CN102447376A

CN102447376A - 磁性齿轮及磁性传动装置

Info

Publication number: CN102447376A
Application number: CN2010102999587A
Authority: CN
Inventors: 黄越; 张映明
Original assignee: Teco Group Science and Technology Hangzhou Co Ltd
Current assignee: Teco Group Science and Technology Hangzhou Co Ltd
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明为了解决现有磁性齿轮成本较高的问题，不降低磁性齿轮转矩密度的情况下提供一种新的磁性齿轮以及以该磁性齿轮为基础的磁性传动装置。该磁性齿轮内外转子的永磁体采用导磁材料分隔并切向充磁，内外转子的支撑部采用不导磁材料。本发明由于磁场在两组永磁体相对一侧得到汇聚而增强，在转矩密度相当的情况下，永磁体的用量减少了一半，磁性齿轮的成本降低了1/4，磁性传动装置通过第一组永磁体和第二组永磁体之间的摆线运动，在获得相对较高的转矩密度的同时，可以获得一个很大的传动比。

Description

磁性齿轮及磁性传动装置

技术领域

本发明涉及磁性传动技术领域，更具体地说，涉及一种磁性齿轮及运用该磁性齿轮的磁性传动装置。

背景技术

机械齿轮是一种常见的用于传动的机构，其具有传动效率高、转矩密度大等优点，通过长时间的发展和改进，机械齿轮以及运用机械齿轮进行传动已经非常成熟。但机械齿轮因自身特点，存在振动、噪音较大，需要在润滑的情况下使用，需要定期维护等自身无法克服的问题。随着科技水平的进步，人们对传动***的要求也越来越高，通过选用高性能材料、对齿形进行精加工处理以及改进润滑等措施，机械齿轮的性能有了很大的改进，但是还是未能从根本上解决这些问题。

为了解决机械齿轮存在的某些问题，磁性齿轮的得到了发展。磁性齿轮是利用磁场进行转矩传递，与机械齿轮相比具有特殊的优势，比如：

1)磁性齿轮由于输入与输出之间是非接触性的，可以减小机械噪声和振动；

2)磁性齿轮不需要润滑，因此可以减少维护，增加***的可靠性；

3)磁性齿轮具有确定的峰值转矩，其自身具有过载保护能力；

4)输入与输出之间是非接触性的，这一特点使得它在有毒、有害等流体泵类驱动中具有特殊的优势；

5)磁性齿轮具有较高的传动效率；

6)磁性齿轮中永磁体直接安装在相对转动的齿轮部件的表面，不像机械齿轮那样要对齿部进行精加工和热处理，简化了生产工艺。

对于磁性齿轮来说，由于永磁体的用量很大，永磁体的成本大约占磁性齿轮总成本的50％左右，在一些需要节约成本的使用情况下，在保证转矩密度的同时，如何降低磁性齿轮的成本是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决磁性齿成本过高的问题，在不降低磁性齿轮转矩密度的情况下提供一种新的磁性齿轮，同时，提供一种具有高传动比、相对较高转矩密度的磁性传动装置，以在诸如兆瓦级风力发电机中进行传动。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

本发明的第一方面，一种磁性齿轮，其特征在于，包括：可转动的内转子和外转子，内转子的外表面和外转子的内表面分别设有间隔设置的第一组永磁体和第二组永磁体，第一组永磁体和第二组永磁体相邻两永磁体之间为导磁材料，每个永磁体的充磁方向均为沿圆周切向，每个永磁体与其一侧相邻永磁体的充磁方向相对，与其另一侧相邻永磁体的充磁方向相背，内转子和外转子对第一组永磁体和第二组永磁体进行支撑的支撑部采用不导磁材料制成。

本发明中，内转子和外转子的永磁体采用截面为矩形的永磁体，通过在内转子外表面和外转子内表面导磁材料上设置与各自永磁体相同截面形状的轴向槽，采用***的方式装入内转子和外转子。

本发明中，内转子和外转子同轴设置，内转子和外转子之间设有调整内转子和外转子之间磁场，促进内、外转子磁场耦合的一组调磁铁芯片；内转子和外转子偏心设置，内转子和外转子之间可进行相对的摆线运动。

本发明的第二方面，一种磁性传动装置，其特征在于，包括：可转动的内转子和外转子，内转子的外表面和外转子的内表面分别设有间隔设置的第一组永磁体和第二组永磁体，第一组永磁体和第二组永磁体相邻两永磁体之间为导磁材料，每个永磁体的充磁方向均为沿圆周切向，每个永磁体与其一侧相邻永磁体的充磁方向相对，与其另一侧相邻永磁体的充磁方向相背，内转子和外转子对第一组永磁体和第二组永磁体进行支撑的支撑部采用不导磁材料制成，第三元件，与内转子和外转子作用，使得磁性传动装置在运行时，第一组永磁体和和第二组永磁体之间产生相对的摆线运动。

本发明中，固定外转子，在内转子和第三元件之间进行传动；或者固定第三元件，在内转子和外转子之间进行传动。

本发明由于内、外转子对永磁体进行支撑的支撑部采用不导磁材料，使得原本在第一组永磁体和第二组永磁体各自两侧形成的磁场，在两组永磁体相对的一侧进行了汇集而加强，提高了永磁体的利用率，在转矩密度相当的情况下，永磁体的用量减少了一半，磁性齿轮的成本降低了1/4，仅在永磁体之间设置铁芯进行导磁，其他部分均可采用硬铝或者陶瓷等非导磁结构代替，降低了磁性齿轮单位体积的重量，得到较好的结构特性；磁性传动装置通过第一组永磁体和第二组永磁体之间的摆线运动，在获得高的转矩密度的同时，可以获得一个很大的传动比。

附图说明

图1为现有磁性齿轮的结构示意图

图2为图1现有磁性齿轮的轴向结构示意图

图3为本发明内外转子同轴设置的磁性齿轮的结构示意图

图4为本发明内外转子偏心设置的磁性齿轮的结构示意图

图5为本发明磁性传动装置第一实施例固定第三元件的结构示意图

图6为本发明磁性传动装置第一实施例固定外转子的结构示意图

图7为本发明磁性传动装置第二实施例固定第三元件的结构示意图

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在保证转矩密度相当的情况下，尽可能降低磁性齿轮的成本，提供一种新的磁性齿轮，同时，基于该磁性齿轮提供一种同时具备高传动比和相对较高转矩密度的磁性传动装置，以在诸如兆瓦级风力发电机中进行传动。

如图1、图2所示，现有的磁性齿轮包括第一转子亦或称之为内转子1，以及第二转子亦或称之为外转子2，内转子1的外表面设有第一组永磁体11，其由磁性材料制成的支撑部12进行支撑，外转子2的内表面设有第二组永磁体21，其由磁性材料制成的支撑部22进行支撑，第一组永磁体11和第二组永磁体21均沿着径向进行充磁，第一组永磁体11和第二组永磁体21各自相邻两块永磁体之间的充磁方向相反，相邻两块永磁体构成1对磁极。

内转子1和外转子2同轴设置，内转子1和外转子2之间设有一组调磁铁芯片3(英语称之为pole pieces，因其通常由多个片状的铁芯薄片叠压而成，较早接触磁性齿轮的国内学者将其翻译为调磁铁芯片，现已广泛使用)，调磁铁芯片3间隔设置，其通常由圆柱形的非磁性支撑部31进行支撑，调磁铁芯片3的作用是调整第一组永磁体块11和第二组永磁体块21之间气隙的磁场，促进两组永磁体之间磁场耦合，为了使得调磁铁芯片3对磁场调整达到最佳效果，调磁铁芯片3的数量为内转子1和外转子2磁极对数之和，相关文献对其原理已有说明，此处不再累述。

例如，上述实施方式中，内转子1为4对极，外转子2为17对极，调磁铁芯片3为21个，在内转子1或外转子2任意一侧驱动与内转子1或外转子2相连的转轴进行转动时，内转子1和外转子2彼此反向转动，即可在需要传动的两机构之间进行磁性传动。内转子1的转速为W₁，外转子的转速为W₂，内转子的磁极对数为P₁，外转子的磁极对数为P₂，则有：W₁/W₂＝P₂/P₁，磁性齿轮的传动比由内外转子的磁极对数比值决定。

需要指出的是，由于第一组永磁体11和第二组永磁体21径向充磁的方式，第一组永磁11和第二组永磁体21在各自两侧均产生磁场，而内转子1和外转子2进行传动时，主要作用是通过两组永磁体相对一侧的磁场作用传递转矩，因此为了充分利用第一组永磁体11和第二组永磁体21，内转子1支撑第一组永磁体11的支撑部12，以及外转子2支撑第二组永磁体21的支撑部22需要采用导磁材料制成进行导磁。最常用的导磁材料是铁芯，因此大大增加了磁性齿轮的总重量，而且即便如此，也无法完全利用两组永磁体产生的磁场，永磁体的利用率比较低，造成磁性齿轮的转矩密度低很低。

参见图3，本发明的磁性齿轮在内转子1a和外转子2a同轴设置时，与现有的内、外转子同轴设置的磁性齿轮的结构相似(因此省略了图5的轴向结构示意图)，区别在于本发明的磁性齿轮内转子1a的第一组永磁体11a间隔设置在内转子1a的外表面，相邻的两永磁体之间为导磁材料，例如铁芯。第一组永磁体11a每个永磁体的充磁方向均沿着圆周的切向方向，每个永磁体与其一侧相邻永磁体的充磁方向相对，与其另一侧相邻永磁体的充磁方向相背。内转子1a对第一组永磁体11a进行支撑的支撑部12a采用不导磁材料制成，较优的是采用轻质的不导磁材料，例如硬铝、陶瓷，其他复合材料等，以降低磁性齿轮的重量。

同理，外转子2a的第二组永磁体21a间隔设置在外转子2a的内表面，相邻的两永磁体之间同样为导磁材料，第二组永磁体21a每个永磁体的充磁方向也均沿着圆周的切向方向，每个永磁体与其一侧相邻永磁体的充磁方向相对，与其另一侧相邻永磁体的充磁方向相背，外转子2a对第二组永磁体21a进行支撑的支撑部22a采用不导磁材料制成。

因此，第一组永磁体11a无法在其内侧形成磁场，第二组永磁体21a无法在其外侧形成磁场，第一组永磁体11a，相邻且充磁方向相对的两永磁体的磁力线向二者之间的铁芯汇聚，经铁芯导磁指向第一组永磁体11a的外侧，并经两永磁体两端的铁芯形成回路(图中并未示意磁力线方向)；第二组永磁体21a，相邻且充磁方向相对的两永磁体的磁力线向二者之间的铁芯汇聚，经铁芯导磁指向第一组永磁体21a的内侧，同样经两永磁体两端的铁芯形成回路。这样，实质上相邻且充磁方向相对的两永磁体与二者之间的铁芯、二者两侧的铁芯(可以认为两侧铁芯的一半)构成了内转子1a或外转子2a的一对磁极。

第一组永磁体11a和第二组永磁体21a在其相对一侧形成了汇集而增强的磁场，由于磁性齿轮内、外转子作用主要依靠二者相对一侧的产生的磁场，在永磁体的用量减少一半的情况下，磁性齿轮可提供的转矩确并未减少，但磁性齿轮的成本确降低了1/4左右。同时，仅永磁体之间采用导磁材料，内、外转子的支撑部均可采用轻质的不导磁材料，磁性齿轮单位体积的重量也得到了降低。

但内、外转子同轴设置时，以内转子1a为输入端，以外转子2a为输出端，齿轮的传动比大致只能在1.5-11.5范围内进行选取，这是因为随着传动比的增大，内、外转子之间的齿槽转矩(cogging torque)也会随之增大，过大的齿槽转矩会影响磁性齿轮的传动效率。因此，尽管内、外转子同轴设置的磁性齿轮可以获得较高的转矩密度，但受自身特性的限制，其传动比不可以做的很大，在需要较大传动比的领域，例如兆瓦级风力发电机的传动中(通常传动比大约100左右)必须通过多级传动，这显然使得传动装置的结构变得比较复杂，制造、维护的难度都相应地增大。

参见图4，为了解决上述问题，本发明的磁性齿轮内、外转子除了同轴设置外，还可以偏心设置，磁性齿轮内转子1b的外表面和外转子2b的内表面分别设有第一组永磁体11b和第二组永磁体21b(黑色部分为铁芯，白色部分为永磁体)，永磁体的设置方式和充磁方式与同轴设置相同，就不再累述了，同时，由于永磁体数目较多，未对永磁体的充磁方向进行标注。

内、外转子之间无需设置调磁铁芯片，偏心设置后内转子1b的轴心绕外转子2b轴心旋转的同时，还围绕自身的轴心旋转，内转子1b和外转子2b之间即进行相对的摆线运动，这样使得第一组永磁体11b和第二组永磁体21b之间产生相对的摆线运动。

与内、外转子同轴设置的磁性齿轮相比，任意时刻内、外转子的都有较大数量永磁体近距离作用(尽管有部分永磁体远距离作用，但与内外转子同轴设置时的整体作用效果好)，永磁体用量相同的情况下，可提供更大的转矩。内转子1b支撑第一组永磁体11b的支撑部12b，以及外转子2b支撑第二组永磁体21b的支撑部22b也可以与同轴设置的磁性齿轮一样，采用轻质的不导磁材料制成。

但是，与同轴设置的磁性齿轮只需在内、外转子上设置转轴即可构成磁性传动装置，进行磁性传动不同的是，当内、外转子偏心设置时，还需要其他辅助元件才能构成磁性传动装置进行磁性传动。

参见图5，要使得磁性传动装置的内转子1b和外转子2b进行相对的摆线运行，进而使得第一组永磁体11b和第二组永磁21b之间产生相对的摆线运动(同图4黑色部分为铁芯，白色部分为永磁体，两组永磁体的实际数量不是对本发明两组永磁体可选数量的限定)。首先在内转子1b上设置特殊的转轴13b，转轴13b的轴心与外转子2b的轴心重合；然后在内转子1b上设置多个轴向通孔，例如本实施例中设置了3个轴向通孔。

第三元件包含一轴41，轴41上设有与内转子1b上通孔数量相等的轴向销42，销42伸入内转子1b上的对应的通孔中，每个销42的外表面与内转子1b上对应通孔的内表面相贴。将第三元件的轴41固定，以转轴13b为输入端进行转动，转轴13b转动会带动内转子1b一边自转，内转子1b的轴心一边围绕外转子2b的轴心转动，内转子1b上的每个通孔将围绕对应销41的外表面进行转动，内转子1b相对外转子2b进行摆线运动，在第一组永磁体11b和第二组永磁体21b的磁性作用下传递转矩，外转子2b在内转子1b的带动下作为输出端围绕自身轴心与转轴13b同向转动，实现了磁性传动。

在这种情况下，磁性传动装置的传动比R＝P₂/(P₂-P₁)，其中P₁为内转子1b的磁极对数，P₂为外转子的磁极对数。当外转子只比内转子多一对磁极时，在转矩密度得到提高的同时，可以获得一个很大的传动比，例如外转子2b采用100对磁极，内转子1b采用99对磁极，传动比将达到100。

参见图6，本实施例中，除了将第三元件进行固定外，还可以选择将外转子2b进行固定，同样以转轴13b作为输入端进行传动，转轴13b转动同样会带动内转子1b一边自转，内转子1b的轴心一边围绕外转子2b的轴心转动，第一组永磁体11b和第二组永磁体21b的磁性作用传动转矩，销42在内转子1的通孔的作用力下，将带动轴41以与转轴13b转动方向相反的方向转动，轴41作为输出端，实现了磁性传动。

在这种情况下，磁性传动装置的传动比R＝P₁/(P₁-P₂)，其中P₁为内转子1b的磁极对数，P₂为外转子的磁极对数。当外转子只比内转子多一对磁极时，在转矩密度得到提高的同时，也可以获得一个很大的传动比，例如外转子2b采用100对磁极，内转子1b采用99对磁极，传动比将达到-99，负号表示输出端与输入端的转动方向相反。

上述的磁性转动装置便可直接运用于兆瓦级风力发电机与风叶之间的传动，当第三元件固定时，转轴13b连接风力发电机转轴，外转子2b连接风叶转轴(或者还需要进行一定转换与风叶转轴连接)；当外转子2b固定时，转轴13b连接风力发电机转轴，轴41连接风叶转轴。当然，此时外转子2b或轴41是作为输入端的，通过磁性传动装置的传动，转轴13b的输出达到了明显的升速，实现了高速大扭矩的目的。

在获得大传动比的同时，内、外转子的磁极对数也相应地增大，内、外转子上设置的永磁体的数量将是磁极对数的4倍，例如上述外转子100对磁极，内转子99对磁极，永磁体的数量将达到近800块，这使得永磁体的充磁和装配变得比较麻烦。

再参见图4，可以采用截面形状为矩形的永磁体，这样只需准备沿着截面宽度方向充磁的永磁体，这大大简化了永磁体的充磁程序，可提高永磁体的充磁效率。此时，在内转子外表面和外转子内表面的导磁材料上设置与各自永磁体相同截面形状的轴向槽(图中未示意，另外，内、外转子永磁体的截面形状可能是不同的)，根据永磁体充磁方向的规则，依次将不同充磁方向的永磁体***轴向槽，即可完成内、外转子永磁体的装配。当然，永磁体也完全可以采用常规的扇形或者梯形截面，上述实施方式并非对本发明的限制，对于内、外转子同轴设置的磁性齿轮(磁性传动装置)也可以采用上述的实施方式。

需要指出的是，本实施例只是对磁性传动装置的原理进行说明，各元件的结构都采用了比较简化的处理方式，例如转轴13b要与外转子2b同轴心转动可能还需要设置轴承等结构对转轴13b进行支撑，第三元件固定时，外转子2b作为输出端(或者输入端)可能还需要连接转轴。本实施例并未对上述问题进行详细的说明，本领域的技术人员根据本发明的原理应当知晓如何进行处理，本发明已经进行了充分的公开。

根据本发明的原理，第三元件显然还可以有其他形式。参见图7，该实施例中，第三元件包含一壳体5，内转子1c和外转子2c均设置在壳体5内，第一组永磁体11c设置在内转子1c的外表面，第二组永磁体21c设置在外转子2c的内表面，壳体5两端设有轴承51和轴承52，轴承51支撑与第一实施例中转轴13b作用相当的转轴13c，轴承52支撑与外转子2c连接的转轴23c，多个销42a设置在转轴13c的一侧并固定在壳体5内部。

在本实施例中，壳体5和多个销42a构成了第三元件，并且是将第三元件进行固定的实施方式，需要传动的两机构分别连接转轴13c和转轴23c即可实现传动。由于第一实施例中，已经对本发明的原理进行了充分说明，本实施例中不再进行累述。

可以理解的是，只要第三元件与内转子和外转子作用，使得磁性传动装置在运行时，第一组永磁体和和第二组永磁体之间产生相对的摆线运动，即可达到本发明的目的。以上仅仅是对第三元件进行示意性说明，并未对本发明的限制，所有符合本发明的第三元件的结构，都将落入本发明要求保护的范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.磁性齿轮，其特征在于，包括：可转动的内转子和外转子，内转子的外表面和外转子的内表面分别设有间隔设置的第一组永磁体和第二组永磁体，第一组永磁体和第二组永磁体相邻两永磁体之间为导磁材料，每个永磁体的充磁方向均为沿圆周切向，每个永磁体与其一侧相邻永磁体的充磁方向相对，与其另一侧相邻永磁体的充磁方向相背，内转子和外转子对第一组永磁体和第二组永磁体进行支撑的支撑部采用不导磁材料制成。

2.如权利要求1所述的磁性齿轮，其特征在于：内转子和外转子的永磁体采用截面为矩形的永磁体，通过在内转子外表面和外转子内表面导磁材料上设置与各自永磁体相同截面形状的轴向槽，采用***的方式装入内转子和外转子。

3.如权利要求1或2所述的磁性齿轮，其特征在于：内转子和外转子同轴设置，内转子和外转子之间设有调整内转子和外转子之间磁场，促进内、外转子磁场耦合的一组调磁铁芯片。

4.如权利要求1或2所述的磁性齿轮，其特征在于：内转子和外转子偏心设置，内转子和外转子之间可进行相对的摆线运动。

5.磁性传动装置，其特征在于，包括：可转动的内转子和外转子，内转子的外表面和外转子的内表面分别设有间隔设置的第一组永磁体和第二组永磁体，第一组永磁体和第二组永磁体相邻两永磁体之间为导磁材料，每个永磁体的充磁方向均为沿圆周切向，每个永磁体与其一侧相邻永磁体的充磁方向相对，与其另一侧相邻永磁体的充磁方向相背，内转子和外转子对第一组永磁体和第二组永磁体进行支撑的支撑部采用不导磁材料制成，第三元件，与内转子和外转子作用，使得磁性传动装置在运行时，第一组永磁体和和第二组永磁体之间产生相对的摆线运动。

6.如权利要求5所述的磁性传动装置，其特征在于：固定外转子，在内转子和第三元件之间进行传动。

7.如权利要求5所述的磁性传动装置，其特征在于：固定第三元件，在内转子和外转子之间进行传动。