一种高性能场调制磁齿轮的制作方法
【专利摘要】一种高性能场调制磁齿轮，包括调磁环、低速转子、高速转子和外壳；所述调磁环同轴心地固定安装在低速转子和高速转子的外部，调磁环的两侧端面分别与低速转子和高速转子的外侧端面对齐。调磁环与高、低速转子间设有径向气隙，高、低速转子轴向间设有间隙，从而保证高、低速转子自由旋转。本发明的磁齿轮具有转矩脉动小、传动稳定性好、转矩传递能力强、暂态响应快的特点。
【专利说明】
一种高性能场调制磁齿轮
技术领域
[0001]本发明涉及一种高性能场调制磁齿轮，属于齿轮传动的技术领域。
【背景技术】
[0002]与机械齿轮相比，磁齿轮利用磁场耦合作用进行转矩的传递，是一种非接触式变速传动装置，不存在噪声、震动、摩擦损耗以及润滑等问题，而且能够实现输入与输出之间的物理隔离，还具备过载自保护能力。近年来，随着高性能钕铁硼永磁材料的发展，新型磁齿轮拓扑结构的研究受到了越来越多的关注。
[0003]转矩传递能力和传动稳定性是评价磁齿轮性能的两个重要指标，相较于传统转换型磁齿轮，基于磁场调制原理工作的场调制型磁齿轮具有较高的转矩传递能力，是目前磁齿轮领域的研究热点。场调制型磁齿轮一般由高速转子、低速转子和调磁环构成，由于调磁环由等距间隔排列的导磁块构成，所以磁路磁导不均匀，而且高速转子的永磁体极对数较少，导致高速转子的转矩脉动较大，存在磁齿轮转矩传动不稳定的现象。同时，在实际应用中，当主动轮转速快速变化时，磁场耦合带动下的从动轮转速跟随滞后，往往会出现转速“失步”的情况。当前研究最多的同轴型场调制磁齿轮，静止的调磁环同轴布置在高、低速转子之间，导致磁齿轮加工制造困难且机械可靠性不高。
[0004]中国专利CN105141109公开的一种磁场调制型同轴磁齿轮、中国专利CN203979331公开的磁路结构改进的磁场调制式永磁齿轮、中国专利CN104333197公开的一种机电集成磁场调制型磁齿轮，上述专利公开的磁齿轮虽然能够实现较高的转矩传递能力，但是结构上均采用同轴设计，至少具有两层气隙，只能采用单边支撑方式固定转子，增加了加工难度，降低了机械可靠性，而且对于磁齿轮转矩脉动抑制以及改善传动稳定性方面并未提出结构上的技术改进措施；中国专利CN104682660公开的一种轴向磁场调制式磁性齿轮，虽然能够改善磁性齿轮的动态性能，但是内、外转子仅为由永磁体构成的环形部件，且为同轴心设置，结构复杂，加工难度大，机械可靠性低。因此，对具有机械可靠性高、转矩传递能力强，转矩脉动小，传动稳定性好的磁齿轮拓扑结构的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种高性能场调制磁齿轮。
[0006]本发明能够解决现有场调制型磁齿轮存在的转矩脉动大、传动稳定性差以及动态跟随性能差的问题。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]—种高性能场调制磁齿轮，包括调磁环、低速转子、高速转子和外壳;所述调磁环同轴心地固定安装在低速转子和高速转子的外部，调磁环的两侧端面分别与低速转子和高速转子的外侧端面对齐。
[0009]根据本发明优选的，所述低速转子和高速转子沿轴向同轴排列，之间设有轴向间隙;所述调磁环与低速转子、高速转子的外表面之间设有径向气隙。此处设计能够保证高、低速转子正常旋转。
[0010]根据本发明优选的，所述调磁环包括沿圆周方向、且呈等距间隔排列的多条相互平行的导磁条。
[0011]根据本发明优选的，所述低速转子为环形，包括低速转子铁芯和在所述低速转子铁芯表面等距间隔嵌设的低速转子永磁体，所述低速转子永磁体沿轴向倾斜。此处设计的优点在于，可以大大减小低速转子转矩脉动，提高磁齿轮转矩传动稳定性。为实现最佳性能，实际应用中，“斜极”倾斜角α需要进行优化设计。
[0012]根据本发明优选的，所述高速转子为V形永磁体内置式环形结构。
[0013]根据本发明优选的，所述高速转子包括高速转子铁芯、在所述高速转子铁芯内嵌设的V形高速转子永磁体和在所述高速转子铁芯内设置的转子导条。
[0014]根据本发明优选的，所述转子导条等距间隔插入设置在所述高速转子铁芯的每极铁芯内，所述转子导条通过位于高速转子两端的端环焊接成闭合导通的整体。该设计可以有效抑制转子转速振荡并降低磁齿轮的暂态响应时间。
[0015]根据本发明优选的，所述V形高速转子永磁体沿轴向倾斜，在所述高速转子铁芯内设置的转子导条也沿轴向倾斜。此处设计的优点在于，可以大大减小高速转子转矩脉动，提高磁齿轮转矩传动稳定性。
[0016]根据本发明优选的，所述外壳为环形，套设在所述调磁环的外部，用于固定所述调磁环;所述外壳与调磁环采用过盈方式装配。
[0017]根据本发明优选的，所述低速转子永磁体充磁方向相同，形成单极性结构。均沿径向往内或往外同向充磁，形成单极性结构，与所述低速转子永磁体相邻的低速转子铁芯充当另一极。与双极性永磁体表贴式结构相比，该设计可以在减少永磁体用量的情况下，仍能保持高转矩传递能力，从而有效降低了加工成本。
[0018]根据本发明优选的，所述V形高速转子永磁体沿与嵌入方向相垂直的方向充磁，且位于同一极下的V形高速转子永磁体的充磁方向相反。此设计形成聚磁式N-S磁极结构，Sp每极均由两块永磁体并联提供磁路，能够改善气隙磁密，从而可以大大提高磁齿轮的转矩传递能力。为了获得最优的转矩传递能力，实际应用中，还可对高速转子V形永磁体的放置角度以及尺寸参数进行优化设计。
[0019]根据本发明优选的，所述高速转子铁芯的每极铁芯为凸形结构。所述凸形结构是采用类似正弦曲线弧顶形状。该结构可以大大提高高速转子侧气隙磁密波形的正弦度，减小高速转子的转矩脉动，从而提高磁齿轮传动的稳定性。为了获得最优性能，实际应用中，可对该凸形结构形状进行具体优化设计。高速转子铁芯极采用的类似正弦曲线弧顶形状的凸形结构同样适用于诸如转子永磁体采用辐条嵌入式结构的磁齿轮设计。
[0020]根据本发明优选的，所述磁齿轮中，所述调磁环的轴向长度Ls、低速转子的轴向长度U、高速转子的轴向长度Lh、低速转子与高速转子之间的轴向间隙距离Lg2间满足以下关系:
[0021]Ls = Li+Lg+Lho
[0022]根据本发明优选的，所述磁齿轮中，所述低速转子永磁体的个数见、调磁环导磁条的个数NS、V形高速转子永磁体的个数Nh满足以下关系:
[0023]Nh=4X(Ns—Ni)。
[0024]根据本发明优选的，所述磁齿轮中，齿轮变速传动比Gr满足:
[0025]Gr = 4N1:Nh。
[0026]根据本发明优选的，所述调磁环的导磁条、低速转子铁芯、高速转子铁芯为硅钢叠片或其它导磁材料。其制备工艺与永磁同步电机的定转子铁芯制造工艺相同。
[0027]根据本发明优选的，所述低速转子永磁体、高速转子永磁体由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成。
[0028]根据本发明优选的，所述外壳为非导磁材料。具有一定机械强度，其加工工艺与电机外壳加工工艺相同。
[0029]根据本发明优选的，所述外壳为铝材质。
[0030]本发明的优势在于:
[0031]1.本发明的磁齿轮中，V形排列的高速转子永磁体内置于高速转子铁芯中，处于同一极下的高速转子永磁体充磁方向相反，能够产生聚磁效应，从而能大大提高磁齿轮的转矩传递能力。
[0032]2.本发明的磁齿轮中，高速转子每极铁芯采用类似正弦曲线弧顶形状的凸形结构，可以使高速转子侧气隙磁密波形更接近正弦波，有利于减小转子转矩脉动，从而能够提高磁齿轮的传动稳定性。
[0033]3.本发明的磁齿轮中，等距间隔插入高速转子每极铁芯内的转子导条，在主动轮转速突变时，能够感应出磁场，有效抑制从动轮的转速振荡，降低暂态响应时间，预防转速“失步”情况的发生。
[0034]4.本发明的磁齿轮中，低速转子永磁体等距间隔嵌入低速转子铁芯外表面，低速转子永磁体充磁方向相同，均沿径向往内或往外充磁，形成单极性结构，相邻低速转子永磁体之间的低速转子铁芯部分则充当另一极。与双极性永磁体表贴式结构相比，这种同极性表面嵌入式永磁体布置方式在不降低转矩传递能力的情况下，能够减少永磁体用量，从而降低了加工成本。
[0035]5.本发明的磁齿轮中，低速转子永磁体采用“斜极”结构，能够有效降低转子转矩脉动，从而提高磁齿轮传动的稳定性。
[0036]6.本发明的磁齿轮中，高、低速转子采用的永磁体嵌入式结构，与传统磁齿轮常用的转子永磁体表贴式结构相比，能够有效防止永磁体在转子旋转时发生脱落，进一步提高了磁齿轮的机械可靠性。
[0037]7.本发明的磁齿轮中，调磁环采用外置型结构，高、低速转子位于调磁环内部，且沿轴向分列两侧，与传统的同轴结构相比，所提磁齿轮运行可靠性更高，而且制造工艺简单、加工方便。
[0038]8.本发明能够获得理想的运行性能，有利于减小转子转矩脉动、提高磁齿轮传动的稳定性，而且能够改善转矩传递能力，同时提高了机械可靠性，降低了加工制作成本。
【附图说明】
[0039]图1为本发明的磁齿轮低速转子侧截面结构；
[0040]图2为本发明的磁齿轮高速转子侧截面结构；[0041 ]图3为本发明的磁齿轮低速转子的轴向结构示意图；
[0042]图4为传统的转子永磁体表贴式同轴磁齿轮截面结构；
[0043]图1-4中:1、调磁环；11、调磁环导磁条;2、低速转子;21、低速转子铁芯;22、低速转子永磁体;3、高速转子;31、高速转子铁芯;32、高速转子永磁体;33、转子导条;4、外壳;5、径向气隙;6、外气隙;7、内气隙;沿轴向倾斜的倾斜角α。图中箭头代表永磁体充磁方向。
【具体实施方式】
[0044]下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
[0045]如图1-4所示。
[0046]实施例1、
[0047]—种高性能场调制磁齿轮，包括调磁环1、低速转子2、高速转子3和外壳4;所述调磁环I同轴心地固定安装在低速转子2和高速转子3的外部，调磁环I的两侧端面分别与低速转子2和高速转子3的外侧端面对齐。
[0048]实施例2、
[0049]如实施例1所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述低速转子2和高速转子3沿轴向同轴排列，之间设有轴向间隙;所述调磁环I与低速转子2、高速转子3的外表面之间设有径向气隙5。
[0050]实施例3、
[0051]如实施例1、2所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述调磁环I包括沿圆周方向、且呈等距间隔排列的多条相互平行的导磁条11。
[0052]实施例4、
[0053]如实施例1-3所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述低速转子2为环形，包括低速转子铁芯21和在所述低速转子铁芯21表面等距间隔嵌设的低速转子永磁体22，所述低速转子永磁体22沿轴向倾斜。
[0054]实施例5、
[0055]如实施例1-4所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述高速转子3为V形永磁体内置式环形结构。所述高速转子3包括高速转子铁芯31、在所述高速转子铁芯31内嵌设的V形高速转子永磁体32和在所述高速转子铁芯31内设置的转子导条33。
[0056]所述转子导条33等距间隔插入设置在所述高速转子铁芯31的每极铁芯内，所述转子导条33通过位于高速转子3两端的端环焊接成闭合导通的整体。
[0057]实施例6、
[0058]如实施例5所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述V形高速转子永磁体32沿轴向倾斜，在所述高速转子铁芯31内设置的转子导条33也沿轴向倾斜。
[0059]实施例7、
[0060]如实施例1所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述外壳4为环形，套设在所述调磁环I的外部，用于固定所述调磁环I;所述外壳4与调磁环I采用过盈方式装配。所述低速转子永磁体22充磁方向相同，形成单极性结构。
[0061 ] 实施例8、
[0062]如实施例5所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述V形高速转子永磁体32沿与嵌入方向相垂直的方向充磁，且位于同一极下的V形高速转子永磁体32的充磁方向相反。
[0063]所述高速转子铁芯31的每极铁芯为凸形结构。
[0064]实施例9、
[0065]如实施例1-8所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述磁齿轮中，所述调磁环的轴向长度Ls、低速转子的轴向长度L1、高速转子的轴向长度Lh、低速转子与高速转子之间的轴向间隙距离1^之间满足以下关系:
[0066]Ls = Li+Lg+Lho
[0067]所述磁齿轮中，所述低速转子永磁体的个数N1、调磁环导磁条的个数Ns、V形高速转子永磁体的个数Nh满足以下关系:
[0068]Nh=4X(Ns-Ni)o
[0069]所述磁齿轮中，齿轮变速传动比Gr满足:
[0070]Gr = 4N1:Nh。
[0071]实施例10、
[0072]如实施例1-9所述的一种高性能场调制磁齿轮，其区别在于，所述调磁环的导磁条、低速转子铁芯、高速转子铁芯为硅钢叠片或其它导磁材料。
[OO73 ]所述低速转子永磁体、高速转子永磁体由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成。
[0074]所述外壳为非导磁材料。优选的，所述外壳为铝材质。
[0075]本发明中调磁环I的磁场调制功能，能够将低速转子永磁体22、高速转子永磁体32产生的永磁磁场在径向气隙内调制产生一系列空间谐波磁场，当高速转子永磁体32、低速转子永磁体2 2产生的极对数等于其中任意一个谐波磁场的极对数时，通过磁场親合作用，磁齿轮就能够实现稳定的转矩传递。为了实现变速传动的效果以及最优的转矩传递能力，所述的低速转子永磁体22的个数N1、调磁环导磁条11的个数Ns、高速转子永磁体32的个数Nh应满足以下关系:
[0076]Nh=4X (Ns-Ni) (I)
[0077]此时，所述磁齿轮高、低速转子旋转速度比满足:
[0078]Qh: ω i = 4N1:Nh (2)
[0079]coh、ω i分别为所述磁齿轮高、低速转子旋转角速度。对应地，所述磁齿轮能够实现的变速传动比Gr为:
[0080]Gr = 4N1:Nh (3)
[0081]与图4所示的传统同轴磁齿轮相比，本发明涉及的磁齿轮整体为外静止调磁环、内转子结构，完全可以借鉴现有外定子、内转子型永磁无刷电机的加工和装配方法进行制作，加工方便、机械可靠性更高。同时，高速转子V形嵌入式永磁体结构、高速转子每极铁芯采用的类似正弦曲线弧顶形状的凸形结构、高速转子铁芯内插入的导条、低速转子永磁体采用的“斜极”结构，上述诸多措施均有利于提高磁齿轮的性能，使之具有转矩脉动小、转矩传递能力强、传动稳定性好、暂态响应快的优势。本发明所涉及磁齿轮结构设计更加合理、制造成本更低、性能更加优越，是一种性价比较高的高性能场调制磁齿轮。
【主权项】
1.一种高性能场调制磁齿轮，包括调磁环、低速转子、高速转子和外壳;其特征在于，所述调磁环同轴心地固定安装在低速转子和高速转子的外部，调磁环的两侧端面分别与低速转子和高速转子的外侧端面对齐。2.根据权利要求1所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述低速转子和高速转子沿轴向同轴排列，之间设有轴向间隙;所述调磁环与低速转子、高速转子的外表面之间设有径向气隙。3.根据权利要求2所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述调磁环包括沿圆周方向、且呈等距间隔排列的多条相互平行的导磁条。4.根据权利要求3所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述低速转子为环形，包括低速转子铁芯和在所述低速转子铁芯表面等距间隔嵌设的低速转子永磁体，所述低速转子永磁体沿轴向倾斜。5.根据权利要求4所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述高速转子为V形永磁体内置式环形结构;所述高速转子包括高速转子铁芯、在所述高速转子铁芯内嵌设的V形高速转子永磁体和在所述高速转子铁芯内设置的转子导条;所述转子导条等距间隔插入设置在所述高速转子铁芯的每极铁芯内，所述转子导条通过位于高速转子两端的端环焊接成闭合导通的整体。6.根据权利要求5所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述V形高速转子永磁体沿轴向倾斜，在所述高速转子铁芯内设置的转子导条也沿轴向倾斜。7.根据权利要求1所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述外壳为环形，套设在所述调磁环的外部，用于固定所述调磁环;所述外壳与调磁环采用过盈方式装配。8.根据权利要求5所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述低速转子永磁体充磁方向相同，形成单极性结构；所述V形高速转子永磁体沿与嵌入方向相垂直的方向充磁，且位于同一极下的V形高速转子永磁体的充磁方向相反;优选的，所述高速转子铁芯的每极铁芯为凸形结构。9.根据权利要求5所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述磁齿轮中，所述调磁环的轴向长度Ls、低速转子的轴向长度L1、高速转子的轴向长度Lh、低速转子与高速转子之间的轴向间隙距离1^之间满足以下关系:Ls — Li+Lg+Lh ； 优选的，所述磁齿轮中，所述低速转子永磁体的个数见、调磁环导磁条的个数NS、V形高速转子永磁体的个数Nh满足以下关系: Nh = 4X (Ns-Ni); 优选的，所述磁齿轮中，齿轮变速传动比Gr满足:Gr = 4N1:Nho10.根据权利要求5所述的一种高性能场调制磁齿轮，其特征在于，所述调磁环的导磁条、低速转子铁芯、高速转子铁芯为硅钢叠片或其它导磁材料； 优选的，所述低速转子永磁体、高速转子永磁体由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成； 优选的，所述外壳为非导磁材料;优选的，所述外壳为铝材质。
【文档编号】H02K51/00GK105915024SQ201610369559
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】李祥林, 刘圣炜, 王永军
【申请人】中国石油大学(华东)