该种充磁方式获得的转矩密度较低，并且内外转子铁心部分体积较大；在本实用新型中改进磁齿轮内外转子永磁体的充磁方式以及内转子永磁体的形状，内外转子永磁体均采用Halbach阵列充磁。通过计算气隙磁密和内外转子输出转矩发现，本实用新型磁齿轮装置提高了气隙磁密切向幅值，转子输出转矩较传统磁齿轮装置提高了25.1%，且内外转子输出转矩满足磁齿轮的传动比。

Description

一种新型磁齿轮装置

技术领域

本实用新型涉及磁齿轮技术领域，特别是一种低转矩脉动开关磁阻电机。

背景技术

机械齿轮作为一种主要的传动方式并广泛应用于各种生产设备中，主要依靠主动轮和从动轮间的啮合实现有接触传动。它具有运行稳定、效率高等优点，但由于接触式传动，因此在有重负载的情况下，齿轮间相互挤压、摩擦所产生的齿轮变形、过载折断所导致齿轮失效等问题不可避免。磁齿轮利用磁场调制原理产生转矩和力，能够有效避免机械齿轮摩擦、润滑等问题，并具有传递转矩密度大，振动噪声小，无损耗以及自动过载保护等优点。基于磁齿轮的优点，将磁齿轮与复合电机相结合，形成磁齿轮复合电机。该复合电机在风力发电、电机驱动、船舰等领域具有广阔的应用前景。早期受永磁材料性能的影响，磁齿轮转矩密度并不理想，在实际工程领域中磁齿轮的应用受到一定限制。近年来，随着稀土永磁材料铷铁硼的出现，进而促进了磁齿轮的快速发展。国内外学者针对磁齿轮结构优化、永磁体磁化方向、磁场特性、转矩特点、传递效率等方面也进行了广泛的研究。大多数学者的研究主要集中在永磁体充磁方式和排布上，故而有内转子永磁体内嵌式、外转子永磁体表面嵌入式和表贴式的磁极排布方式。永磁体的充磁方式也由单一的径向充磁发展到具有自动屏蔽磁化特性的Halbach阵列充磁。目前，针对提高磁齿轮转矩密度的研究受到越来越多学者的关注。

传统磁齿轮内外转子永磁体形状和充磁方式较为单一，一般采用圆环状的永磁体并径向充磁。这种永磁体形状简单，充磁方式也易实现，但相邻两磁极间的端部漏磁现象较为严重，导致内外转子铁芯体积较大。而Halbach阵列充磁可以削弱永磁体一侧磁场强度，使得另一侧磁场强度增强。在本实用新型中内转子永磁体采用三角形和扇形交错排列，这种形状可以在一定程度上减小相邻永磁体间的漏磁，提高气隙磁密。传统调磁环采用硅钢和非导体交替排列，在本实用新型中将非导体改为具有激磁效应的永磁体排列。永磁体均采用Halbach阵列充磁，在不改变磁齿轮体积的前提下，提高了磁齿轮的转矩密度。通过构建新型内转子充磁的磁齿轮模型，利用ansoft软件对模型进行剖分求解，计算结果直观且准确度较高。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种增大转矩密度的新型内转子充磁的磁齿轮装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案：一种新型磁齿轮装置，它包括内转子，所述内转子包括内转子铁芯和内转子永磁体，所述内转子永磁体的外部套装有调磁环，所述调磁环和内转子永磁体之间设置有内层气隙，所述调磁环的外部套装有外转子；所述外转子包括外转子永磁体和外转子铁芯，所述外转子永磁体套装在调磁环的外部，所述外转子铁芯套装在外转子永磁体的外部；所述调磁环和外转子永磁体之间设置有外层气隙。

所述调磁环由硅钢和激磁永磁体交错排列组成。

所述内转子永磁体采用三角形和扇形交错排列。

所述内转子永磁体和外转子永磁体均采用两段一级的Halbach阵列充磁。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型改进了调磁环以及内外转子永磁体的充磁方式，内外转子永磁体均采用两段一极的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、调磁环不同于传统的硅钢和非导磁材料间隔排列，在本实用新型中采用具有激磁效应的永磁体和硅钢交错排列连接在一起形成调磁环，这种调磁环不仅起到调制内外转子永磁体产生的磁场，而且能产生额外的转矩，使得同等体积的磁齿轮能产生更大传递转矩。

3、内转子采用不同于传统圆环状永磁体，在本实用新型中采用三角形和扇形的永磁体交替排列，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，本实用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。

4、由于Halbach阵列具有自动屏蔽磁化特性，将内转子磁体的外侧磁场和外转子磁体的内侧磁场强度加强，意味着内、外转子磁场的耦合更为强烈，磁齿轮的工作转矩峰值得到提升，而将内转子磁体的内侧磁场和外转子磁体的外侧磁场强度减弱，因此可以在很大程度上减小内、外转子铁芯厚度，从而节省铁芯用量、减小磁齿轮装置的体积和重量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型磁齿轮的结构示意图。

图2为本实用新型磁齿轮内转子静态转矩比较图。

图3为本实用新型磁齿轮外转子静态转矩比较图。

图4为本实用新型磁齿轮内层气隙径向磁密比较图。

图5为本实用新型磁齿轮内层气隙切向磁密比较图。

图6为本实用新型磁齿轮外层气隙径向磁密比较图。

图7为本实用新型磁齿轮外层气隙切向磁密比较图。

图8为本实用新型磁齿轮内转子输出转矩比较图。

图9为本实用新型磁齿轮外转子输出转矩比较图。

图中：内转子铁芯1、内转子永磁体2、内层气隙3、调磁环4、外层气隙5、外转子永磁体6、外转子铁芯7。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1，一种新型磁齿轮装置，它包括内转子，所述内转子包括内转子铁芯 1和内转子永磁体2，所述内转子永磁体2的外部套装有调磁环4，所述调磁环4 和内转子永磁体2之间设置有内层气隙3，所述调磁环4的外部套装有外转子；所述外转子包括外转子永磁体6和外转子铁芯7，所述外转子永磁体6套装在调磁环4的外部，所述外转子铁芯7套装在外转子永磁体6的外部；所述调磁环4 和外转子永磁体6之间设置有外层气隙5。

进一步的，所述调磁环4由硅钢和激磁永磁体交错排列组成。调磁环不同于传统的硅钢和非导磁材料间隔排列，在本实用新型中采用具有激磁效应的永磁体和硅钢交错排列连接在一起形成调磁环。这种调磁环不仅起到调制内外转子永磁体产生的磁场，而且能产生额外的转矩，使得同等体积的磁齿轮能产生更大传递转矩。

进一步的，所述内转子永磁体2采用三角形和扇形交错排列。内转子采用不同于传统圆环状永磁体，在本实用新型中采用三角形和扇形的永磁体交替排列。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，本实用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。

进一步的，所述内转子永磁体2和外转子永磁体6均采用两段一级的Halbach 阵列充磁。由于Halbach阵列具有自动屏蔽磁化特性，将内转子磁体的外侧磁场和外转子磁体的内侧磁场强度加强，意味着内、外转子磁场的耦合更为强烈，磁齿轮的工作转矩峰值得到提升，而将内转子磁体的内侧磁场和外转子磁体的外侧磁场强度减弱，因此可以在很大程度上减小内、外转子铁芯厚度，从而节省铁芯用量、减小磁齿轮装置的体积和重量。

实施例2：

本实施例中，磁齿轮内转子4对极，外转子17对极，根据磁场调制原理，调磁环铁芯为21对极，下表给出了本实用新型磁齿轮的结构参数。

表1磁齿轮主要参数

本实用新型研究的最大静态转矩为固定调磁环和低速外转子，高速内转子以 -425r/min的速度顺时针转动，从而得到内、外转子最大静态转矩波形图2和图3。从图中可看出，内外转子的静态转矩波形均为正弦波，并且在电角度为90°时达到静态转矩峰值。最大静态转矩是衡量磁齿轮性能的重要参数，从图中看出，传统磁齿轮内外转子静态转矩的幅值分别为37.5N·m和158.9N·m，本实用新型磁齿轮内外转子静态转矩幅值分别为46.8N·m和198.7N·m。通过改进调磁环和内转子永磁体的磁齿轮比传统磁齿轮在最大静态转矩上提高了25.1％，并且本实用新型磁齿轮内外转子静态转矩比值满足齿轮比1:4.25。

如图4-7所示，本实用新型内转子采用三角形和扇形永磁体交错排列，外转子采用正弦充磁时，相比传统单一的径向充磁方式，内外层气隙切向磁密幅值较传统磁齿轮要大，而径向磁密则更小。

令外转子以100r/min逆时针转动，内转子以-425r/min顺时针转动，得到内外转子的稳态转矩如图8-9所示。从图中可看出，传统磁齿轮内转子输出转矩在 37.5N·m上下波动，外转子输出转矩在158.9N·m上下波动，而内外转子的转动比大致满足齿轮比1:4.25；改进后的磁齿轮装置，内转子输出转距在46.8N·m上下波动，外转子输出转矩在198.7N·m上下波动。本实用新型磁齿轮较传统磁齿轮在输出转矩上提高了25.1％，可见，改进调磁环和永磁体的形状有利于提高磁齿轮的输出转矩。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.一种新型磁齿轮装置，其特征在于：它包括内转子，所述内转子包括内转子铁芯（1）和内转子永磁体（2），所述内转子永磁体（2）的外部套装有调磁环（4），所述调磁环（4）和内转子永磁体（2）之间设置有内层气隙（3），所述调磁环（4）的外部套装有外转子；所述外转子包括外转子永磁体（6）和外转子铁芯（7），所述外转子永磁体（6）套装在调磁环（4）的外部，所述外转子铁芯（7）套装在外转子永磁体（6）的外部；所述调磁环（4）和外转子永磁体（6）之间设置有外层气隙（5）。

2.根据权利要求1所述的一种新型磁齿轮装置，其特征在于：所述调磁环（4）由硅钢和激磁永磁体交错排列组成。

3.根据权利要求1所述的一种新型磁齿轮装置，其特征在于：所述内转子永磁体（2）采用三角形和扇形交错排列。

4.根据权利要求1所述的一种新型磁齿轮装置，其特征在于：所述内转子永磁体（2）和外转子永磁体（6）均采用两段一级的Halbach阵列充磁。