一种圆筒式直线磁力齿轮的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于非接触式机械传动技术领域，具体涉及一种具有阻尼绕组的磁场调制圆筒式直线磁力齿轮。
【背景技术】
[0002]磁力齿轮是一种新型的磁力传动机械，依靠磁场耦合作用传递动力。由于不存在传统机械齿轮的啮合关系，可以避免润滑维护，具有较高的传动效率和过载自保护能力。另夕卜，磁力齿轮不需要机械齿轮的精加工和热处理，极大地简化了加工工艺。同时，磁力齿轮的输入与输出两个机械端口没有直接接触，使得它在有毒、有害等流体栗类驱动中具有特殊的优势，已成为国内外研究热点。英国Kais.Atallah、中国江建中等人申请的磁场调制式磁力齿轮专利(US7973441B2; GB2439111A; 201010118737.5)，具有力密度高，机械损耗低等特点。近年来，具有直线运动轨迹的电力传动系统应用日益广泛，英国谢菲尔德大学J.Wang、香港大学 K.T.Chau 等人在 ffiEE TRANSACT1NS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY和IEEE TRANSACT1NS ON MAGNETICS等国际权威期刊上发表了有关直线磁力齿轮的研究成果。直线磁力齿轮因省去了将旋转运动转换为直线运动的中间转换机构，减小了装置体积，节省了系统成本，提高了传动效率，因此具有广阔的应用前景。然而，现有的直线磁力齿轮设计，主要通过谐波磁场实现动力传递，推力波动和振动噪声问题不容忽视，尤其在负载扰动过程中，影响整个电力传动系统的动态稳定性，从而限制了磁力齿轮的推广应用。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是能够有效抑制现有磁场调制直线式磁力齿轮设计中的推力波动，从而提高磁力齿轮的动态稳定性。
[0004]本实用新型是圆筒式直线磁力齿轮，该齿轮包括三层环状体，呈双气隙结构，即内磁环9、外磁环7和一个由高导磁材料和非导磁材料组成的调磁环8，调磁环8位于内外磁环之间；内磁环9和内部背轭10构成低速动子11，外磁环7和外部背轭5构成高速动子4，且高速动子4上布置具有闭合回路的阻尼绕组6。
[0005]本实用新型与已有技术相比较，具有如下显著的创新特点:本实用新型的圆筒式直线磁力齿轮的高速动子侧布置阻尼绕组，内外磁环均采用Halbach阵列充磁结构，且高速动子的磁极数与具有磁阻效应的调磁环铁心块数的选择遵循“最小公倍数原则”，即高速动子的磁极数与具有磁阻效应的调磁环铁心块数的最小共倍数Nc=2*Pl*Ns应该越大越好。同时，内磁环和外磁环的结构更加灵活，可以采用永磁体励磁或电励磁两种方案。
【附图说明】
[0006]图1是本实用新型一个实施例的结构示意图；图2是图1的动子、定子轴向剖面图；图3是图2的A-A剖面图；图4是图1低速动子和高速动子的永磁体Halbach阵列充磁不意图；图5为图2的二维结构不意图；图6是本实用新型第一■个实施例的结构不意图；图7是本实用新型第二个实施例的三维结构示意图；图8是本实用新型第三个实施例的结构示意图；图9是本实用新型第三个实施例的三维结构示意图；附图标记及对应名称为:电机中心轴1，端盖2，机座3，高速动子4，外部背轭5，阻尼绕组6，外磁环7，调磁环8，内磁环9，内部背轭10，低速动子11，内层气隙12，外层气隙13，低速轴14，高速轴15，定子铁心16，定子非导磁体17，外部铁心18，外部绕组19，内部铁心20，内部绕组21。
【具体实施方式】
[0007]如图1所示，本实用新型是圆筒式直线磁力齿轮，该齿轮包括三层环状体，呈双气隙结构，即内磁环9、外磁环7和一个由高导磁材料和非导磁材料组成的调磁环8，调磁环8位于内外磁环之间；内磁环9和内部背轭10构成低速动子11，外磁环7和外部背轭5构成高速动子4，且高速动子4上布置具有闭合回路的阻尼绕组6。
[0008]如图1所示，本发明的圆筒式直线磁力齿轮，内磁环由Pl对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述外磁环由P2对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且P1>P2，Ns=Pl+P2 ;所述的三层环状体，其中任意两个环状体可以作为动子，剩余一个环状体作为定子，且内外磁环均采用准Halbach阵列充磁方式。
[0009]如图6、图7、图8、图9所示，圆筒式直线磁力齿轮，内磁环由Pl对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述外磁环由外部铁心18和励磁绕组19组成，且励磁绕组为P2对极；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2 ;所述的外磁环作为定子，内磁环和调磁环作为动子。
[0010]如图8所示，圆筒式直线磁力齿轮，内磁环由内部铁心20和励磁绕组21组成，且励磁绕组为Pl对极；外磁环由外部铁心和P2对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2 ;所述的内磁环作为定子，外磁环和调磁环作为动子。
[0011]所述圆筒式直线磁力齿轮要实现一定大小范围的传动比，可以有多种极数选取方式，从降低齿槽推力、提高传动效率和推力密度以及简化制造工艺等多方面因素综合考虑。对于某一确定的磁力齿轮变比，其高速动子的磁极数与具有磁场耦合作用的调磁环铁心块数的最小共倍数Nc=2*Pl*Ns应该越大越好，这里称之为“最小公倍数原则”。因直线磁力齿轮动子磁力的波动主要是由于齿槽定位力作用而产生，齿槽定位力的波动频率与Ne相同，当波动频率越高，则波动幅值越小，所以最小公倍数原则设计有助于提高动子电磁力的稳定性，从而减小磁力齿轮的振动和噪音。相对于高速动子，低速动子的输出推力大，其齿槽推力的变化频率较高，而齿槽推力的幅值相对较小，因此低速动子平均推力受齿槽推力波动的影响较小。
[0012]所述圆筒式直线磁力齿轮与传统机械齿轮相比，其刚度较低，当负载或速度发生变化时，就会导致磁力齿轮产生电磁推力波动问题，从而降低整个传动系统的动态稳定性。作为本发明的一个实施案例，调磁环作为定子，内、外磁环作为动子，在磁力齿轮的输出动子上引入具有闭合回路的阻尼绕组，在负载、速度发生变化或起动过程中，在阻尼绕组中将产生感应电流，该电流在磁场作用下产生具有阻尼作用的电磁推力，从而有效抑制动态过程的推力波动，当磁力齿轮动子速度达到同步速之后，此感应电流为零，磁力齿轮进入稳定工作状态。同时，为减少磁力齿轮的阻尼绕组铜耗，阻尼绕组阻值不宜过大。
[0013]所述圆筒式直线磁力齿轮的永磁体结构中永磁体形状为矩形或梯形，并采用Halbach阵列充磁方式，有效提高气隙磁密的幅值与正弦度，从而可以增加磁力齿轮的功率密度，降低推力波动，减小装置体积。
[0014]实施例一:
[0015]如图1所示，内磁环9的圆筒外部轴向均布Pl对极永磁体，外磁环7的圆筒内部轴向均布P2对极永磁体，且P1>P2。在外磁环7上通过端盖2b引出高速轴15，在内磁环9上通过端盖2a引出低速轴14，端盖2a、2b的结构示意图如图6所示。调磁环8为定子，定子由轴向均布的铁心16和非导磁体17 (如环氧树脂等)组成。正是由于定子铁心和定子非导磁体的间隔分布使得内层气隙12和外层气隙13的磁导沿轴向产生周期性变化，从而对内、外气隙磁场产生调制作用。图2是图1的动子、定子轴向剖面图，调磁环8的定子铁心数Ns=Pl+P2，从而使两个动子气隙磁场具有相同的调制基波，实现推力和速度的传递，两个动子的传动比为K=P1/P2。图3是图2中A-A处径向剖面图，该磁力齿轮具有环状结构特征。如图4所示的内磁环9和外磁环7的永磁体均为准Halbach阵列充磁方式，用径向阵列、斜向阵列与轴向阵列相结合的准Halbach阵列充磁方式，将离散磁块拼接在一起得到近似正弦充磁的效果。
[0016]如图5所示，外部背轭5上均匀布置阻尼绕组6，各套阻尼绕组自成回路，在负载发生扰动或传动系统在起、制动等速度发生变化的过程中，在阻尼绕组中将产生感应电流，该电流在磁场作用下产生具有阻尼作用的电磁推力，从而有效抑制推力波动。当磁力齿轮动子速度达到同步速之后，此感应电流为零，磁力齿轮进入稳定工作状态。
[0017]实施例二:
[0018]如图6所示的圆筒式直线磁力齿轮，由Pl对极永磁体组成内磁环9，内磁环9和内部背轭10作为低速动子；所述外磁环由外部铁心18和Ρ2对极励磁绕组19组成，且外磁环作为定子；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2，调磁环作为高速动子。图7是图6所示圆筒式直线磁力齿轮的三维结构图。
[0019]实施例三:
[0020]如图8所示的圆筒式直线磁力齿轮，内磁环由内部铁心20和Pl对极励磁绕组21组成，并作为定子；外磁环由P2对极永磁体组成，且作为高速动子；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2，调磁环作为低速动子。图9是图8所示圆筒式直线磁力齿轮的三维结构图。
【主权项】
1.一种圆筒式直线磁力齿轮，其特征在于:该齿轮包括三层环状体，呈双气隙结构，即内磁环(9)、外磁环(7)和一个由高导磁材料和非导磁材料组成的调磁环(8)，调磁环位于内外磁环之间；内磁环(9 )和内部背轭(10 )构成低速动子(11)，外磁环(7 )和外部背轭(5 )构成高速动子(4)，且高速动子(4)上布置具有闭合回路的阻尼绕组(6)。2.根据权利要求1所述的圆筒式直线磁力齿轮，其特征在于内磁环由Pl对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述外磁环由P2对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且P1>P2，Ns=Pl+P2 ;所述的三层环状体，其中任意两个环状体能够作为动子，剩余一个环状体作为定子，且内外磁环均采用准Halbach阵列充磁方式。3.根据权利要求1所述的圆筒式直线磁力齿轮，其特征在于内磁环由Pl对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述外磁环由外部铁心(18)和励磁绕组(19)组成，且励磁绕组为P2对极；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2 ;所述的外磁环作为定子，内磁环和调磁环作为动子。4.根据权利要求1所述的圆筒式直线磁力齿轮，其特征在于内磁环由内部铁心(20)和励磁绕组(21)组成，且励磁绕组为Pl对极；外磁环由外部铁心和P2对极永磁体组成，且相邻永磁体极性相反；所述的调磁环由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2 ；所述的内磁环作为定子，外磁环和调磁环作为动子。
【专利摘要】一种圆筒式直线磁力齿轮，其目的是能够有效抑制现有磁场调制直线式磁力齿轮设计中的推力波动，从而提高磁力齿轮的动态稳定性；该齿轮包括三层环状体，呈双气隙结构，即内磁环（9）、外磁环（7）和一个由高导磁材料和非导磁材料组成的调磁环（8），调磁环（8）位于内外磁环之间；内磁环（9）和内部背轭（10）构成低速动子（11），外磁环（7）和外部背轭（5）构成高速动子（4），且高速动子（4）上布置具有闭合回路的阻尼绕组（6）。
【IPC分类】H02K51/00
【公开号】CN204928532
【申请号】CN201520409848
【发明人】包广清, 刘美钧, 李树豹, 常勇, 张贝, 杨巧玲, 段晓燕, 任冰
【申请人】兰州理工大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年6月15日