CN108712056A - 一种提高传动稳定性的磁齿轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高传动稳定性的磁齿轮装置，由内向外依次包括同轴设置的内转子、调磁环以及外定子；内转子与调磁环之间存在内层气隙，且调磁环和外定子之间存在外层气隙；内定子包括内轭铁和内永磁体；内永磁体贴在内轭铁的表面；外定子包括外永磁体、线圈以及外轭铁；外永磁体包括多个相同的永磁体块，且构成外永磁体的多个永磁体块不偏心等间距均匀地贴在外轭铁的内表面上；外轭铁内侧在每两块永磁体块之间的间隙处均设有开槽，且线圈布于开槽内形成励磁绕组；内、外永磁体均为径向充磁；工作时内转子和调磁环同向旋转，外定子固定，且线圈中通有电流。本发明能够提高磁齿轮装置的传动稳定性和转矩密度，并减轻装置质量。

Description

一种提高传动稳定性的磁齿轮装置

技术领域

本发明属于低速大转矩传动技术领域，更具体地，涉及一种提高传动稳定性的磁齿轮装置。

背景技术

机械齿轮利用相邻齿轮间啮合传递动力，不可避免产生摩擦、润滑、噪音以及维护等问题，而磁齿轮通过非接触转轴上的永磁体传递转矩，有效避免了机械齿轮的缺点，因此受到国内外学者的广泛关注。早期受永磁体性能和磁齿轮拓扑结构的影响，永磁材料的利用率和磁齿轮的转矩密度非常低。

传统的磁齿轮装置，如图3(b)所示，其内外层气隙均为均匀气隙，内外永磁体均采用径向充磁。一般来说，调磁环是固定部件，内外转子按照一定的转速比反向旋转；由于两气隙磁场相互耦合，互相调制，必然存在大量谐波，所以输出转矩存在一定的波动性，因此，对如何削弱转矩波动是一个必须解决的问题。

目前，对于磁齿轮已有大量研究，但转矩脉动大的问题仍然是研究的关键，国内外专家学者也致力于提高永磁体利用率和磁齿轮装置的传动稳定性，从而使其具有更实际的应用价值。由此可见，对于磁齿轮结构的优化设计，以增大磁齿轮的输出转矩、降低转矩脉动、提高传动稳定性还需进一步努力。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种提高传动稳定性的磁齿轮装置，旨在解决现有的磁齿轮装置中传动稳定性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种提供传动稳定性的磁齿轮装置，由内向外依次包括同轴设置的内转子、调磁环以及外定子；内转子与调磁环之间存在内层气隙，且调磁环和外定子之间存在外层气隙；内定子包括内轭铁和内永磁体；内永磁体贴在内轭铁的表面，内永磁体的充磁方向为径向充磁；外定子包括外永磁体、线圈以及外轭铁；外永磁体包括多个相同的永磁体块，且构成外永磁体的多个永磁体块不偏心等间距均匀地贴在外轭铁的内表面上，外永磁体的充磁方向为径向充磁；外轭铁内侧在每两块永磁体块之间的间隙处均设有开槽，且线圈布于开槽内形成励磁绕组；

工作时内转子和调磁环同向旋转，且外定子固定，由外轭铁调制磁场，以构成输入转矩和输出转矩同向的传动；同时，线圈中通有电流，产生的励磁磁场与永磁体磁场耦合形成阻尼转矩，能够减小磁齿轮装置的转矩脉动，从而提高传动稳定性，达到稳定输出转矩的目的。

进一步地，内永磁体为偏心式结构，使得内层气隙为不均匀气隙，从而提高内层气隙的磁密的正弦性，减少内层气隙的谐波含量，降低谐波畸变率，进而提高磁齿轮装置的转矩密度。

进一步地，调磁环的极对数N_s、内永磁体的极对数P_in以及外永磁体的极对数P_out满足：N_s＝P_in+P_out。

进一步地，调磁环包括非导磁材料和调磁铁轭，且调磁铁轭由硅钢片叠成；调磁铁轭由多个第一扇环构成，非导磁材料由多个第二扇环构成，并且多个第一扇环和多个第二扇环均匀的交错分布。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提供的提高传动稳定性的磁齿轮装置，由内向外依次包括：同轴设置的内转子、调磁环和外定子，外定子包括外永磁体、线圈和外轭铁，构成外永磁体的多个永磁体块不偏心等间距均匀地贴在外轭铁的内表面上，外轭铁内侧在每两块永磁体块之间的间隙处均设有开槽，且线圈布于开槽内形成励磁绕组，通电流时，线圈会产生励磁磁场，励磁磁场与永磁体磁场可以耦合形成阻尼转矩，能够减小转矩脉动，从而提高传动稳定性。

(2)本发明所提供的提高传动稳定性的磁齿轮装置，其外轭铁上设有开槽，能够减小轭铁的用量，进而减轻磁齿轮装置的质量。

(3)本发明所提供的提高传动稳定性的磁齿轮装置，其内永磁体为偏心式结构，能够使得内层气隙为不均匀气隙，从而提高内层气隙的磁密的正弦性，减少内层气隙的谐波含量，降低谐波畸变率，进而提高磁齿轮装置的转矩密度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的提高传动稳定性的磁齿轮装置示意图；

图2为本发明实施例提供的磁齿轮装置的局部尺寸示意图；(a)为内永磁体偏心式结构的尺寸示意图；(b)为外轭铁内侧开槽的尺寸示意图；

图3为本发明实施例提供的磁齿轮装置与传统型磁齿轮装置的示意图；(a)为本发明实施例提供的磁齿轮装置示意图；(b)为传统型磁齿轮装置示意图；

图4为本发明实施提供的内层气隙磁密径向分量比较图；

图5为本发明实施提供的内层气隙磁密切向分量比较图；

图6为本发明实施提供的外层气隙磁密径向分量比较图；

图7为本发明实施提供的外层气隙磁密切向分量比较图；

图8为本发明实施提供的内层气隙径向谐波幅值比较图；

图9为本发明实施提供的内层气隙切向谐波幅值比较图；

图10为本发明实施提供的外层气隙径向谐波幅值比较图；

图11为本发明实施提供的外层气隙切向谐波幅值比较图；

图12为本发明实施提供的内转子静态转矩比较图；(a)为内转子静态转矩比较图；(b)为(a)中曲线上A区的局部放大图；

图13为本发明实施提供的外转子静态转矩比较图；(a)为外转子静态转矩比较图；(b)为(a)中曲线上A区的局部放大图；

图14为本发明实施提供的内转子稳态转矩比较图；

图15为本发明实施提供的外转子稳态转矩比较图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为内轭铁，2为内永磁体，3为内层气隙，4为非导磁材料，5为调磁铁轭，6为外层气隙，7为外永磁体，8为线圈，9为外轭铁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的提高传动稳定性的磁齿轮装置，如图1所示，由内向外依次包括：同轴设置的内转子、调磁环以及外定子；内转子与调磁环之间存在内层气隙3，且调磁环和外定子之间存在外层气隙6；内定子包括内轭铁1和内永磁体2；内永磁体2贴在内轭铁1的表面，内永磁体1的充磁方向为径向充磁；内永磁体1为偏心式结构，使得内层气隙3为不均匀气隙，从而提高内层气隙3的磁密的正弦性，减少内层气隙3的谐波含量，降低谐波畸变率，进而提高磁齿轮装置的转矩密度；内永磁体1偏心式结构的尺寸示意图如图2(a)所示；外定子包括外永磁体7、线圈8以及外轭铁9；外永磁体7包括多个相同的永磁体块，且构成外永磁体7的多个永磁体块不偏心等间距均匀地贴在外轭铁9的内表面上，外永磁体7的充磁方向为径向充磁；外轭铁9内侧在每两块永磁体块之间的间隙处均设有开槽，且线圈8布于开槽内形成励磁绕组；外轭铁内侧开槽的尺寸示意图如图2(b)所示；调磁环包括非导磁材料4和调磁铁轭5，且调磁铁轭5由硅钢片叠成；调磁铁轭5由多个第一扇环构成，非导磁材料4由多个第二扇环构成，并且多个第一扇环和多个第二扇环均匀的交错分布；调磁环的极对数N_s、内永磁体2的极对数P_in以及外永磁体7的极对数P_out满足：N_s＝P_in+P_out；

工作时内转子和调磁环同向旋转，且外定子固定，由外轭铁9调制磁场，以构成输入转矩和输出转矩同向的传动；同时，线圈8中通有电流，产生的励磁磁场与永磁体磁场耦合形成阻尼转矩，能够减小磁齿轮装置的转矩脉动，从而提高传动稳定性，达到稳定输出转矩的目的；

根据磁场调制原理，当固定外轭铁和外永磁体不动时，调磁环是和内转子以不同的转速沿着相同的方向旋转，磁齿轮的传动比G_r可表示为：

为验证本发明所提供的磁齿轮装置在提高传动稳定性方面的作用，以传动比1:6.75的磁齿轮为例，在保证永磁体用量相等且基本参数相同的情况下，分别建立传统型、开槽型和电流励磁型的磁齿轮模型,；其中：传统型模型依据传统磁齿轮的结构建立，如图3(b)所示；开槽型模型和电流励磁型模型依据图1所示的磁齿轮结构建立，如图3(a)所示，且开槽型模型中，线圈中不通电流，电流励磁型模型中，线圈中通有电流。建立模型时，磁齿轮装置的结构参数如表1所示：

表1磁齿轮结构参数

如图4至5所示，由于改变了内永磁体的形状，开槽型模型和电流励磁型模型的磁齿轮内层气隙磁密更接近正弦波形，但两者磁密径向分量幅值较传统型有所降低，切向则相反。主要原因是偏心结构的圆弧状磁极使得内层气隙不均匀，总体上增大了气隙宽度，磁阻更大。如图6至7所示，传统型模型、开槽型模型和电流励磁型模型三者的外层气隙磁密幅值变化不大，说明改变内永磁体形状对外层气隙磁密的影响较小。

如图8至9所示，内层气隙磁密不仅有基波，还有因调磁环的存在而引起的谐波。传统型模型主要含有4、12、20、23、28、31、36、39、44和50次等谐波；改变内永磁体形状后，开槽型模型和电流励磁型模型的内层气隙磁密谐波主要含有4、12、23、31和50次等谐波，相比传统型，消除了20、28、36、39、44和50次等高次谐波，降低了谐波畸变率，有利于提高磁齿轮的转距密度。如图10至11所示，传统型模型、开槽型模型和电流励磁型模型三者的外层气隙径向谐波含量变化较小；对于外层切向谐波含量，电流励磁型模型的4次和31次谐波幅值明显大于另外两者，31次谐波主要是由内永磁体的基波经调磁环调制出来的，说明改变永磁体形状后有利于内、外磁场的耦合，从而增大转矩的输出。

如图12至13所示，固定外轭铁和调磁环，内转子以675r/min的速度逆时针转动，从而得到内、外转子静态转矩波形图。从图中可看出，内、外转子的静态转矩波形均为正弦波，并且在电角度为90°时达到最大值。从图中看出开槽型模型较传统型模型转矩有所降低，主要是因为外轭铁开槽降低了铁的用量，从而减少了磁力线的回路。电流励磁型模型比传统型模型的转矩更大一些，这是由于电流产生的磁场与永磁体自身磁场叠加增强了外层气隙磁场。传统型模型、开槽型模型和电流励磁型模型三者的内转子转矩分别为29.44N·m、27.35N·m和29.62N·m；外转子转矩分别为196.58N·m、188.23N·m和199.85N·m。三者的传动比分别为1：6.677、1:6.882和1:6.747，电流励磁型的磁齿轮传动比更接近于1:6.75，从而也说明电流励磁型的磁齿轮传动稳定性更好。

固定外轭铁和外永磁体，令内转子和调磁环分别以675r/min和100r/min逆时针旋转，从而得到内、外转子的稳态转矩如图14至15所示。从图中可以看出，传统型的内转子转矩脉动明显大于另外两个模型；而外转子的转矩脉动则更小一些，这是由于外永磁体极对数多于内永磁体极对数。表2具体列出了传统型模型、开槽型模型和电流励磁型模型的磁齿轮转矩波动，其中，转矩的“-”表示方向。

表2磁齿轮转矩参数

从表2中可以看出，无论是内转矩还是外转矩，传统型模型的转矩脉动均大于另外两种，而电流励磁型模型的磁齿轮不仅可以提高传动稳定性，相比开槽型模型的磁齿轮，也能提高输出转矩。电流励磁型模型比传统型模型的内、外转子输出转矩分别提高了1.458％和1.631％；相对开槽型模型，分别提高了6.176％和6.215％。

不同模型中，磁齿轮装置的气隙谐波畸变率如表3所示。

表3不同结构磁齿轮的气隙谐波畸变率

从表3可以看出，传统型模型的气隙谐波畸变率最大，为56.969％，电流励磁型模型次之，开槽型模型的谐波畸变率最小。考虑电流励磁型模型较开槽型转矩提高较多，谐波畸变率相差不大，因此电流励磁型模型的磁齿轮较具有良好的转矩性能和较高的传动稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高传动稳定性的磁齿轮装置，其特征在于，由内向外依次包括同轴设置的内转子、调磁环以及外定子；所述内转子与所述调磁环之间存在内层气隙(3)，且所述调磁环和所述外定子之间存在外层气隙(6)；

所述内定子包括内轭铁(1)和内永磁体(2)；所述内永磁体(2)贴在所述内轭铁(1)的表面，所述内永磁体(2)的充磁方向为径向充磁；

所述外定子包括外永磁体(7)、线圈(8)以及外轭铁(9)；所述外永磁体(7)包括多个相同的永磁体块，且构成所述外永磁体(7)的多个永磁体块不偏心等间距均匀地贴在所述外轭铁(9)的内表面上，所述外永磁体(7)的充磁方向为径向充磁；所述外轭铁(9)内侧在每两块永磁体块之间的间隙处均设有开槽，且所述线圈(8)布于所述开槽内形成励磁绕组；

工作时所述内转子和所述调磁环同向旋转，所述外定子固定，且所述线圈(8)中通有电流，以提高传动稳定性。

2.如权利要求1所述的提高传动稳定性的磁齿轮装置，其特征在于，所述内永磁体(2)为偏心式结构，使得所述内层气隙(3)为不均匀气隙，从而提高所述内层气隙(3)的磁密的正弦性，减少所述内层气隙(3)的谐波含量，降低谐波畸变率，进而提高磁齿轮装置的转矩密度。

3.如权利要求1所述的提高传动稳定性的磁齿轮装置，其特征在于，所述调磁环的极对数N_s、所述内永磁体(2)的极对数P_in以及所述外永磁体(7)的极对数P_out满足：N_s＝P_in+P_out。

4.如权利要求1所述的提高传动稳定性的磁齿轮装置，其特征在于，所述调磁环包括非导磁材料(4)和调磁铁轭(5)，且所述调磁铁轭(5)由硅钢片叠成；所述调磁铁轭(5)由多个第一扇环构成，所述非导磁材料(4)由多个第二扇环构成，并且所述多个第一扇环和所述多个第二扇环均匀的交错分布。