专利名称：径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副的制作方法
径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副技术领域
本发明是一种径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副,是一种利用磁性齿轮传动技术来实现高转速低力矩机械能与低转速大力矩机械能相互转换的变速传动装置，可直接取代常规的机械齿轮传动变速系统，广泛应用于风力发电、水力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。
背景技术：
在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与高转速低力矩机械能的相互转换，比如:风力发电和水力发电领域需要将极低转速且可变的风能、水的势能转换成高转速的发电用机械动能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将驱动电机的高速机械功率变换成转速很低而力矩很大的机械功率。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，现有公知的普遍方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，长期以来机械齿轮传动技术的基本形式没有变化，即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进行传动。这就给齿轮传动带来了一些不可消除的问题，如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音等，尽管可以采用油脂润滑技术，但以上问题依旧无法根除，导致使用维护极其繁琐，而且机械式齿轮传动的理论效率最多也只能达到85%，而常规高变速比的机械齿轮变速系统传动效率更低、噪声更大、可靠性很差，整个传动系统体积大。固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需要在更宽转速范围的多级、分档调速机构结构复杂，无法适应越来越多的无级变速的传动技术要求。
我国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，大力发展稀土材料的应用对我国有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁材料在电驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的各类电机产品，其单位体积材料传送的力矩密度大，能源利用效率高而能耗小，显示出其稀土材料巨大的优越性。
近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破,2004年英国工程师从理论和样机的具体实践上完成了一种新型径向磁场磁性齿轮的设计工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点，这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域；本案发明人在之前的多项专利申请案(201110142746.2,201120177813.X,201110170001.7,201120210494.8及201120327120.4)中也分别首次提出了新型横向磁场结构和斜向磁场结构的磁性传动齿轮副新结构以及其具体应用结构。以上提出的关于磁性齿轮各种新结构方案都有一个共同特点，即都是采用磁场调制原理来对主动轮和从动轮的不同极数的永久磁场进行调制，具体在结构上的方法就是在主动轮和从动轮之间加设了一个具有定向定数的导磁栅铁心做导磁极，从而有目的地隔离两个不同极数的传动轮。但是，这种基于磁场调制技术而设计的磁性齿轮从理论原理到结构方案上存在两大致命的不足:第一，从理论上看，起磁场调制作用的导磁栅铁心极(齿)数必须满足约束条件，从而导致磁性齿轮在运转传动的任意时刻都只有不到一半的永磁体处于相互磁场耦合的工作状态，有一半以上的永磁体磁极处于闲置的非耦合状态，即稀土永磁体的利用率理论上就低于50% ;第二，从结构上看，加设导磁栅铁心必然使磁性齿轮副具有了两个气隙，将必然消耗稀土永磁体的大量磁动势，根据稀土磁材的退磁特性可知:如果不加厚磁极厚度则必然导致处于耦合工作状态的永磁体磁通量降低，从而影响所传递的扭矩大小。这两大缺陷导致基于磁场调制技术的磁性齿轮所耗用的昂贵稀土材料的量相对比较大。所以，要降低磁性齿轮传动技术的成本，就必须从原理上突破磁场调制技术的理论约束，并且从结构设计上跳出双气隙的结构制约。
在近期，本案发明人也提出了一种新型径向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副(201110355864.1和201120444409.4)，这种磁性齿轮副是利用两个传动轮副上的两种不同极数的永久磁场相互作用、相互耦合来达到传递力矩和变速传动的目的，实际上这是一种类似于同步电机磁场的同步驱动变速的概念，截止目前为止国内外均还没有人提出过利用交流异步电机的感应式原理来改进少极差磁性传动偏心齿轮副的工作原理和具体应用结构，而这样的技术和结构的发明对于减少昂贵的稀土永磁材料的消耗却恰恰具有重要的现实意义。发明内容
针对现有机械式齿轮传动技术存在的问题以及目前公知的、基于磁场调制技术的磁性传动齿轮副的两大致命缺陷，本技术发明的目的在于提供一种径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副新结构。本发明的基本构思是，借鉴机械齿轮传动领域的新型少齿差行星齿轮传动的原理以及公知的感应式交流异步电机的旋转磁场理论，将输入给偏心结构的行星轮的公转通过永磁体磁场与行星转子内的鼠笼绕组导体感应电流耦合原理来实现行星转子的反向异步自转，经孔销式输出结构将行星轮自转输出，从而实现了无机械接触、无摩擦的动力变速传动。
以下结合
图1来说明这种径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副的原理及结构特征，图中:项I为定子永磁体，项2为鼠笼绕组导体，项3为偏心输入轴，项4为前端盖，项5为行星转子铁芯,项6为机壳,项7为销轴,项8为转动盘，项9为轴承一,项10为输出轴，项11为后端盖，项12为轴承二,项13为轴承三,项14为轴承四,项15为导电端环；图中符号标识:N表示极性为N的永磁体，S表示极性为S的永磁体，a表示行星转子铁芯5与机壳6的偏心距，D1表不定子内径，D2表不行星转子外径，Ii1 > T1表不偏心输入轴3的输入转速和输入力矩，n2、T2表示输出轴10的输出转速和输出力矩Jp1表示定子永磁体I的分布极数，Z2表示行星转子内的鼠笼绕组导体2的分布数量，d。表示销轴7的外径，Dh表示行星转子铁芯5上的销轴孔的内径，i2表示行星转子内鼠笼绕组导体2中的感应电流。
从图1可知,径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副的工作原理与机械式的K-H-V型少齿差行星齿轮类似:偏心输入轴3通过行星转子铁芯5带动行星转子内的鼠笼绕组导体2以转速Ill绕旋转轴线公转，偏心公转的Z2个鼠笼绕组导体2与定子永磁体I的永久磁场产生相互运动并在导体内感应出电流i2，流过电流i2的导体又将受到径向气隙磁场的作用而产生与公转方向反向的力矩，该力矩驱使行星转子绕自身轴线以转速H2反向自转，再通过孔销式输出结构将行星轮盘的低速自转输出。从图1可知:第一，该结构从理论上突破了磁场调制技术的约束，取消了导磁栅铁心，两轮盘上的磁场呈少极差特征，通过少极差耦合把基于磁场调制技术的磁性齿轮小于50%的磁场耦合面积提高到了 80%以上，理论上可以达到90% ;第二，采用平面的径向磁场单气隙结构，比磁场调制技术的磁性齿轮减少一个气隙，从而在达到相同磁通量的条件下可大大减小永磁体的厚度；第三，比专利申请案(201110355864.1和201120444409.4)提出的原理和结构更进一步，使少极差传动的气隙磁场耦合面积提高了至少10%以上，而且稀土永磁体耗用量减少一半。
径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副的结构特征是:
—、径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副:由机壳6和其内圆上分布的2Pl个定子永磁体I所组成的定子、由行星转子铁芯5和其外圆周铁芯槽内均布的Z2个鼠笼绕组导体2所组成的行星转子、以及偏心输入轴3、轴承二 12、轴承三13构成一对异步感应式磁性传动齿轮副，永久磁场通过定子与行星转子之间的径向偏心气隙而相互耦合，形成磁性传动齿轮副的偏心径向磁场；定子永磁体I的分布极数Zp1与行星转子鼠笼绕组导体2的分布数Z2之间数差较小，极对数P1和Z2为正整数对，并满足以下关系约束:
2Pl > Z2，且 I 彡 2p「Z2 < 4 ;
二、径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副的定子与行星转子呈偏心分布结构，由套装有轴承二 12、轴承三13的偏心输入轴3将定子与少极差的行星转子连接成偏心结构；其中，行星转子铁芯5与机壳6的偏心距a、定子内径D1、行星转子外径D2、以及定子极数2Pl和鼠笼绕组导体数Z2满足以下结构关系式约束:
权利要求
1.径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副，其特征是: 一、径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副:由机壳(6)和其内圆上分布的2Pl个定子永磁体(I)所组成的定子、由行星转子铁芯(5)和其外圆周铁芯槽内均布的Z2个鼠笼绕组导体(2)所组成的行星转子、以及偏心输入轴(3)、轴承二(12)、轴承三(13)构成一对异步感应式磁性传动齿轮副，永久磁场通过定子与行星转子之间的径向偏心气隙而相互稱合，形成磁性传动齿轮副的偏心径向磁场；定子永磁体(I)的分布极数Zp1与行星转子鼠笼绕组导体(2)的分布数Z2之间数差较小，极对数P1和Z2为正整数对，并满足以下关系约束:2p1 > Z2，且1≤ 2p-Z2 < 4 ； 二、径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副的定子与行星转子呈偏心分布结构，由套装有轴承二(12)、轴承三(13)的偏心输入轴(3)将定子与少极差的行星转子连接成偏心结构；其中，行星转子铁芯(5)与机壳(6)的偏心距a、定子内SD1、行星转子外径D2,以及定子极数2Pl和鼠笼绕组导体数Z2满足以下结构关系式约束:
2.根据权利要求1所述的一种径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副，其特征是:偏心且绕旋转中心轴线公转的行星转子是主动轮，它由Z2个鼠笼绕组导体(2)和在铁芯两端短接导体的导电端环(15)所组成的鼠笼绕组、外圆周均布有Z2个鼠笼绕组导体槽的行星转子铁芯(5)组成；行星转子鼠笼绕组导体(2)及导电端环(15)用导电材料铜/或铝质材料制成，Z2个导体沿圆周均布于行星转子铁芯(5)的Z2个导体槽中，两端被导电端环(15)短路连接——铜质材料采用铜焊连接、铝质材料采用压力铸铝工艺成一整体；行星转子铁芯(5)由导磁的硅钢板经常规的冲压加工成冲片形，并经过叠压铆焊成整体铁芯，在冲片圆周方向开设有均布的Z2个导体槽，Z2个导体槽在圆周均匀分布，在行星转子铁芯(5)的导体槽与轴孔之间均布有插入销轴(7)的销轴孔。
3.根据权利要求1所述的一种径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副，其特征是:驱使偏心且绕旋转中心轴线公转的行星转子同时产生自转的从动机构是定子，它由Zp1个定子永磁体(I)、机壳(6)组成；定子永磁体(I)用公知的永磁材料制成瓦片形的磁体结构，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于机壳(6)的内圆孔的圆弧面上，机壳(6)由导磁的钢板经常规的机械切削加工制成。
4.根据权利要求1所述的一种径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副，其特征是:输出机构采用孔销轴式输出行星转子的自转，由销轴(7)、转动盘(8)、输出轴(10)、轴承一(9)、轴承四(14)组成，插入行星转子铁芯(5)磁轭部位均布销孔的销轴(7)通过轴承四(14)与转动盘(8)连接，为滚动摩擦结构；与转动盘(8)相连的输出轴(10)通过轴承一(9)与 后端盖(11)定位并连接。
全文摘要
径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副，可广泛应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动等工业传动领域。其特征是由机壳6的内孔分布有2p1个定子永磁体1的定子、行星转子铁芯5外圆周均布槽中分布有Z2个鼠笼绕组导体2的行星转子构成一对径向磁场的磁性传动齿轮副，2p1与Z2之间数差较小，并由装有轴承二12、轴承三13的偏心输入轴3将少极差的两磁齿轮副连接成偏心结构，偏心输入轴3带动行星转子以转速n1绕轴线公转，其上的Z2个鼠笼绕组导体与气隙永久磁场产生相对运动并在导体内感应出电流i2且受到气隙磁场的作用而产生自转力矩，驱使行星转子绕自身轴线以转速n2反向低速自转，通过孔销式输出结构将自转输出。
文档编号F16H49/00GK103104674SQ20111035787
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月13日 优先权日2011年11月13日
发明者余虹锦 申请人:余虹锦