CN109889016A - 一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮 - Google Patents
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Abstract
一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，所述调磁环与内转子及外转子之间均设有气隙，所述内转子包括内轭铁和内转子永磁体，所述内转子永磁体的外侧边缘为波浪形结构。本发明提供一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其目的在于通过改进永磁体的结构与充磁方式，实现增加转矩密度、降低转矩脉动，提高永磁体利用率。
Description
技术领域
本发明属于磁力传动技术领域，更具体地，涉及一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮。
背景技术
早在20世纪初就有学者提出了磁力齿轮的概念并申请了专利。早期磁力齿轮结构类似于机械齿轮，由于拓扑结构单一，永磁体利用率低导致转矩密度远不及机械齿 轮，因此磁力齿轮并未收到太多关注。直到21世纪初，K Atallah，D Howe教授提 出了磁场调制式磁力齿轮，该模型内、外转子极对数分别为4对极和22对极，传动 比为5.5:1，通过试验测得该样机的转矩密度为100kN·m/m3，远远超过传统磁力齿 轮，在传动过程中所有永磁体均参与转矩传递，转矩密度高且永磁体利用率高；与传 统机械齿轮相比，具有无接触、低噪声、无需润滑和自动过载保护等优势。
随着磁场调制型磁力齿轮的研究不断深入，各种不同结构的磁力齿轮相继被研究出来，直线式、聚磁式和轴向式磁力齿轮相继问世。但是也存在一些缺陷，如转矩波 动大、永磁体用量大、转矩密度有待进一步提高。非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮 外转子永磁体为简化的Halbach阵列内转子分段偏心正弦充磁，能够减少磁力齿轮在 传动过程中从动齿轮的转速波动，增加输出转矩密度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其目的在于通过改进永磁体的结构与充磁方式，实现增加转矩密度、降低转矩脉动，提高 永磁体利用率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，所述调磁环与内转子及外 转子之间均设有气隙，所述内转子包括内轭铁和内转子永磁体，所述内转子永磁体的 外侧边缘为波浪形结构。
优选的，所述内转子永磁体包括8个内磁极，8个内磁极构成一个环形，形成4 对极，每个内磁极包括中间永磁体、左永磁体及右永磁体。
优选的，所述调磁环包括交错设置的调磁铁块及非导磁材料。
优选的，所述外转子包括外转子永磁体及外轭铁。
优选的，所述外轭铁由多个硅钢片叠压而成。
优选的，所述中间永磁体采用径向充磁，所述左永磁体与右永磁体分别为中间永磁体的径向顺时针偏移角度α与-α。
优选的，中间永磁体交错采用径向向内充磁与径向向外充磁。
优选的，根据权利要求4所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述外转子永磁体采用Halbach阵列。
优选的，所述外转子永磁体包括17个对极，每个对极包括4个永磁体，4个永 磁体的充磁方向按90°顺时针依次旋转。
优选的，所述内转子、调磁环及外转子均可自由转动。
本发明提供一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，与现有技术对比能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的非均匀气隙的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，相比于现 有的磁场调制型磁力齿轮结构，本发明外转子永磁体结构为Halbach阵列，利用了 Halbach混合极化磁场谐波含量少的优点，在低转矩波动的情况下实现了较高的转矩 密度；
(2)本发明提供的非均匀气隙的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，其内转子 永磁体结构为不均匀分段，此种结构整体减少了内转子永磁体用量，从而达到降低磁 力齿轮的成本的目的。相比于现有的磁场调制型磁力齿轮结构，本发明型一定程度上 提高了永磁体的利用率，且有更好的经济性。
(3)本发明提供的非均匀气隙的高转矩密度的磁场调制型磁力齿轮，外转子输 出转矩更大且内转子转矩脉动明显降低。相比于现有的磁力齿轮，本发明型的传动稳 定性更高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明内转子永磁体的结构示意图；
图3为本发明外转子永磁体的结构示意图；
图4为本发明内磁极的结构示意图。
具体实施方式
如图1-3中，一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，所述调磁环与内转子及外转子之间均设有气隙，所述内转子包括内 轭铁1和内转子永磁体2，所述内转子永磁体2的外侧边缘为波浪形结构。永磁体不 均匀分段结构减少永磁体用量降低制造成本。
优选的，所述内转子永磁体2包括8个内磁极2-4，8个内磁极2-4构成一个环 形，形成4对极，每个内磁极2-4包括中间永磁体2-1、左永磁体2-2及右永磁体2-3。
优选的，所述调磁环包括交错设置的调磁铁块3及非导磁材料4。结构上由调磁 块和内部连接桥组成，起到对内、外转子磁场极对数的调制作用。
优选的，所述外转子包括外转子永磁体5及外轭铁6。
优选的，所述外轭铁6由多个硅钢片叠压而成。
优选的，所述中间永磁体2-1采用径向充磁，所述左永磁体2-2与右永磁体2-3 分别为中间永磁体2-1的径向顺时针偏移角度α与-α。
优选的，中间永磁体2-1交错采用径向向内充磁与径向向外充磁。
优选的，根据权利要求4所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述外转子永磁体5采用Halbach阵列。
优选的，所述外转子永磁体5包括17个对极5-1，每个对极5-1包括4个永磁 体5-2，4个永磁体5-2的充磁方向按90°顺时针依次旋转。
优选的，所述内转子、调磁环及外转子均可自由转动。
其内转子永磁体为分段偏心正弦充磁而外转子永磁体为Halbach阵列充磁，构成Halbach-永磁体不均匀分段复合结构的磁力齿轮；其中，不均匀分段采用正弦充磁，Halbach阵列充磁是指由径向和切向交替组成的混合充磁结构。
Halbach阵列具有良好的正弦气隙磁通密度分布和自屏蔽磁化特性，可以在特定一侧空间建立更强大的磁场，有限元仿真结果也验证了这一效果；进而使得气隙处的 工作磁密幅值增大，从而增大传递转矩。
上述的磁场调制式磁力齿轮，外转子、内转子、调磁环三者中，任意固定三者 中的一个，旋转其他两个，可以构成不同的转动模式。
1)将永磁外转子固定，永磁内转子作为转矩输入轴、调制转子作为转矩输出轴；永磁内转子输入的高速低转矩经过该磁场调制型磁力齿轮后在调制转子输出低速高 转矩，实现输入与输出同方向的减速传动。
2)将永磁外转子固定，调制转子作为转矩输入轴，将永磁内转子作为转矩输出轴，实现输入与输出同方向的增速传动。
3)固定调制转子，将永磁体内转子作为转矩输入轴，将外定子旋转作为转矩输 出轴，实现输入与输出反方向的减速传动。
4)将永磁外定子作为转矩输入轴，永磁内转子作为转矩输出轴实现输入与输出反方向增速传动。
本发明设定内转子极对数为4，外转子极对数为17，调磁环铁心数为21。表1 给出了磁力齿轮模型参数。
表1磁力齿轮主要参数
如图4所示，本发明内转子为分段偏心永磁体结构，AB段与DE段圆心为O1偏心距为|OO1|，BCD段圆心为O2偏心距为|OO2|。内永磁体的厚度随着内转子位置 不同而不同，因此内层气隙长度也变得不均匀。
本实施例中，内转子包括由硅钢片叠成的内转子铁心和表贴式内转子永磁体；内永磁体为4对极，3块为一极6块为一对极，每一极中间大块永磁体均采用径向充磁， 左、右两边小块永磁体充磁方向分别为与中间大块永磁体的径向顺时针偏移角度α 与-α。较现有磁场调制型磁力齿轮本发明内永磁体用量更少，起到减少制作成本的作 用，达到永磁体更大利用率的目的。
外转子永磁体(5)为表贴式Halbach阵列，外定子铁心6由硅钢片叠压而成； 其中外转子永磁体是17对极，每一对极均分4块沿圆周环向分布，每一小块永磁体 充磁方向按90°顺时针依次旋转。
外转子永磁体极对数为Pl，内转子永磁体极对数为Pm，调磁铁块个数为Ns， 满足以下关系：
Ns＝Pl+Pm (1)
外转子、调磁环、内转子三者均可设置为自由旋转，内转子极对数Pm和转速Ωm， 外转子极对数Pl和转速Ωl，调磁环铁块数Ns和转速Ωs满足下式子：
NsΩs＝PlΩl+PmΩm (2)
在本实施例中，将该磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出同方向增速传动领域，可将调调磁环作为转矩输入轴，将内转子作为转矩输出轴，实现输入输出同方向增 速传动，同样的方法计算得到增速比为21/4＝5.25。
在本实施例中，将该磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出同方向减速传动领域，可将内转子作为转矩输入轴，将调磁环作为转矩输出轴，实现输入输出同方向减速 速传动，同样的方法计算得到减速比为21/4＝5.25。
在本实施例中，将该磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出反方向增速传动领域，可将外转子作为转矩输入轴，将内转子作为转矩输出轴，实现输入输出反方向增速 传动，同样的方法计算得到增速比为-17/4＝-4.25，负号表示输出和输出轴的旋转方 向相反。
在本实施例中，将该磁场调制型磁力齿轮应用于输入输出反方向减速传动领域，可将内转子作为转矩输入轴，将外转子作为转矩输出轴，实现输入输出反方向减速 传动，同样的方法计算得到减速比为-17/4＝-4.25，负号表示输出和输出轴的旋转方 向相反。
相比较传统表贴式磁力齿轮，在相同体积的情况下，内转子永磁体用量减少， 达到减少制造成本的目的；而另一方面，做反向减速传动平均输出转矩增加18.61％ 且转矩波动下降30.1％，做反向加速传动平均输出转矩增加18.71％且转矩波动下降 82.6％，在一定程度上提高了磁力齿轮传动可靠性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特 征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范 围之内。
Claims (10)
1.一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，由内至外依次包括内转子、调磁环及外转子，所述调磁环与内转子及外转子之间均设有气隙，所述内转子包括内轭铁(1)和内转子永磁体(2)，其特征在于：所述内转子永磁体(2)的外侧边缘为波浪形结构。
2.根据权利要求1所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述内转子永磁体(2)包括8个内磁极(2-4)，8个内磁极(2-4)构成一个环形，形成4对极，每个内磁极(2-4)包括中间永磁体(2-1)、左永磁体(2-2)及右永磁体(2-3)。
3.根据权利要求1所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述调磁环包括交错设置的调磁铁块(3)及非导磁材料(4)。
4.根据权利要求1所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述外转子包括外转子永磁体(5)及外轭铁(6)。
5.根据权利要求4所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述外轭铁(6)由多个硅钢片叠压而成。
6.根据权利要求2所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述中间永磁体(2-1)采用径向充磁，所述左永磁体(2-2)与右永磁体(2-3)分别为中间永磁体(2-1)的径向顺时针偏移角度α与-α。
7.根据权利要求6所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：中间永磁体(2-1)交错采用径向向内充磁与径向向外充磁。
8.根据权利要求4所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述外转子永磁体(5)采用Halbach阵列。
9.根据权利要求8所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述外转子永磁体(5)包括17个对极(5-1)，每个对极(5-1)包括4个永磁体(5-2)，4个永磁体(5-2)的充磁方向按90°顺时针依次旋转。
10.根据权利要求1所述一种非均匀气隙的高转矩密度磁力齿轮，其特征在于：所述内转子、调磁环及外转子均可自由转动。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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