一種圓筒式直線磁力齒輪的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型屬于非接觸式機械傳動技術(shù)領域，具體涉及一種具有阻尼繞組的磁場調(diào)制圓筒式直線磁力齒輪。
【背景技術(shù)】
[0002]磁力齒輪是一種新型的磁力傳動機械，依靠磁場耦合作用傳遞動力。由于不存在傳統(tǒng)機械齒輪的嚙合關系，可以避免潤滑維護，具有較高的傳動效率和過載自保護能力。另夕卜，磁力齒輪不需要機械齒輪的精加工和熱處理，極大地簡化了加工工藝。同時，磁力齒輪的輸入與輸出兩個機械端口沒有直接接觸，使得它在有毒、有害等流體栗類驅(qū)動中具有特殊的優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外研究熱點。英國Kais.Atallah、中國江建中等人申請的磁場調(diào)制式磁力齒輪專利(US7973441B2; GB2439111A; 201010118737.5)，具有力密度高，機械損耗低等特點。近年來，具有直線運動軌跡的電力傳動系統(tǒng)應用日益廣泛，英國謝菲爾德大學J.Wang、香港大學 K.T.Chau 等人在 ffiEE TRANSACT1NS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY和IEEE TRANSACT1NS ON MAGNETICS等國際權(quán)威期刊上發(fā)表了有關直線磁力齒輪的研究成果。直線磁力齒輪因省去了將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，減小了裝置體積，節(jié)省了系統(tǒng)成本，提高了傳動效率，因此具有廣闊的應用前景。然而，現(xiàn)有的直線磁力齒輪設計，主要通過諧波磁場實現(xiàn)動力傳遞，推力波動和振動噪聲問題不容忽視，尤其在負載擾動過程中，影響整個電力傳動系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，從而限制了磁力齒輪的推廣應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是能夠有效抑制現(xiàn)有磁場調(diào)制直線式磁力齒輪設計中的推力波動，從而提高磁力齒輪的動態(tài)穩(wěn)定性。
[0004]本實用新型是圓筒式直線磁力齒輪，該齒輪包括三層環(huán)狀體，呈雙氣隙結(jié)構(gòu)，即內(nèi)磁環(huán)9、外磁環(huán)7和一個由高導磁材料和非導磁材料組成的調(diào)磁環(huán)8，調(diào)磁環(huán)8位于內(nèi)外磁環(huán)之間；內(nèi)磁環(huán)9和內(nèi)部背軛10構(gòu)成低速動子11，外磁環(huán)7和外部背軛5構(gòu)成高速動子4，且高速動子4上布置具有閉合回路的阻尼繞組6。
[0005]本實用新型與已有技術(shù)相比較，具有如下顯著的創(chuàng)新特點:本實用新型的圓筒式直線磁力齒輪的高速動子側(cè)布置阻尼繞組，內(nèi)外磁環(huán)均采用Halbach陣列充磁結(jié)構(gòu)，且高速動子的磁極數(shù)與具有磁阻效應的調(diào)磁環(huán)鐵心塊數(shù)的選擇遵循“最小公倍數(shù)原則”，即高速動子的磁極數(shù)與具有磁阻效應的調(diào)磁環(huán)鐵心塊數(shù)的最小共倍數(shù)Nc=2*Pl*Ns應該越大越好。同時，內(nèi)磁環(huán)和外磁環(huán)的結(jié)構(gòu)更加靈活，可以采用永磁體勵磁或電勵磁兩種方案。
【附圖說明】
[0006]圖1是本實用新型一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的動子、定子軸向剖面圖；圖3是圖2的A-A剖面圖；圖4是圖1低速動子和高速動子的永磁體Halbach陣列充磁不意圖；圖5為圖2的二維結(jié)構(gòu)不意圖；圖6是本實用新型第一■個實施例的結(jié)構(gòu)不意圖；圖7是本實用新型第二個實施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本實用新型第三個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本實用新型第三個實施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標記及對應名稱為:電機中心軸1，端蓋2，機座3，高速動子4，外部背軛5，阻尼繞組6，外磁環(huán)7，調(diào)磁環(huán)8，內(nèi)磁環(huán)9，內(nèi)部背軛10，低速動子11，內(nèi)層氣隙12，外層氣隙13，低速軸14，高速軸15，定子鐵心16，定子非導磁體17，外部鐵心18，外部繞組19，內(nèi)部鐵心20，內(nèi)部繞組21。
【具體實施方式】
[0007]如圖1所示，本實用新型是圓筒式直線磁力齒輪，該齒輪包括三層環(huán)狀體，呈雙氣隙結(jié)構(gòu)，即內(nèi)磁環(huán)9、外磁環(huán)7和一個由高導磁材料和非導磁材料組成的調(diào)磁環(huán)8，調(diào)磁環(huán)8位于內(nèi)外磁環(huán)之間；內(nèi)磁環(huán)9和內(nèi)部背軛10構(gòu)成低速動子11，外磁環(huán)7和外部背軛5構(gòu)成高速動子4，且高速動子4上布置具有閉合回路的阻尼繞組6。
[0008]如圖1所示，本發(fā)明的圓筒式直線磁力齒輪，內(nèi)磁環(huán)由Pl對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述外磁環(huán)由P2對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且P1>P2，Ns=Pl+P2 ;所述的三層環(huán)狀體，其中任意兩個環(huán)狀體可以作為動子，剩余一個環(huán)狀體作為定子，且內(nèi)外磁環(huán)均采用準Halbach陣列充磁方式。
[0009]如圖6、圖7、圖8、圖9所示，圓筒式直線磁力齒輪，內(nèi)磁環(huán)由Pl對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述外磁環(huán)由外部鐵心18和勵磁繞組19組成，且勵磁繞組為P2對極；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2 ;所述的外磁環(huán)作為定子，內(nèi)磁環(huán)和調(diào)磁環(huán)作為動子。
[0010]如圖8所示，圓筒式直線磁力齒輪，內(nèi)磁環(huán)由內(nèi)部鐵心20和勵磁繞組21組成，且勵磁繞組為Pl對極；外磁環(huán)由外部鐵心和P2對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2 ;所述的內(nèi)磁環(huán)作為定子，外磁環(huán)和調(diào)磁環(huán)作為動子。
[0011]所述圓筒式直線磁力齒輪要實現(xiàn)一定大小范圍的傳動比，可以有多種極數(shù)選取方式，從降低齒槽推力、提高傳動效率和推力密度以及簡化制造工藝等多方面因素綜合考慮。對于某一確定的磁力齒輪變比，其高速動子的磁極數(shù)與具有磁場耦合作用的調(diào)磁環(huán)鐵心塊數(shù)的最小共倍數(shù)Nc=2*Pl*Ns應該越大越好，這里稱之為“最小公倍數(shù)原則”。因直線磁力齒輪動子磁力的波動主要是由于齒槽定位力作用而產(chǎn)生，齒槽定位力的波動頻率與Ne相同，當波動頻率越高，則波動幅值越小，所以最小公倍數(shù)原則設計有助于提高動子電磁力的穩(wěn)定性，從而減小磁力齒輪的振動和噪音。相對于高速動子，低速動子的輸出推力大，其齒槽推力的變化頻率較高，而齒槽推力的幅值相對較小，因此低速動子平均推力受齒槽推力波動的影響較小。
[0012]所述圓筒式直線磁力齒輪與傳統(tǒng)機械齒輪相比，其剛度較低，當負載或速度發(fā)生變化時，就會導致磁力齒輪產(chǎn)生電磁推力波動問題，從而降低整個傳動系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。作為本發(fā)明的一個實施案例，調(diào)磁環(huán)作為定子，內(nèi)、外磁環(huán)作為動子，在磁力齒輪的輸出動子上引入具有閉合回路的阻尼繞組，在負載、速度發(fā)生變化或起動過程中，在阻尼繞組中將產(chǎn)生感應電流，該電流在磁場作用下產(chǎn)生具有阻尼作用的電磁推力，從而有效抑制動態(tài)過程的推力波動，當磁力齒輪動子速度達到同步速之后，此感應電流為零，磁力齒輪進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。同時，為減少磁力齒輪的阻尼繞組銅耗，阻尼繞組阻值不宜過大。
[0013]所述圓筒式直線磁力齒輪的永磁體結(jié)構(gòu)中永磁體形狀為矩形或梯形，并采用Halbach陣列充磁方式，有效提高氣隙磁密的幅值與正弦度，從而可以增加磁力齒輪的功率密度，降低推力波動，減小裝置體積。
[0014]實施例一:
[0015]如圖1所示，內(nèi)磁環(huán)9的圓筒外部軸向均布Pl對極永磁體，外磁環(huán)7的圓筒內(nèi)部軸向均布P2對極永磁體，且P1>P2。在外磁環(huán)7上通過端蓋2b引出高速軸15，在內(nèi)磁環(huán)9上通過端蓋2a引出低速軸14，端蓋2a、2b的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。調(diào)磁環(huán)8為定子，定子由軸向均布的鐵心16和非導磁體17 (如環(huán)氧樹脂等)組成。正是由于定子鐵心和定子非導磁體的間隔分布使得內(nèi)層氣隙12和外層氣隙13的磁導沿軸向產(chǎn)生周期性變化，從而對內(nèi)、外氣隙磁場產(chǎn)生調(diào)制作用。圖2是圖1的動子、定子軸向剖面圖，調(diào)磁環(huán)8的定子鐵心數(shù)Ns=Pl+P2，從而使兩個動子氣隙磁場具有相同的調(diào)制基波，實現(xiàn)推力和速度的傳遞，兩個動子的傳動比為K=P1/P2。圖3是圖2中A-A處徑向剖面圖，該磁力齒輪具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)特征。如圖4所示的內(nèi)磁環(huán)9和外磁環(huán)7的永磁體均為準Halbach陣列充磁方式，用徑向陣列、斜向陣列與軸向陣列相結(jié)合的準Halbach陣列充磁方式，將離散磁塊拼接在一起得到近似正弦充磁的效果。
[0016]如圖5所示，外部背軛5上均勻布置阻尼繞組6，各套阻尼繞組自成回路，在負載發(fā)生擾動或傳動系統(tǒng)在起、制動等速度發(fā)生變化的過程中，在阻尼繞組中將產(chǎn)生感應電流，該電流在磁場作用下產(chǎn)生具有阻尼作用的電磁推力，從而有效抑制推力波動。當磁力齒輪動子速度達到同步速之后，此感應電流為零，磁力齒輪進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。
[0017]實施例二:
[0018]如圖6所示的圓筒式直線磁力齒輪，由Pl對極永磁體組成內(nèi)磁環(huán)9，內(nèi)磁環(huán)9和內(nèi)部背軛10作為低速動子；所述外磁環(huán)由外部鐵心18和Ρ2對極勵磁繞組19組成，且外磁環(huán)作為定子；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2，調(diào)磁環(huán)作為高速動子。圖7是圖6所示圓筒式直線磁力齒輪的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0019]實施例三:
[0020]如圖8所示的圓筒式直線磁力齒輪，內(nèi)磁環(huán)由內(nèi)部鐵心20和Pl對極勵磁繞組21組成，并作為定子；外磁環(huán)由P2對極永磁體組成，且作為高速動子；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2，調(diào)磁環(huán)作為低速動子。圖9是圖8所示圓筒式直線磁力齒輪的三維結(jié)構(gòu)圖。
【主權(quán)項】
1.一種圓筒式直線磁力齒輪，其特征在于:該齒輪包括三層環(huán)狀體，呈雙氣隙結(jié)構(gòu)，即內(nèi)磁環(huán)(9)、外磁環(huán)(7)和一個由高導磁材料和非導磁材料組成的調(diào)磁環(huán)(8)，調(diào)磁環(huán)位于內(nèi)外磁環(huán)之間；內(nèi)磁環(huán)(9 )和內(nèi)部背軛(10 )構(gòu)成低速動子(11)，外磁環(huán)(7 )和外部背軛(5 )構(gòu)成高速動子(4)，且高速動子(4)上布置具有閉合回路的阻尼繞組(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒式直線磁力齒輪，其特征在于內(nèi)磁環(huán)由Pl對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述外磁環(huán)由P2對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且P1>P2，Ns=Pl+P2 ;所述的三層環(huán)狀體，其中任意兩個環(huán)狀體能夠作為動子，剩余一個環(huán)狀體作為定子，且內(nèi)外磁環(huán)均采用準Halbach陣列充磁方式。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒式直線磁力齒輪，其特征在于內(nèi)磁環(huán)由Pl對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述外磁環(huán)由外部鐵心(18)和勵磁繞組(19)組成，且勵磁繞組為P2對極；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2 ;所述的外磁環(huán)作為定子，內(nèi)磁環(huán)和調(diào)磁環(huán)作為動子。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒式直線磁力齒輪，其特征在于內(nèi)磁環(huán)由內(nèi)部鐵心(20)和勵磁繞組(21)組成，且勵磁繞組為Pl對極；外磁環(huán)由外部鐵心和P2對極永磁體組成，且相鄰永磁體極性相反；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2 ；所述的內(nèi)磁環(huán)作為定子，外磁環(huán)和調(diào)磁環(huán)作為動子。
【專利摘要】一種圓筒式直線磁力齒輪，其目的是能夠有效抑制現(xiàn)有磁場調(diào)制直線式磁力齒輪設計中的推力波動，從而提高磁力齒輪的動態(tài)穩(wěn)定性；該齒輪包括三層環(huán)狀體，呈雙氣隙結(jié)構(gòu)，即內(nèi)磁環(huán)（9）、外磁環(huán)（7）和一個由高導磁材料和非導磁材料組成的調(diào)磁環(huán)（8），調(diào)磁環(huán)（8）位于內(nèi)外磁環(huán)之間；內(nèi)磁環(huán)（9）和內(nèi)部背軛（10）構(gòu)成低速動子（11），外磁環(huán)（7）和外部背軛（5）構(gòu)成高速動子（4），且高速動子（4）上布置具有閉合回路的阻尼繞組（6）。
【IPC分類】H02K51/00
【公開號】CN204928532
【申請?zhí)枴緾N201520409848
【發(fā)明人】包廣清, 劉美鈞, 李樹豹, 常勇, 張貝, 楊巧玲, 段曉燕, 任冰
【申請人】蘭州理工大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年6月15日