一种盘式永磁齿轮传动装置及其传动方法

本发明涉及磁力传动技术，尤其涉及一种盘式永磁齿轮传动装置及其传动方法。

背景技术：

1、永磁齿轮是一种利用内、外转子上永磁体磁场的耦合作用，实现力和转矩传递的非接触式传动装置。永磁齿轮具有软启动、无摩擦、低振动、高转矩密度和过载保护等优点，可解决目前机械齿轮因刚性接触所产生的冲击、振动、齿面磨损、胶合及断齿等问题。

2、现有的永磁齿轮一般为磁场调制式结构，其分为径向及轴向两种结构。径向磁场调制式永磁齿轮一般由同轴度要求较高的三层转子及两层气隙构成，不仅加工难度大，而且结构强度低，导致其在工业现场鲜有应用。

3、轴向磁场调制式永磁齿轮也称盘式永磁齿轮，与径向式永磁齿轮相比，具有调磁结构简单，轴向距离小样机制造容易等优点。

4、现有的盘式永磁齿轮一般为三层或四层转子结构，三层转子的主要缺点为：磁路较长，漏磁严重，转矩密度偏低。为解决三层转子的上述缺陷，中国专利zl202111292221.7提出一种四层转子的双励磁双调制结构，其在三层转子的基础上又增加了一个外调磁环，并在内调磁总成中引入了内调磁永磁体，使其具有两个转子励磁、两个调磁环调制，进而使输出转子同时受到两个调磁环所产生的转矩作用，增大了输出转矩及其相应的转矩密度。

5、中国专利zl202111292221.7提出的四层转子结构的主要缺点是：①励磁源与现有的三层盘式永磁齿轮励磁源结构相同，主要为高速转子总成中的高速永磁体(2)和低速转子总成中的低速永磁体(6)，因此其所能提供的最大磁能积与三层转子结构相同；②内(外)调磁环中的非导磁材料采用永磁体，造成总装置中的永磁体耗量较大，但所起的作用较小，这是因为内(外)调磁环中的所有永磁体均无法对其本体进行调制，只能在气隙中提供少量的基波磁动势；③装置中的所有永磁体均为整块导体结构(参见其附图1-1～4-5)，没有采用永磁体槽切割技术，增大了永磁体材料的涡流损耗；④现有的盘式永磁齿轮(无论三层还是四层转子结构)一般均没有风路结构，也没有散热措施，而稀土永磁体的居里温度一般均较低，当永磁体工作温度超过其居里温度时，将导致永磁体产生不可逆退磁，从而造成永磁齿轮传动失效。

6、现有的永磁体槽分割技术主要是解决永磁电机中永磁体涡流损耗大的问题，但由于此类永磁体形状大多为瓦形或矩形，且充磁方向大多与离心力方向相同，因此为保证永磁体具有足够的抵抗离心力的机械强度，其分割槽技术一般视永磁体所在位置而定。当永磁体为表贴式结构时：永磁体一般采用不完全分割槽结构，即：分割槽不能完全贯穿永磁体的充磁表面，其槽深度一般为永磁体厚度的1％～80％；当永磁体为嵌入式结构时：永磁体采用直线交错式分割槽结构，即分割槽交错式排布在永磁体充磁表面，且可以完全贯穿永磁体的充磁表面。

7、上述分割槽技术虽然可以起到延长电流回路、增加回路电阻以达到减小感生涡流的作用，但所起到的实际作用仍较为有限，这是因为：①当永磁体采用不完全分割槽技术时，由于没有被贯穿的永磁体充磁表面仍会形成完整的涡流回路，导致其对涡流的抑制效果较差。②当永磁体采用直线交错式分割槽结构时，分割槽之间仍会形成独立的涡流回路，导致其涡流损耗依旧较大。

8、另外，无论是不完全分割槽结构还是直线交错式分割槽结构，均会在永磁体的两个充磁表面上形成两个完整的矩形区域(这两个区域分别为：槽与槽之间以及两个相邻槽与侧表面之间)，使涡流在这两个矩形区域中形成回路，并造成涡流损耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对上述盘式永磁齿轮存在的问题，提出一种盘式永磁齿轮传动装置，该装置具有磁能积高、转矩密度大及永磁体涡流损耗小的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种盘式永磁齿轮传动装置，包括外永磁体总成、调磁环总成及内永磁体总成；

3、所述外永磁体总成、调磁环总成及内永磁体总成自外而内依次设置，且外永磁体总成、调磁环总成及内永磁体总成之间形成了四层气隙。

4、进一步地，所述外永磁体总成是关于内永磁体总成及调磁环总成的对称式结构，且位于调磁环总成的外侧；包括：左外永磁体、左外永磁体基板、右外永磁体、右外永磁体基板、外连接套筒和散热翅片；

5、所述左外永磁体按磁极交错排列方式沿圆周方向均匀安装在左外永磁体基板上；所述右外永磁体按磁极交错排列方式沿圆周方向均匀安装在右外永磁体基板上；所述右外永磁体的个数与左外永磁体相同；所述左外永磁体基板为圆盘式结构，其材料为导磁性材料；所述右外永磁体基板为圆盘式结构，其材料为导磁性材料；所述左外永磁体基板及右外永磁体基板均以法兰形式刚性连接在外连接套筒的左右两端；所述外连接套筒为筒形结构；所述散热翅片沿圆周方向均匀安装在外连接套筒的外圆周表面上。

6、进一步地，所述左外永磁体为扇形或矩形结构，所述右外永磁体为扇形或矩形结构。

7、进一步地，所述散热翅片为良导体材料。

8、进一步地，所述散热翅片形状为直线形、斜线形或弧形。

9、进一步的，相邻所述左外永磁体之间均为气隙相隔，并且左外永磁体安装在左外永磁体基板的高度高于左外永磁体基板(即左外永磁体突出于左外永磁体基板所在平面)。

10、进一步的，相邻所述右外永磁体之间均为气隙相隔，并且右外永磁体安装在右外永磁体基板的高度高于右外永磁体基板(即右外永磁体突出于右外永磁体基板所在平面)。

11、进一步的，同一永磁体基板上的相邻永磁体之间注入不导磁及不导电绝缘胶，能保证盘式永磁齿轮传动装置的结构强度。

12、进一步地，所述调磁环总成是关于内永磁体总成的对称式结构，且位于内永磁体总成与外永磁体总成之间；包括左调磁极块、右调磁极块、左调磁基板、右调磁基板和内连接套筒；

13、所述左调磁极块沿圆周方向分别均匀分布在左调磁基板的圆盘表面上，所述右调磁极块沿圆周方向均匀分布在右调磁基板的圆盘表面上；所述左调磁极块与右调磁极块个数相同；所述左调磁基板及右调磁基板均为盘式结构，且均由非导磁材料组成；所述左调磁基板及右调磁基板均以法兰形式刚性连接在内连接套筒的两端；所述内连接套筒为筒式结构，其外圆周表面沿轴向开有多个沿圆周表面均匀分布的散热通孔槽。

14、进一步地，所述左调磁极块为扇形或矩形结构，所述右调磁极块为扇形或矩形结构。

15、进一步的，相邻所述左调磁极块之间均为气隙相隔，并且左调磁极块安装在左调磁基板时的(磁体)高度均高于左调磁基板(即左调磁极块突出于左调磁基板所在平面)。

16、进一步的，相邻所述右调磁极块之间均为气隙相隔，并且右调磁极块安装在右调磁基板时的(磁体)高度均高于右调磁基板(即右调磁极块突出于右调磁基板所在平面)。

17、进一步的，所述左调磁极块与右调磁极块均可采用与现有变压器结构相同的硅钢片侧面叠压或黏贴技术以组成所需结构。

18、进一步的，同一调磁块基板上的相邻调磁极块之间注入不导磁及不导电绝缘胶，能保证盘式永磁齿轮传动装置的结构强度。

19、进一步地，所述内永磁体总成位于调磁环总成的内侧；包括内永磁体及内永磁体基板；所述内永磁体按磁极交错排列方式沿圆周方向均匀安装在内永磁体基板上；所述内永磁体基板为圆盘式结构，其材料为导磁性材料。

20、进一步地，所述内永磁体为扇形或矩形结构。

21、进一步的，相邻所述内永磁体之间均为气隙相隔，并且内永磁体安装在内永磁体基板时的(磁体)高度均高于内永磁体基板(即内永磁体突出于内永磁体基板所在平面)。

22、进一步地，所述左外永磁体与左调磁极块沿轴向的相对表面以气隙相隔；所述右外永磁体与右调磁极块沿轴向的相对表面以气隙相隔；所述左调磁极块与内永磁体沿轴向的相对表面以气隙相隔；所述右调磁极块与内永磁体沿轴向的相对表面以气隙相隔。即外永磁体总成、调磁环总成及内永磁体总成之间共形成了四层气隙。

23、进一步地，所述左外永磁体、右外永磁体及内永磁体均为轴向充磁，其所组成的六个表面分别为：第一充磁表面和第二充磁表面(与充磁方向垂直)，近传动轴表面，远传动轴表面，第一侧表面和第二侧表面。

24、进一步地，所述左外永磁体、右外永磁体及内永磁体的充磁表面上均开有多个通透式电绝缘槽；所述通透式电绝缘槽系指电绝缘槽从第一充磁表面直接贯穿至第二充磁表面。

25、进一步地，所述电绝缘槽包括叉弧槽和/或补充槽。

26、进一步地，所述叉弧槽系指在圆弧形槽的基础上再接有一个或多个呈一定角度的叉形槽。

27、进一步的，所述叉弧槽为直线槽或圆弧槽。

28、进一步地，所述补充槽为圆弧形或直线形结构，其所在位置位于叉弧槽最后一个叉形槽的对面，以作为最大限度地分割涡流回路时对叉弧槽结构的补充。

29、进一步地，所述补充槽数量小于或等于叉弧槽数量，其位置与叉弧槽的最后一个叉形相对，但不能与叉弧槽接通，以保证永磁体结构的完整性。

30、进一步的，在永磁体叉弧槽及补充槽内注入不导磁及不导电的绝缘胶，能保证永磁体结构强度。

31、进一步地，所述多个通透式电绝缘槽系指：多个叉弧槽从第一侧表面或第二侧表面开始呈直线或圆弧状交替式向另一端侧表面延伸，且无论从第一侧表面还是从第二侧表面开始出发的叉弧槽不能与另一端的侧表面相交，以保证永磁体的完整性。

32、进一步的，所述外永磁体总成的磁极对数与内永磁体总成的磁极对数关系需符合传动比要求；所述外永磁体总成的磁极对数既可以大于内永磁体总成的磁极对数，也可以小于内永磁体总成的磁极对数。

33、本文中左、右的描述是便于清楚描述各部件的相对位置关系，并非严格限制其设置方位。

34、本发明的而另一目的还公开了所述盘式永磁齿轮传动装置的三类传动方法：

35、(1)调磁环总成固定：外永磁体总成输入，内永磁体总成输出；或内永磁体总成输入，外永磁体总成输出。此种形式下的传动比为：外永磁体总成的磁极对数/内永磁体总成的磁极对数。

36、(2)外永磁体总成固定：调磁环总成输入，内永磁体总成输出；或内永磁体总成输入，调磁环总成输出。此种形式下的传动比为：调磁环总成的磁极块数/内永磁体总成的磁极对数。

37、(3)内永磁体总成固定：调磁环总成输入，外永磁体总成输出；或外永磁体总成输入，调磁环总成输出。此种形式下的传动比为：调磁环总成的磁极块数/外永磁体总成的磁极对数。

38、本发明盘式永磁齿轮传动装置及其传动方法，与现有技术相比较具有以下优点：

39、(1)由于所述外永磁体总成是关于内永磁体总成及调磁环总成的对称式结构，且位于调磁环总成的外侧；所述调磁环总成为是关于内永磁体总成的对称式结构，且位于内永磁体总成与外永磁体总成之间；因此本发明所述盘式永磁齿轮可视为由两个三层转子结构的盘式永磁齿轮叠加而成，即在原有的三层或四层转子结构上又额外增加了一对磁性齿轮；因此其最大磁能积及其所产生的电磁转矩及相应的转矩密度均大于现有的三层或四层转子结构的盘式永磁齿轮。

40、另外，由于本发明为三层永磁体对称式结构，因此其可平衡本发明所述盘式永磁齿轮内部的所有磁拉力，而现有的盘式永磁齿轮由于均为非对称式结构，无法平衡永磁齿轮内部的磁拉力，只能将此磁拉力转移至盘式永磁齿轮装置的机械轴承上，增加了机械轴承的载荷负担，减少了机械轴承的使用寿命。

41、(2)本发明取消了现有的三层或四层转子结构为增加转矩密度而在调磁环总成中设置的永磁体。由于永磁体的比重与调磁极快相当，因此取消了调磁环中的永磁体后，调磁环的总重仅为原调磁环总重的一半，这对以调磁环总成作为输入或输出的传动形式(即本发明的第二种传动形式)而言，其无效死重将更小，传动效率将更高。

42、(3)本发明提出的永磁体叉弧槽及补充槽结构，可进一步延长现有不完全分割槽或直线交错式分割槽的电流回路，以增大回路电阻并达到减小感生涡流的目的；另外，本发明提出的永磁体叉弧槽与补充槽配合结构，既可破坏不完全分割槽结构在没有被贯穿的永磁体充磁表面上所形成的完整涡流回路，也可破坏直线交错式分割槽结构所形成独立的涡流回路，从而达到较好地抑制或减小感生电流所引起的涡流损耗目的。

43、以一额定功率为1224kw的盘式永磁齿轮为例：

44、①采用现有不完全分割槽或直线交错式分割槽结构时所形成的涡流损耗约为20kw，图1为其涡流分布云图。

45、由图1可知：受集肤效应影响，受交变电磁场作用的永磁体电流主要集中在边缘。对永磁体进行直线交错式分割槽划分后，虽然改变了永磁体的边缘结构，延长了电流回路并达到了增大电阻及降低电流密度的目的，但现有的直线交错式分割槽结构中，永磁体第一侧表面与第二侧表面附近还存在完整的大块矩形，在感生电动势及动生电动势的叠加作用下，该矩形区域将形成局部涡流回路，使该区域的电流密度过高，从而造成较大的涡流损耗。图1所示的仿真云图表明：当直线交错式分割槽数为20时，电流密度大于1e6 a/m2(1×106a/m2)的区域较大，并主要集中在分割槽的终止处。电流密度小于1e5 a/m2(1×105a/m2)的区域占比较小，主要分布在近传动轴表面，此时所述盘式永磁齿轮总损耗功率约为20kw。

46、②采用本发明所述叉弧槽结构时所形成的涡流损耗约为15kw，较单纯采用现有的直线交错式分割槽结构下降了约25％；图2为采用本发明所述叉弧槽结构时的涡流分布云图。

47、由图2可知：叉弧槽结构的引入，进一步延长了现有直线交错式分割槽结构所形成的涡流回路，破坏了直线交错式分割槽结构中的矩形涡流回路，大幅减少了图1所示的电流密度大于1e6 a/m2(1×106a/m2)的区域，较大幅度地改善了图1所示电流密度过高的状况。此时所述盘式永磁齿轮总损耗功率约为15kw，较现有直线交错式分割槽结构下降了约25％。

48、③采用本发明所述叉弧槽+补充槽结构后，所形成的涡流损耗约为12kw，较单纯采用叉弧槽结构时的涡流损耗下降了约20％，较单纯采用现有的直线交错式分割槽结构下降了约40％；图3为采用本发明所述叉弧槽+补充槽结构时的涡流分布云图。

49、由图3可知：引入补充槽后，进一步破坏了图2残存的矩形区域，使永磁体第一侧表面与第二侧表面附近的电流密度大于1e6 a/m2(1×106a/m2)的区域基本消失，永磁体整体电流密度较低(1e5 a/m2(1×105a/m2))。此时所述盘式永磁齿轮总损耗功率约为12kw，较单纯采用叉弧槽结构时的涡流损耗下降了约20％，较单纯采用现有的直线交错式分割槽结构下降了约40％。

50、(4)现有的永磁体分割槽结构(无论是不完全分割槽还是直线交错式分割槽)，若分割槽尽可能向永磁体对侧边缘延伸时，虽然可减小或破坏永磁体充磁表面的独立涡流回路，但永磁体机械强度也随之遭到削弱；若从永磁体机械强度方面考虑，则分割槽与分割槽之间的涡流回路就必须增大。而本发明提出的叉弧槽结构中，其组成叉形槽的两个直线形分支分别呈一定角度向另一端扇形侧表面延伸，同等条件下，在减小或破坏永磁体充磁表面上完整涡流回路的同时，其所保留的永磁体充磁表面的面积是现有永磁体分割槽的两倍，因此与现有的永磁体分割槽结构相比，本发明既减小了永磁体充磁表面完整涡流回路的数量，还避免了分割槽对永磁体本体强度的削弱。

51、(5)由于本发明所述所有永磁体之间均为气隙相隔，并且所述所有永磁体的左右两个侧面高度均高于其所对应的基板，因此当所述所有永磁体产生旋转运动时，其均可起到扇叶作用，既可将左外永磁体基板9和右外永磁体基板6所包围的热空气搅动起来甩向外连接套筒2，也可将左调磁极块7及右调磁极块4所包围的热空气搅动起来甩向内连接套筒3，并通过内连接套筒3的散热通孔槽，将热空气甩向外连接套筒2；上述措施可将内永磁体1、左外永磁体8和右外永磁体5以及左调磁极块7及右调磁极块4所形成的热量，通过安装在外连接套筒2上的散热翅片13带走。