CN110752735B - 一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械工程中的传动技术领域，具体是一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮。其由主动盘总成、从动盘总成和聚磁型调磁装置总成组成，其特征在于：聚磁型调磁装置的调磁块采用侧边1/2周期正弦以及近似等腰梯形截面的结构，结合配合安装的机械结构，增强磁力齿轮的可靠性。根据调磁块基体材料不同，可选择不同的连接方式。为防止端部漏磁，增加了横向软磁材料，调磁装置同时实现调磁与聚磁效果，改善调磁性能，提高聚磁能力。主动盘与从动盘的永磁体均采用90°Halbach排布或紧密排布等磁能密度较高的排布方式。本发明通过对调磁装置结构与永磁体排布的设计，增强了磁力齿轮的转矩密度，使其广泛应用于高转矩的工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程中的传动技术领域，是一种非接触式连接的磁力齿轮，具体是一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮。它可应用于高转矩和高低速传动的非接触变速***。
背景技术
在工业生产中，机械齿轮由于其具有固定的传动比、适用的速度和负载范围广、寿命长等优点被广泛运用到各个传动***中，但是机械齿轮传动过程中振动和噪音较大，齿轮相互接触磨损较严重，并且机械齿轮不具备过载保护作用，这些缺点会降低机械齿轮的传动性能，限制其在某些特定的工作环境下的使用。随着现代科技的发展和永磁材料性能的提升，许多学者提出了使用磁力齿轮结构代替传统机械齿轮的解决方案。
磁力齿轮是通过磁耦合力相吸相斥达到传动的目的，通过气隙中磁场耦合作用实现力和转矩的无接触传递，与传统的机械齿轮相比，具有无接触式传动、过载保护作用和传动效率高的优点。高性能磁力齿轮引入了调磁极片，内、外转子中的永磁体经过调磁极片的调制作用，在内、外气隙中产生与转子永磁体磁极对数相等的谐波磁场，提高了永磁体的利用率，从而大大增加了磁力齿轮的传动效率。
江苏大学在发明专利201710461909.0中公开了一种应用侧边正弦调磁装置的气隙可调式磁力齿轮，在筒式磁力齿轮上应用了调磁块的侧边正弦结构，其调磁块应用的1/2周期的正弦曲线在轴向上是变化的，在气隙调节过程中，1/2周期的正弦曲线起到的调制效果不同。其永磁体端部未采取聚磁方式，会产生较多的漏磁，且未考虑通过改变永磁体的排布方式来实现磁力齿轮的高转矩密度传动。
IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.51,NO.11,NOVEMBER 2015中的A NovelMagnetic Gear:Toward a Higher Torque Density公开了一种可以轴向聚磁和横向聚磁的高密度磁力齿轮的理论模型，其中的轴向聚磁部分为有一定厚度的扇环，横向聚磁部分的截面也为扇环，在工作过程中易被永磁盘间的轴向力吸出或被巨大的离心力甩出磁力齿轮，且其未指出调磁块的具体材料选择及成型方法以及用于支撑该调磁块的具体结构。
发明内容
本发明为克服目前磁力齿轮应用中的永磁体磁能利用不充分、调磁块结构无法满足工作要求、磁力齿轮的漏磁等缺陷，在永磁体端部增加了采用软磁材料的聚磁部分，调磁块调磁部分侧边采用1/2周期正弦曲线，聚磁部分采用近似等腰梯形截面，结合高磁能密度的永磁体排布方式，提出了一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮。
一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮由主动盘总成、从动盘总成和调磁装置总成组成，调磁装置总成安装在主动盘总成、从动盘总成之间，调磁装置总成包括调磁块、调磁块托盘、调磁块支架和端盖，调磁块由调磁块托盘与调磁块支架配合安装，端盖与调磁块托盘通过铆钉连接，将调磁块完全固定，从动盘总成包括从动轴、从动轴套筒、从动盘基体、从动盘永磁体和螺钉，从动轴左端与从动轴套筒通过键连接，从动轴套筒左侧通过螺钉连接从动盘基体，从动盘永磁体采用紧密排布在从动盘基体上贴面安装，主动盘总成包括主动轴、主动轴套筒、主动盘基体、主动盘永磁体和螺钉，其安装方式与从动盘相同。
调磁块的数目为ns，ns等于主动盘极对数P1与从动盘极对数P2之和。
调磁装置中的调磁块的轴向的软磁材料部分通过集中磁感线实现磁场调制的作用，调磁块增加的横向软磁材料部分通过集中磁感线，有效减弱永磁体端部的漏磁，形成聚磁型的调磁块，同时达到磁场调制与增强齿轮的转矩密度的目的。调磁块的轴向部分为调磁部分，横向部分为聚磁部分。调磁部分的侧边为1/2周期正弦曲线，改善调磁效果，结合聚磁部分的近似等腰梯形截面结构，与调磁块托盘、支架等配合安装，增强调磁装置的可靠性。
本发明还包括：调磁块的调磁部分的厚度为ht与调磁块托盘的厚度相同，其侧边为1/2周期的正弦曲线的表达式为y＝Asinωx，调磁块托盘的齿槽侧边采用与调磁块侧边相配合的1/2周期的正弦曲线。增加盘式齿轮调磁块的聚磁部分，聚磁部分的长度为0或L。聚磁部分的长度为0，调磁装置仅有调磁部分。聚磁部分长度为L时，主动盘与从动盘永磁体的厚度均为h,主动盘基体和从动盘基体的厚度均为hfe，调磁块托盘的厚度为ht，考虑调磁块的强度，一般取 L≥2(hfe+h)+ht，此时调磁块同时实现调磁和聚磁效果。
横向聚磁部分长度为0时，调磁块支架采用半封闭形式，可以对磁感线起到一定的隔离作用，减少漏磁，调磁装置由调磁块托盘、调磁块支架和调磁块三部分组成，调磁块托盘与调磁块支架连接，固定调磁块。调磁块聚磁部分长度为L 时，调磁装置由调磁块托盘、调磁块支架、端盖和调磁块四部分组成，调磁块托盘齿槽与调磁块调磁部分的侧边配合安装，调磁块支架的齿槽采用近似等腰梯形截面与调磁块聚磁部分配合安装，端盖侧边有与调磁块支架凹槽相配合的截面为近似等腰梯形凸台。
调磁装置的基体包括调磁块托盘、调磁块支架和端盖，采用相同的材料，基体材料为环氧树脂、尼龙材料或奥氏体不锈钢等非导磁材料，调磁块支架、调磁块托盘以及端盖之间通过沉头铆钉连接或焊接方法连接。
调磁块聚磁部分长度为L时，调磁装置可以同时实现调磁和聚磁效果，其调磁块材料为改进铁氧体或其他软磁材料，采用3D打印技术或浇铸技术制造，聚磁部分采用近似等腰梯形截面，增强了调磁块的强度可靠性。主动盘基体与从动盘基体上的的永磁体均采用90°Halbach形式紧密排布，利用Halbach阵列的单边聚磁特性增强该磁力齿轮工作气隙的磁场强度。调磁块支架卡槽侧边截面的近似等腰梯形、调磁块聚磁部分截面的近似等腰梯形下底角均为α，α在60°～75°之间。
本发明的优点：本发明的调磁块具有调磁部分和聚磁部分两个部分，结合永磁体的聚磁排布方式，同时实现调磁与聚磁作用。调磁块的轴向聚磁部分侧边采用1/2正弦曲线，横向部分采用近似等腰梯形截面，通过自身结构提高了调磁装置的结构强度，避免使用连接桥增加强度，减小了涡流损耗。调磁块支架采用半封闭式，可以减少漏磁，提高永磁体的利用效率。调磁块支架与调磁块之间采用结构配合与机械连接两种固定方式，增强了调磁装置的稳定性。且采用盘式结构，调节气隙的同时，使侧边1/2周期正弦曲线对磁场调制的优化效果保持一致。可以根据不同场合选用不同材料与连接方式的聚磁部分为0或L的调磁块，满足转矩密度要求高的不同工作情况的要求。
附图说明
以下结合附图及实施例对发明作进一步说明
图1为应用一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮的总成示意图。
图2为实施例聚磁部分为0时总体三维结构的1/4剖面图。
图3为实施例的调磁块托盘三维结构图。
图4为实施例聚磁部分为0的铁氧体等材料的单个调磁块的三维结构图。
图5为实施例聚磁部分为0的硅钢片材料的单个调磁块的三维结构图。
图6为实施例聚磁部分为0的调磁块支架的三维结构图。
图7为实施例聚磁部分为0的调磁装置总成的三维结构图。
图8为实施例聚磁部分为L的单个调磁块的三维结构图。
图9为实施例聚磁部分为L的调磁块与调磁块托盘配合安装的三维结构图。
图10为实施例聚磁部分为L的调磁块支架三维结构图。
图11为实施例聚磁部分为L的端盖的三维结构图。
图12为实施例聚磁部分为L的调磁装置总成结构图。
图13为实施例的主动盘与从动盘永磁体的Halbach排布示意图。
图14为实施例的主动盘与从动盘永磁体的紧密排布示意图。
图15为调磁部分的侧边1/2个周期的正弦曲线。
图16为聚磁部分近似等腰梯形截面的示意图。
图17为实施例聚磁部分为L时总体三维结构的1/4剖面图。
聚磁部分为0时：1—主动轴 2—主动轴套筒 3—主动盘基体 4—主动盘永磁体5—调磁块 6—从动盘永磁体 7—从动轴 8—从动轴套筒 9—从动盘基体 10—调磁块托盘 11—铆钉 12—调磁块支架
聚磁部分为L时：1—主动轴 2—主动轴套筒 3—主动盘基体 4—主动盘永磁体6—从动盘永磁体 7—从动轴 8—从动轴套筒 9—从动盘基体 10—调磁块托盘 13—调磁块支架 14—调磁块 15—端盖 16—铆钉
具体实施方式
如图1所示，一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮，由主动盘总成I、调磁装置总成II和从动盘总成III组成。
主动盘总成包括主动轴1、主动轴套筒2、主动盘基体3、永磁体4和螺钉，主动轴右端与主动轴套筒通过键连接，主动轴套筒右侧通过螺钉连接主动盘基体 3，主动盘永磁体4采用紧密排布，即永磁体之间的间隙为零，在主动盘基体3 上贴面安装，从动盘总成包括从动轴7、从动轴套筒8、从动盘基体9、从动盘永磁体6和螺钉，从动轴7左端与从动轴套筒8通过键连接，从动轴套筒8左侧通过螺钉连接从动盘基体9，从动盘永磁体6也采用紧密排布，在从动盘基体9 上贴面安装。
聚磁部分为0时，即调磁块无聚磁部分，调磁装置总成包括调磁块5、调磁块托盘10、调磁块支架12和铆钉11，令调磁块5的侧边1/2周期正弦曲线与调磁块托盘10卡槽的侧边1/2周期外凸形正弦曲线重合，以使调磁块5与调磁块托盘10配合安装，调磁块支架12与调磁快托盘10通过铆钉11连接，将调磁块 5包围起来完全固定。工作时，主动盘基体3转动，主动盘基体3上的主动盘永磁体4产生磁场，利用调磁块5磁导率较高的性能，调制主动盘基体3产生的磁场，调制好的磁场具有的谐波与从动盘基体9上的从动盘永磁体6产生的磁场相互作用，带动从动盘转动。
磁部分长度为L时，调磁装置总成包括调磁块14、调磁块托盘10、调磁块支架13、端盖15和铆钉16，令调磁块14调磁部分的的侧边1/2周期正弦曲线与调磁块托盘10卡槽的侧边外凸形1/2周期正弦曲线重合，调磁块14聚磁部分的近似等腰梯形面与调磁块支架13凹槽底部的近似等腰梯形面重合，调磁块支架13与端盖15通过铆钉16连接，将调磁块14包围起来完全固定。如调磁块基体材料为不锈钢等金属非导磁材料，可采用焊接方法。工作时主动盘基体3转动，主动盘基体3上的主动盘永磁体4产生磁场，利用调磁块14磁导率较高的性能，调磁块的调磁部分调制主动盘基体3产生的磁场，调制好的磁场具有的谐波与从动盘基体9上从动盘永磁体6产生的磁场相互作用，带动从动盘基体9转动，与此同时，调磁块14的聚磁部分得益于其较高的磁导率，遏制磁漏，增强主动盘基体3与从动盘之间基体9的磁场密度。
调磁装置中调磁块5和调磁块14的轴向聚磁部分侧边采用1/2周期的正弦曲线结构，调磁块托盘10的齿槽缝隙，侧边采用与轴向聚磁部分侧边互补的1/2 周期正弦曲线，增加了调磁块5或调磁块14与调磁块托盘10的接触面积，很大程度克服轴向力引起的位移，光滑曲线减小了连接桥的产生，增强了调磁装置的强度和刚度。聚磁部分采用近似等腰梯形截面，其与等腰梯形的不同之处在于上下底边为圆弧，以其侧边作近似等腰梯形，下底角为α，增加了调磁块14与调磁块支架13之间的接触面积，较好的克服径向力引起的位移，进一步增加调磁装置的强度和刚度。
调磁块5可采用硅钢片或铁氧体材料，通过片状堆叠或浇铸成型来加工，调磁块14采用改进铁氧体或铁基非晶合金等改进的软磁材料，通过浇铸或3D打印技术加工成型，克服了传统加工方法无法加工复杂形状的铁氧体的障碍。同时，调磁块自身的结构设计一定程度上克服了3D打印强度不足的缺陷。调磁块支架、调磁块托盘与端盖采用非导磁材料，如尼龙、塑料、环氧树脂与不锈钢。调磁块支架12和13与调磁块托盘10形成杯型结构，减少了漏磁，增强聚磁性，提高了永磁体的利用率。
Claims (5)
1.一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮，包括主动盘总成、从动盘总成，从动盘总成包括从动轴、从动轴套筒、从动盘基体、从动盘永磁体和螺钉，从动轴左端与从动轴套筒通过键连接，从动轴套筒左侧通过螺钉连接从动盘基体，从动盘永磁体采用紧密排布，在从动盘基体上贴面安装；主动盘总成包括主动轴、主动轴套筒、主动盘基体、主动盘永磁体和螺钉，主动轴右端与主动轴套筒通过键连接，主动轴套筒右侧通过螺钉连接主动盘基体，主动盘永磁体采用紧密排布，在主动盘基体上贴面安装，其特征在于，调磁装置总成安装在主动盘总成、从动盘总成之间，调磁装置总成包括调磁块、调磁块托盘、调磁块支架和端盖，调磁块由调磁块托盘与调磁块支架配合安装，端盖与调磁块托盘连接，将调磁块完全固定；调磁块的调磁部分的厚度为ht与调磁块托盘的厚度相同，其侧边为1/2周期的正弦曲线的表达式为y＝Asinωx，调磁块托盘的齿槽侧边采用与调磁块侧边相配合的1/2周期的正弦曲线；聚磁部分长度为L时，主动盘与从动盘永磁体的厚度均为h,主动盘基体和从动盘基体的厚度均为hfe，调磁块托盘的厚度为ht，考虑调磁块的强度，取L≥2(hfe+h)+ht，此时调磁块同时实现调磁和聚磁效果；调磁块支架卡槽侧边截面的近似等腰梯形、调磁块聚磁部分截面的近似等腰梯形下底角均为α，α在60°～75°之间。
2.如权利要求1所述的一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮，其特征在于，调磁装置中的调磁块的轴向的软磁材料部分通过集中磁感线实现磁场调制的作用，调磁块增加的横向软磁材料部分通过集中磁感线，有效减弱永磁体端部的漏磁，形成聚磁型的调磁块，同时达到磁场调制与增强齿轮的转矩密度的目的；调磁块的轴向部分为调磁部分，横向部分为聚磁部分；调磁部分的侧边为1/2周期正弦曲线，改善调磁效果；聚磁部分采用近似等腰梯形截面结构，其与等腰梯形的不同之处在于上下底边为圆弧，以其侧边作近似等腰梯形，下底角为α，增加了调磁块与调磁块支架之间的接触面积，调磁块托盘齿槽与调磁块调磁部分的侧边配合安装，调磁块支架的齿槽采用近似等腰梯形截面与调磁块聚磁部分配合安装，端盖侧边有与调磁块支架凹槽相配合的截面为近似等腰梯形凸台，增强调磁装置的可靠性；调磁块材料为改进铁氧体或其他软磁材料，采用3D打印技术或浇铸技术制造。
3.如权利要求1所述的一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮，其特征在于，主动盘基体与从动盘基体上的永磁体均采用90°Halbach形式紧密排布，利用Halbach阵列的单边聚磁特性增强该磁力齿轮工作气隙的磁场强度。
4.如权利要求1所述的一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮，其特征在于，调磁块的数目为ns，ns等于主动盘极对数P1与从动盘极对数P2之和。
5.如权利要求1所述的一种应用聚磁型调磁装置的盘式磁力齿轮，其特征在于，调磁装置的基体包括调磁块托盘、调磁块支架和端盖，基体材料为环氧树脂、尼龙材料或奥氏体不锈钢非导磁材料，调磁块支架、调磁块托盘以及端盖之间通过沉头铆钉连接或焊接方法连接。
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