一种少谐波分布调制式高速磁齿轮

1.本发明属于磁力传动技术领域，具体涉及一种少谐波分布调制式高速磁齿轮。


背景技术：

2.齿轮是工业的基础零件，传统的机械齿轮通过齿轮啮合来传递转矩，实现变速驱动。但是，机械齿轮在高速运行时不可避免的会导致振动加剧，此外在轮系中，由于齿轮啮合错位、齿轮与润滑流体之间相互作用等原因，同样会加剧轴系振动，进而导致齿轮偏载、疲劳破坏以及转速失稳等严重后果，降低传动性能。
3.相较于机械齿轮，磁齿轮具有结构紧凑、无润滑、无磨损、噪声低以及过载保护等优点。采用高速磁齿轮连接的轴系，能隔离多跨轴系之间的振动，降低轴系之间的耦合作用，允许大的不对中量，这对高速转子系统的稳定运行具有非常重要的意义。另外，高速磁齿轮也可以集成高速电机，构成磁齿轮复合电机。
4.现有的高转矩密度的磁齿轮都是根据传统磁场调制原理实现的。传统磁场调制技术属于集中式，调磁块由导磁片沿轴向堆叠而成，调磁块体积大，且彼此远离。采用传统磁场调制技术的磁齿轮，在高速时电磁损耗大，无效谐波含量高效率低，且当传动比较大时，转矩密度会明显下降。如为降低磁损耗而使用偏心谐波磁齿轮，偏心式转子在高速下产生的不平衡质量力非常大，容易导致轴承磨损甚至转子损坏，而且又需要额外的部件去平衡，这又相当于舍弃了磁齿轮结构紧凑的优点。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种少谐波分布调制式高速磁齿轮。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种，少谐波分布调制式高速磁齿轮，包括：内转子、外转子和分布式调磁环；
7.其中，所述内转子同轴设置在所述外转子内，所述分布式调磁环同轴设置在所述内转子和所述外转子之间；
8.所述分布式调磁环的内侧面为沿着周向连续交替的弧形凸起和弧形凹陷形成的曲面，所述曲面的内廓线呈正弦曲线分布，所述曲面与所述内转子的外壁之间形成了径向厚度周期性变化的内气隙；所述分布式调磁环包括若干个沿周向交替堆叠排列的导磁片和非导磁片；
9.所述分布式调磁环与所述外转子的内壁形成外气隙。
10.在本发明的一个实施例中，所述内转子包括：内转子铁芯和内转子永磁体；所述内转子铁芯同轴设置在所述内转子永磁体内，所述内转子永磁体与所述内转子铁芯的外壁固定连接；
11.所述内转子永磁体包括若干个圆弧状内转子永磁块，所述若干个内转子永磁块沿所述内转子铁芯的外壁设置；相邻的所述内转子永磁块磁极相反。
12.在本发明的一个实施例中，所述外转子包括：外转子铁芯和外转子永磁体；所述外转子永磁体同轴设置在所述外转子铁芯内，所述外转子永磁体与所述外转子铁芯的内壁固定连接；
13.所述外转子永磁体包括若干个圆弧状的外转子永磁块，所述若干个外转子永磁块沿所述外转子铁芯的内壁设置；相邻的所述外转子永磁块磁极相反。
14.在本发明的一个实施例中，所述少谐波分布调制式高速磁齿轮还包括：碳纤维柱；所述碳纤维柱分别设置在相邻的所述内转子永磁块间和相邻的所述外转子永磁块间。
15.在本发明的一个实施例中，所述少谐波分布调制式高速磁齿轮还包括：碳纤维带；所述碳纤维带缠绕包覆在所述分布式调磁环的外壁和所述内转子永磁体的外壁。
16.在本发明的一个实施例中，所述外转子永磁体的极对数、所述内转子永磁体的极对数和所述内气隙的径向厚度变化周期满足ps＝|p
±
p
ω
|；
17.其中，ps为外转子永磁体的极对数；p为内转子永磁体的极对数；p
ω
为内气隙的厚度变化周期。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
19.1.本发明的少谐波分布调制式高速磁齿轮，分布式调磁环中导磁块的径向长度沿周向呈正弦曲线分布，使得等效气隙厚度在周向上同样呈正弦曲线变化，改变了周向气隙厚度分布，从而达到磁场调制的效果。并且分布式调磁环局部结构具有磁取向性，即径向磁导率高，周向磁导率低，能减少周向漏磁。该结构的气隙磁场无效谐波含量低，不产生驱动扭矩的谐波含量低。因此，从源头上降低了电磁损耗。该结构的气隙磁场无效谐波含量低，即不产生驱动扭矩的谐波含量低。
20.2.本发明的少谐波分布调制式高速磁齿轮，结构紧凑，内转子和外转子同轴旋转。避免偏心谐波磁齿轮产生的不平衡质量力，有利于内转子达到更高速度，且能够获得较大的传动比，且大传动比下转矩密度高，在高速运行时电磁损耗小。
21.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的一种传动比为1:9的少谐波分布调制式高速磁齿轮的横截面示意图；
23.图2是本发明实施例提供的一种传动比为1:5的少谐波分布调制式高速磁齿轮的横截面示意图；
24.图3是本发明实施例提供的一种传动比为6:23的少谐波分布调制式高速磁齿轮的横截面示意图；
25.图4是本发明实施例提供的少谐波分布调制式高速磁齿轮的分布式调磁环的结构示意图；
26.图5是本发明实施例提供的分布式调磁环的局部放大图；
27.图6是现有的同轴磁齿轮周向尺寸与磁通密度曲线图；
28.图7是现有的同轴磁齿轮谐波阶数与谐波振幅图；
29.图8是本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮周向尺寸与磁通密度曲线图；
30.图9是本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮谐波阶数与谐波振幅图；
31.图10是现有的同轴磁齿轮的涡流损耗曲线图；
32.图11是本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮的涡流损耗曲线图。
33.图标：1-内转子；2-外转子；3-分布式调磁环；4-导磁片；5-非导磁片；内转子铁芯；7-内转子永磁体；8-内气隙；9-外转子铁芯；10-外转子永磁体；11-外气隙；12-绕碳纤维带；13-碳纤维柱。
具体实施方式
34.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种少谐波分布调制式高速磁齿轮进行详细说明。
35.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
36.实施例一
37.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种传动比为1:9的少谐波分布调制式高速磁齿轮的横截面示意图。
38.如图所示，本发明的一种少谐波分布调制式高速磁齿轮，其特征在于，包括：内转子1、外转子2和分布式调磁环3；其中，内转子1同轴设置在外转子2内，分布式调磁环3同轴设置在内转子1和外转子2之间。
39.在本实施例中，分布式调磁环3的内侧面为沿着周向连续交替的弧形凸起和弧形凹陷形成的曲面，曲面的内廓线呈正弦曲线分布，曲面与内转子1的外壁之间形成了径向厚度周期性变化的内气隙8；分布式调磁环3与外转子2的内壁形成外气隙11。
40.值得注意的是，因为分布式调磁环3使等效气隙厚度沿径向正弦曲线分布，解决了磁场调制的问题，不仅气隙磁场无效谐波含量少，即不产生驱动扭矩的谐波含量少，还避免了偏心谐波磁齿轮产生的不平质量力，使内转子能够达到更高的转速；同时，满足了磁齿轮较高的传动效率和较大的传动比，结构上也更为紧凑，为单级结构。
41.在本实施例中，内转子1包括：内转子铁芯6和内转子永磁体7；内转子铁芯6同轴设置在内转子永磁体7内，内转子永磁体7与内转子铁芯6的外壁固定连接。
42.在一个可选的实施方式中，内转子永磁体7包括若干个圆弧状内转子永磁块，若干个内转子永磁块沿内转子铁芯6的外壁设置；相邻的内转子永磁块磁极相反。环状的内转子永磁块的充磁方式为平行充磁，圆弧状的内转子永磁块的充磁方式为径向充磁。
43.在本实施例中，外转子2包括：外转子铁芯9和外转子永磁体10；外转子永磁体10同轴设置在外转子铁芯9内，外转子永磁体10与外转子铁芯9的内壁固定连接。
44.在一个可选的实施方式中，外转子永磁体10包括若干个圆弧状的外转子永磁块，若干个外转子永磁块沿外转子铁芯9的内壁设置；相邻的外转子永磁块磁极相反。圆弧状的
外转子永磁块的充磁方式为径向充磁。
45.在本实施例中，少谐波分布调制式高速磁齿轮还包括：碳纤维柱13；碳纤维柱13分别设置在相邻的内转子永磁块间和相邻的外转子永磁块间，用于增强内转子永磁体7与外转子永磁体10的结构强度。
46.在本实施例中，少谐波分布调制式高速磁齿轮还包括：碳纤维带12；碳纤维带12缠绕包覆在分布式调磁环3的外壁和内转子永磁体7的外壁，用于增强分布式调磁环3和内转子永磁体7的结构强度。
47.在一个可选的实施方式中，外转子永磁体10的内壁同样缠绕包覆碳纤维带12。
48.请结合参见图4和图5，图4是本发明实施例提供的少谐波分布调制式高速磁齿轮的分布式调磁环的结构示意图；图5是本发明实施例提供的分布式调磁环的局部放大图。
49.如图所示，分布式调磁环3包括若干个沿周向交替堆叠排列的导磁片4和非导磁片5，若干个导磁片4和非导磁片5的内侧面形成沿着周向连续交替的弧形凸起和弧形凹陷形成的曲面，曲面的内廓线正弦曲线分布。曲面与内转子1的外壁间形成的内气隙8沿径向的厚度也呈正弦曲线分布。功能上，分布式调磁环3对内转子1和外转子2产生的谐波进行调制，内转子永磁体7和外转子永磁体10产生的谐波与其充磁方向有关，经分布式调磁环3的调制呈周期性变化，最后都可以分解为一系列幅值与相位不同三角函数波。
50.值得注意的是，分布式调磁环3局部结构上具有磁取向性，即其径向磁导率高，轴向磁导率低，能够减少轴向漏磁，提高了传动效率。
51.在本实施例中，外转子永磁体10的极对数、内转子永磁体7的极对数和内气隙8的径向厚度变化周期满足ps＝|p
±
p
ω
|；
52.其中，ps为外转子永磁体10的极对数；p为内转子永磁体7的极对数；p
ω
为内气隙8的厚度变化周期。在本实施例中，内转子1采用平行充磁方式，其内转子永磁体7的极对数p为1，外转子永磁体10的极对数ps为9，其内气隙8的厚度变化周期p
ω
为8，因此该结构的传动比为1:9。
53.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种传动比为1:5的少谐波分布调制式高速磁齿轮的横截面示意图。
54.如图所示，内转子1采用径向充磁方式，其内转子永磁体7的极对数p为2，外转子永磁体10的极对数ps为10，其内气隙8的厚度变化周期p
ω
为8，因此该结构的传动比为1:5。
55.请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种传动比为6:23的少谐波分布调制式高速磁齿轮的横截面示意图。
56.如图所示，内转子1采用径向充磁方式，其内转子永磁体7的极对数p为6，外转子永磁体10的极对数ps为23，其内气隙8的厚度变化周期p
ω
为29，因此该结构的传动比为6:23。
57.进一步地，依次类推，根据实际所需的传动比，对内转子1和外转子2的极对数进行调整，同时依据上述关系对分布式调磁环3的结构进行调整。
58.以下，通过模拟对本发明的实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮的工作原理进行说明：
59.请结合参见图6-图9，图6是现有的同轴磁齿轮周向尺寸与磁通密度曲线图；图7是现有的同轴磁齿轮谐波阶数与谐波振幅图；图8是本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮周向尺寸与磁通密度曲线图；图9是本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮
谐波阶数与谐波振幅图。
60.在仅有外转子永磁体励磁的情况下，磁场经各自的调磁环调制后，现有的同轴磁齿轮的谐波振幅如图7所示，除23阶基波和6阶有效谐波外，还存在7个幅值较大的高次谐波，其中，最低的为93阶谐波，其谐波幅值为0.0028t。本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮的谐波振幅如图9所示，除23阶基波和6阶有效谐波外，只存在3个幅值较大的高次谐波，其中，最低的为81阶谐波，其谐波幅值为0.0029t。上述结果表明：采用分布式调磁技术，较传统方式减少了57％的气隙磁场高阶谐波含量，从而实现了少谐波的效果。
61.请结合参见图10和图11，图10是现有的同轴磁齿轮的涡流损耗曲线图；图11是本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮的涡流损耗曲线图。
62.如图所示，在稳态工况下(即内转子24000r/min，外转子6261r/min，调磁环转子静止)，现有的同轴磁齿轮的涡流损耗为3.1kw，本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮的涡流损耗为2.1kw。上述结果表明：采用分布式调磁技术后，降低了32％的涡流损耗，提高了效率。
63.值得注意的是，本发明实施例的分布式调磁环3通过其拓扑结构，调节内转子1与外转子2之间的等效气隙厚度，由于分布式调磁环3中的导磁片4分布密集，接近连续，理论上，分布式调磁环3对应的气隙磁导波可以设计为单个正弦波(载波)。该载波经永磁体磁场调制后，主要生成一个有效载波和一个无效载波，其中，有效载波与永磁体磁场产生的谐波耦合，达到转矩传递效果。分布式调制技术克服了传统集中式调制技术的不足，显著降低了无效载波含量。
64.本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮，分布式调磁环中导磁块的径向长度沿周向呈正弦曲线分布，使得等效气隙厚度在周向上同样呈正弦曲线变化，改变了周向气隙厚度分布，从而达到磁场调制的效果。并且分布式调磁环局部结构具有磁取向性，即径向磁导率高，周向磁导率低，能减少周向漏磁。该结构的气隙磁场无效谐波含量低，不产生驱动扭矩的谐波含量低。因此，从源头上降低了电磁损耗。该结构的气隙磁场无效谐波含量低，即不产生驱动扭矩的谐波含量低。
65.本发明实施例的少谐波分布调制式高速磁齿轮，结构紧凑，内转子和外转子同轴旋转。避免了偏心谐波磁齿轮产生的不平衡质量力，有利于内转子达到更高速度，且能够获得较大的传动比，且大传动比下转矩密度高，在高速运行时电磁损耗小。应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
66.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定
本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种少谐波分布调制式高速磁齿轮，其特征在于，包括：内转子(1)、外转子(2)和分布式调磁环(3)；其中，所述内转子(1)同轴设置在所述外转子(2)内，所述分布式调磁环(3)同轴设置在所述内转子(1)和所述外转子(2)之间；所述分布式调磁环(3)的内侧面为沿着周向连续交替的弧形凸起和弧形凹陷形成的曲面，所述曲面的内廓线呈正弦曲线分布，所述曲面与所述内转子(1)的外壁之间形成了径向厚度周期性变化的内气隙(8)；所述分布式调磁环(3)包括若干个沿周向交替堆叠排列的导磁片(4)和非导磁片(5)；所述分布式调磁环(3)与所述外转子(2)的内壁之间形成外气隙(11)。2.根据权利要求1所述的少谐波分布调制式高速磁齿轮，其特征在于，所述内转子(1)包括：内转子铁芯(6)和内转子永磁体(7)；所述内转子铁芯(6)同轴设置在所述内转子永磁体(7)内，所述内转子永磁体(7)与所述内转子铁芯(6)的外壁固定连接；所述内转子永磁体(7)包括若干个圆弧状内转子永磁块，所述若干个内转子永磁块沿所述内转子铁芯(6)的外壁设置；相邻的所述内转子永磁块磁极相反。3.根据权利要求2所述的少谐波分布调制式高速磁齿轮，其特征在于，所述外转子(2)包括：外转子铁芯(9)和外转子永磁体(10)；所述外转子永磁体(10)同轴设置在所述外转子铁芯(9)内，所述外转子永磁体(10)与所述外转子铁芯(9)的内壁固定连接；所述外转子永磁体(10)包括若干个圆弧状的外转子永磁块，所述若干个外转子永磁块沿所述外转子铁芯(9)的内壁设置；相邻的所述外转子永磁块磁极相反。4.根据权利要求3所述的少谐波分布调制式高速磁齿轮，其特征在于，所述少谐波分布调制式高速磁齿轮还包括：碳纤维柱(13)；所述碳纤维柱(13)分别设置在相邻的所述内转子永磁块间和相邻的所述外转子永磁块间。5.根据权利要求2所述的少谐波分布调制式高速磁齿轮，其特征在于，所述少谐波分布调制式高速磁齿轮还包括：碳纤维带(12)；所述碳纤维带(12)缠绕包覆在所述分布式调磁环(3)的外壁和所述内转子永磁体(7)的外壁。6.根据权利要求3所述的少谐波分布调制式高速磁齿轮，其特征在于，所述外转子永磁体(10)的极对数、所述内转子永磁体(7)的极对数和所述内气隙(8)的径向厚度变化周期满足p
s
＝p
±
p
ω
；其中，p
s
为外转子永磁体(10)的极对数；p为内转子永磁体(7)的极对数；p
ω
为内气隙(8)的厚度变化周期。

技术总结
本发明涉及一种少谐波分布调制式高速磁齿轮，包括：内转子、外转子和分布式调磁环；内转子同轴设置在外转子内，分布式调磁环同轴设置在内转子和外转子之间；分布式调磁环的内侧面为沿着周向连续交替的弧形凸起和弧形凹陷形成的曲面，曲面的内廓线呈正弦曲线分布，曲面与内转子的外壁之间形成了径向厚度周期性变化的内气隙；分布式调磁环包括若干个沿周向交替堆叠排列的导磁片和非导磁片。本发明分布式调磁环中导磁块的径向长度沿周向呈正弦曲线分布，改变了周向气隙厚度分布，分布式调磁环局部结构具有磁取向性减少周向漏磁。内转子和外转子同轴旋转。避免了偏心谐波磁齿轮产生的不平衡质量力，大传动比下转矩密度高，在高速运行时电磁损耗小。速运行时电磁损耗小。速运行时电磁损耗小。


技术研发人员：程文杰 薛世龙
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/8/5