一种Halbach阵列偏心磁力齿轮的制作方法

本发明涉及一种磁性齿轮，特别是一种halbach阵列偏心磁力齿轮。

背景技术：

磁力齿轮是对一种靠磁场耦合来起到与机械齿轮相同甚至更好传动效果的一系列系统的概括性名称。国外对于磁力齿轮的研究最早开始于1913年，由b.brukwici提交并申请了专利。但因为磁力齿轮受到永磁体发展程度的影响，造成了最早的磁力齿轮传动能力差，转矩密度低等严重缺陷，没有得到重视。此后于1940年，h.t.faus又在一篇专利中提到磁力齿轮。但在此时，永磁体的发展严重限制这磁力齿轮的研究。铁氧体磁铁的磁力不足以支持磁力齿轮的发展，直到1980年钕硼铁永磁体的出现，继续开拓了磁力齿轮的研究道路。

基于永磁体的发展，1981年日本学者s.oshima发明了一种同轴磁力齿轮，但该齿轮的转矩密度和传动比都较低，应用受到限制。随后日本学者s.kikuchi和k.tsurumoto在1987年在论文中提出了磁力内齿轮，并在1993年提出了磁力蜗轮蜗杆。1994年s.kikuchi和k.tsurumoto再次提出了磁力斜齿轮传动。2001年，由英国学者k.atallah和d.howe提出了现在广泛运用的，大幅提升转矩和传动比的磁场调制型磁力齿轮。在此之后，磁场调制式磁力齿轮成为了学者们不断研究的对象。2005年，d.howe教授改变了磁力齿轮旋转对旋转的运动方式，提出了直线式磁场调制式磁力齿轮。同年p.o.rasmussen受到聚磁式永磁电机的启发，提出切向充磁磁场调制式磁力齿轮。2006年，d.howe又研究了轴向充磁磁场调制式磁力齿轮。在2010年来自于英国谢菲尔德的j.rens教授发明了磁力谐波齿轮，磁力谐波齿轮的传动比可以高于1:20。

磁力齿轮在国内也得到了大量的研究，赵韩教授在2000年在二维，三维建模计算对磁力齿轮的永磁体单元进行研究。2005年通过国内大量学者努力的，研究出了关于使用halbach充磁的同心式磁场调制型磁力齿轮。2008年满永奎教授研究出了永磁-磁阻式磁力齿轮，同年，中国台湾学者研究出了永磁行星齿轮。2014年，香港大学k.t.chau研究出了一种可以改变传动比的新型磁力齿轮。并且在国内，各个领域对磁力齿轮进行了大量的应用，例如在电机、人工心脏、风力发电等等方面都应用了磁力齿轮。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种halbach阵列偏心磁力齿轮，通过改变永磁体充磁方式，简化磁力齿轮的有效结构，在实现其高转矩密度的同时减小转矩波动。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种halbach阵列偏心磁力齿轮，由内之外包括高速转子铁心、低速转子铁心、外定子铁心，在高速转子铁心与低速转子铁心之间设有轴承，在低速转子铁心的外侧设有低速转子永磁体，在外定子铁心的内侧设有外定子永磁体，在低速转子永磁体与外定子永磁体之间形成非均匀气隙；所述低速转子永磁体及外定子永磁体采用halbach阵列充磁方式。

优选的，所述外定子铁心由硅钢片叠压而成。

优选的，所述外定子永磁体由沿圆周环向均匀分布的64块独立的径向极化的永磁体构成，相邻两块径向极化的永磁体之间设置有一块切向极化的永磁体，64块永磁体构成的halbach阵列极对数为2。

优选的，所述低速转子永磁体每一极下永磁体分为3小块永磁体，外定子永磁体每一极下永磁体分为2小块永磁体。

优选的，所述外定子永磁体的极对数p3、低速转子永磁体的极对数p2及气隙变化周期数p1满足p3＝p1+p2的关系。

本发明提供一种halbach阵列偏心磁力齿轮，高速转子旋转通过轴承带动低速转子旋转，低速转子受定子磁场影响，同时自转实现转矩传递作用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的高转矩密度的偏心式谐波磁力齿轮，相比于现有的磁场调制型磁力齿轮结构，外定子与低速转子的永磁体采用halbach充磁方式，利用了halbach充磁方式磁场谐波含量少的优点，在谐波含量少的情况下实现了较高的转矩密度；

本发明提供的高转矩密度的偏心式谐波磁力齿轮，外定子和低速转子为不同圆心；由于内外永磁体为非同心圆，外定子与低速转子间气隙呈周期性变化，此种结构甚至适用于传动比大于20:1以上时，提升了转矩传输能力。

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为本发明外定子永磁体及低速转子永磁体halbach阵列充磁方式示意图；

图3为本发明外定子及低速转子的圆心点示意图；

图4为本发明与传统充磁气隙径向磁密的比较图；

图5为本发明与传统充磁气隙切向磁密的比较图；

图6为对图4进行傅里叶分解得到的径向磁密分量图；

图7为对图5进行傅里叶分解得到的切向磁密分量图；

图8为本发明与传统充磁不同角度的静态转矩图。

具体实施方式

如图1所示，一种halbach阵列偏心磁力齿轮，由内之外包括高速转子铁心6、低速转子铁心4、外定子铁心1，在高速转子铁心6与低速转子铁心4之间设有轴承5，在低速转子铁心4的外侧设有低速转子永磁体3，在外定子铁心1的内侧设有外定子永磁体2，在低速转子永磁体3与外定子永磁体2之间形成非均匀气隙；所述低速转子永磁体3及外定子永磁体2采用halbach阵列充磁方式。

优选的，所述外定子铁心1由硅钢片叠压而成。

优选的，所述外定子永磁体2由沿圆周环向均匀分布的64块独立的径向极化的永磁体构成，相邻两块径向极化的永磁体之间设置有一块切向极化的永磁体，64块永磁体构成的halbach阵列极对数为2。

优选的，所述低速转子永磁体3每一极下永磁体分为3小块永磁体，外定子永磁体2每一极下永磁体分为2小块永磁体。

优选的，所述外定子永磁体2的极对数p3、低速转子永磁体3的极对数p2及气隙变化周期数p1满足p3＝p1+p2的关系。

如图2所示，为外定子永磁体和低速转子永磁体的充磁方向示意图，采用该充磁方向，利用了halbach充磁方式磁场谐波含量少的优点，在谐波含量少的情况下实现了较高的转矩密度。

如图3所示，o1为外定子圆心，o2为低速转子圆心，采用偏心式结构，增大了转矩密度，且适用于传动比大于20:1的时候。

外定子永磁体极对数p3，低速转子永磁体极对数p2，气隙变化周期数p1满足下式(1)：

p3＝p1+p2(1)

高速转子通过轴承与低速转子滑动接触，当高速转子旋转，带动低速转子同轴旋转，使得非均匀气隙随之转动，气隙分布发生改变，低速转子将会自转以维持原来的磁场状况和转矩输出，通过磁场实现功率传递。所以，低速转子既有围绕高速转子圆心的自转，又有围绕外定子圆心的公转，高速转子相当于机械齿轮中的谐波发生器。气隙长度满足下式(2)：

其中，gmax是最大的气隙长度，gmin是最小的气隙长度，wh是高速转子的角速度，p1是非均匀气隙的变化周期数，θ为内转子转过的角度。

传递转矩的异步空间谐波与定子产生的静态磁场耦合，所以传动比gr满足下式(3)：

p1和p2分别为非均匀气隙周期数和低速转子永磁体极对数。

在本实施例中，非均匀气隙变化周期数p1为1，低速转子永磁体极对数p2为15，外定子永磁体极对数p3为16，由此获得该高转矩密度的偏心式谐波磁力齿轮的传动比为1:15。

与现有的传统径向充磁方式的偏心式谐波磁力齿轮相比，本发明实施例提供的这种偏心式谐波磁力齿轮实现了较高的输出转矩密度和较低的转矩波动。

实验数据表明，在同样的体积和永磁用量下，相比传统径向充磁方式的偏心式谐波磁力齿轮，本实施例提供的磁力齿轮的输出转矩密度增加了110％。

图4所示，halbach阵列充磁方式相比传统充磁的气隙径向磁密波形轮廓大致一样，且略微有所提升。

如图5所示，halbach阵列充磁方式相比传统充磁的气隙切向磁密，有明显增强。

如图6所示,径向磁密傅里叶分析，halbach阵列充磁方式相比传统充磁，谐波次数13、14、15、16次为转矩传递的有效谐波，且均明显增强。谐波次数43、44、45、46、47次为高次谐波，且均明显下降，几乎消失。

如图7所示，切向磁密傅里叶分析,halbach阵列充磁方式相比传统充磁，谐波次数13、14、15、16次为转矩传递的有效谐波，且均明显增强。谐波次数43、44、45、46、47次为高次谐波，且均明显下降，几乎消失。从图6和图7可以看出，halbach充磁下磁齿轮的气隙磁密幅值大于传统充磁，且谐波次数明显减少。

如图8所示，静态转矩特性是磁齿轮最重要的特性参数之一。静态转矩特性是指将外定子固定不动，同时逐步旋转低速转子一定角度，此时的气隙中的转矩特性。本文将低速转子每次旋转3.6度，所的出来的转矩特性如图8，除了在33度时，静态转矩略微下降，其他位置均有大幅度提升。由此可见，halbach阵列充磁相比传统充磁的磁齿轮，静态转矩有明显增强。

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。