新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的製作方法

2023-04-24 00:28:11 1

專利名稱：新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的製作方法
技術領域：
本發明是一種新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副，是利用電磁式磁性齒輪傳動技術來實現高轉速小力矩機械能與低轉速大力矩機械能相互轉換的可控變速傳動裝置，可直接取代常規的機械齒輪傳動離合變速系統，廣泛應用於風力發電、水力發電、電動汽車、船艦驅動及其它需要直接驅動的工業傳動領域。
背景技術：
在工業應用的許多傳動領域往往需要實現低轉速大力矩的機械能與高轉速低力矩機械能的相互轉換，比如風力發電和水力發電領域需要將極低轉速且可變的風能、水的勢能轉換成高轉速的發電用機械動能，電動汽車和潛艇驅動領域又需要將驅動電機的高速機械功率變換成轉速很低而力矩很大的機械功率。按現有常規的設計技術，極低轉速和大力矩會使得電機體積龐大，增加電機單位千瓦數的材料消耗並使得工程量巨大；為此，現有公知的普遍方法是藉助機械齒輪變速傳動技術來實現低轉速、大力矩的輸出和恆功率調速範圍的要求，長期以來機械齒輪傳動技術的基本形式沒有變化，即始終是依靠機械式齒輪 副的兩輪齒的嚙合進行傳動。這就給齒輪傳動帶來了一些不可消除的問題，如機械疲勞、摩擦損耗、震動噪音等，儘管可以採用油脂潤滑技術，但以上問題依舊無法根除，導致使用維護極其繁瑣，常規高變速比的機械齒輪變速系統傳動效率低、噪聲大、可靠性差。固定傳動速比的機械式齒輪副傳動使得需要在更寬轉速範圍的多級、分檔調速機構結構複雜，無法適應越來越多的無級變速的傳動技術要求，為滿足大範圍變矩變速的使用要求，傳統的做法採用了機械式離合變速機構，不僅導致整體結構複雜，而且長久頻繁的離合操作對系統的可靠性和壽命挑戰極大，也往往使得離合機構的操縱控制複雜化。中國是世界上稀土永磁材料最豐富的國家，大力發展稀土材料的應用有現實的意義。隨著控制技術的進步，稀土永磁材料在電驅動領域已經得到廣泛應用，稀土永磁材料做成的各類電機產品，其單位體積材料傳送的力矩密度大，能源利用效率高而能耗小，顯示出其稀土材料巨大的優越性。近年來，隨著風力發電、電動汽車等新能源應用領域的發展需求，國內外開始在新型磁性傳動技術上實現對機械傳動的技術突破，2004年英國和丹麥學者提出了磁場調製技術理論及其傳動結構，並從實踐上完成了一種新型徑向磁場調製式磁性齒輪的設計及樣機驗證工作，克服了以往永磁齒輪傳動扭矩較小的缺點，這給永磁材料在機械傳動領域的應用開闢了一個重要的研究方向和未來的應用領域。這種基於磁場調製技術的磁性齒輪結構有一個特點，即是採用磁場調製原理來對主動輪和從動輪的不同極數的永久磁場進行調製，具體在結構上的方法就是在主動輪和從動輪之間加設了一個具有定向定數的導磁柵鐵心做導磁極，從而有目的地隔離兩個不同極數的傳動輪。以上基於磁場調製技術而設計的磁性齒輪從理論原理到結構方案上存在兩大致命的不足第一，從理論上看，起磁場調製作用的導磁柵鐵心極(齒)數必須滿足約束條件，從而導致磁性齒輪在運轉傳動的任意時刻都只有不到一半的永磁體處於相互磁場I禹合的工作狀態，有一半以上的永磁體磁極處於閒置的非耦合狀態，即稀土永磁體磁極的耦合度理論上就低於50% ;第二，從結構上看，加設導磁柵鐵心必然使磁性齒輪副具有了兩個氣隙，將必然消耗稀土永磁體的大量磁動勢，如果不加厚磁極厚度則必然導致處於耦合工作狀態的永磁體磁通量降低，從而影響所傳遞的轉矩大小；第三，導磁柵鐵心的存在使得氣隙磁阻與磁勢交變脈動，導致轉矩周期性波動，不僅影響傳動精度，而且導磁柵鐵心所受的機械轉矩大，其結構強度也是影響其壽命的主要因素。所以，要降低磁性齒輪傳動技術的成本並進一步提高其傳遞的力矩，就必須從原理上突破磁場調製技術的理論約束，並且從結構設計上跳出雙氣隙的結構制約。近期，本案發明人之一也提出過新型橫向和徑向磁場的少極差磁場耦合式偏心磁性齒輪副(201110277432. 3,201120350893. 4 和 201110355864. 1,201120444409. 4)，這種磁性齒輪副是利用兩個傳動輪副上的兩種不同極數的永久磁場相互作用、相互耦合來達到傳遞力矩和變速傳動的目的，但是這種少極差雙永磁耦合變速的概念，由於稀土材料的永久磁場無法調節使其不能實現離合控制，更不能隨負載大小來自動調節力矩大小，只能實現簡單的變速傳動的目的，截止目前為止國內外均還沒有人提出過利用電磁場原理來改進少極差偏心磁性齒輪副的工作原理和具體應用結構，而這樣的技術研究和結構發明對於既 需要離合功能又要實現變速變矩目的應用場合卻恰恰具有重要的現實意義。
發明內容針對現有機械式齒輪傳動技術存在的問題以及目前公知的、基於磁場調製技術的磁性傳動齒輪副的致命缺陷以及之前公布的少極差雙永久磁場耦合式磁性齒輪存在的不足，本技術發明的目的在於提供一種磁場可調可控的新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副新結構。本發明的基本構思是，借鑑機械齒輪傳動領域的新型少齒差行星齒輪傳動的原理以及直流電機定子電流勵磁原理，將輸入給偏心結構的行星輪的公轉通過轉子永久磁場與定子電磁場相互異極性耦合吸引的原理來實現行星輪的自轉，經輸出結構將行星輪自轉輸出，從而實現了無機械接觸、無摩擦的、勵磁電流可隨負載大小調節的且可實現離合功能的動力變速變矩傳動。以下結合圖I、圖2來說明這種新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的工作原理及結構特徵，圖中項I為偏心輸入軸，項2為軸承I，項3為前端蓋，項4為定子機殼，項5為定子鐵芯，項6為定子繞組，項7為引出線，項8為後端蓋輸出轉動盤，項9為輸出機構，項10為軸承II，項11為輸出軸，項12為軸承III，項13為行星轉子軸承蓋，項14為拉緊螺釘，項15為軸承IV，項16為行星轉子鐵芯，項17為轉子永磁體，項18為外部電源；圖中符號標識N表不極性為N的永磁體，S表不極性為S的永磁體，a表不行星轉子鐵芯16與定子的偏心距，e表示定子與行星轉子之間的最小氣隙的長度，D1表示定子鐵芯5的內徑，D2表不行星轉子的外徑，T1表不偏心輸入軸I的輸入轉速和輸入力矩，n 2> T2表不輸出軸11的輸出轉速和輸出力矩，Zp1表不定子繞組6建立的定子電磁場的極數,2ρ2表不轉子永磁體17的分布極數，Z1表不定子鐵芯5內圓均布的嵌線槽的槽數，U表不外部電源18供給的端電壓，I表示外部電源18提供的勵磁電流。從圖I的徑向結構工作原理拓撲圖與圖2的軸向結構全剖面圖可知，新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的工作原理與機械式的K-H-V型少齒差行星齒輪類似工作時，電壓為U的外部電源18提供的電流I通過定子繞組6建立起極數為2Pl的定子電磁場，偏心輸入軸I帶動行星轉子鐵芯16繞旋轉軸線公轉，偏心公轉的行星轉子鐵芯16上的轉子永磁體17與定子電磁場通過偏心徑向氣隙而磁場耦合驅使行星轉子繞自身軸線反向自轉，再通過圖中虛線框所示的輸出機構9將行星轉子的低速自轉輸出；當外部電源18被切斷後，由於定子電磁場消失，偏心輸入軸I僅能驅動行星轉子公轉無法實現行星轉子的自轉，對外不輸出低速自轉力矩，從而實現了電控離合功能；負載大小變化時，可通過調節外部電源18提供的定子勵磁電流I的大小實現對負載力矩的隨動跟蹤調整。新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的結構特徵是一、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副由定子機殼4、具有Z1A嵌線槽的定子鐵芯5和槽中裝有2Pl個定子繞組6所組成的定子，和行星轉子鐵芯16及其外圓上分布有2p2個轉子永磁體17所組成的行星轉子構成一對磁性齒輪副，行星轉子的永久磁場通過徑向偏心的氣隙與定子繞組6中的電流I產生的電磁場耦合，形成磁性齒輪副的徑向磁場；定子繞組6的分布極對數P1與轉子永磁體17的分布極對數P2為彼此互素的正整數對，形成固定差值的少極差，並滿足以下關係約束P1 > P2，且I SP1-P2 <4; 二、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的定子與行星轉子呈偏心分布結構，由套裝有軸承12、軸承III12和軸承IV15的偏心輸入軸I將少極差的磁性齒輪副連接成偏心結構；其中，行星轉子鐵芯16與旋轉中心的偏心距a、定子與行星轉子之間的最小氣隙的長度e、定子鐵芯5的內徑D1、行星轉子的外徑D2、以及極對數P1和P2滿足以下結構關係約束(D「2Xe) -i-D2=P1-^P2 ，a=0. 5 X (D「D2-2Xe)；三、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副由螺栓將前端蓋3、後端蓋8與定子機殼4緊固裝配為整體結構，在偏心輸入軸I輸入力矩T !和轉速Ii1的輸入狀態下，其輸出結構方式為定子機殼4固定而輸出軸11旋轉輸出力矩T2和轉速n2,此時,磁性齒輪副的傳動滿足約束T2+ T1=Ii1^n2=-P2+ (P1-P2)，輸入轉速Ii1和輸出轉速n2的旋轉方向相反。採用上述技術方案所達到的技術經濟效果與普通機械式齒輪傳動副相比，本發明涉及的新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副具有如下明顯的優勢①高效節能、低炭環保由於消除了普通機械式齒輪傳動的接觸摩擦，傳動損耗僅僅包括一些鐵心損耗，理論上最高傳動效率可達到95%，比機械齒輪傳動普遍提高8%，屬於高效節能型產品，符合低炭環保經濟特點，廣泛推廣應用可極大地節省能源，降低碳排放。②能量(力矩)密度較高少極差磁場耦合技術使得永磁體的磁場異極性耦合程度比磁場調製式結構的磁性齒輪提高很多，使磁性材料單位體積傳送的轉矩密度得到提高，本系列新型稀土磁性傳動齒輪所傳送的轉矩密度高於60kN. m/m3 ;為磁性齒輪傳動技術應用於需要大力矩的工業化動力傳動及精密傳動領域奠定了基礎。③無回差、無磨損，可靠性高、壽命長由於無機械接觸摩損，不僅消除了機械齒輪因齒隙和磨損而引起的不可避免的齒輪迴差困擾，而且大大提高了傳動機構的壽命極限，對於定位精度要求極高且頻繁正反轉的雷達伺服跟蹤系統、工業機器人伺服驅動機構等領域有現實的應用價值。④無汙染、低噪音不存在機械齒輪傳動時因齒部嚙合接觸而產生的震動噪音，且無需潤滑油脂，清潔、無油汙、防塵、防水等，對於噪音要求極高的領域如長期水下航行的核潛艇降低本體噪音具有潛在的軍事應用價值。⑤傳動平穩、緩衝隔離、可控調節、過載保護轉速傳動比恆定，轉速的動態瞬時穩定度高，運行平穩；在過載時因主、從動輪滑轉而隨時切斷傳動關係，不會損壞負載或者原動機；通過電磁場耦合隔離了原動機與負載機械，可方便實現電控離合功能，且可以實現對負載的跟蹤隨動功能。⑥加工方便、工藝簡單無需昂貴的機械齒輪加工和檢測設備，也不存在機械齒輪在設計加工上常常需要變位修正的設計加工繁瑣，所有製造工藝技術均為電機工業領域成熟的工藝，一次性設備投資少，主要為裝配作業，便於組織大規模流水線生產。

圖I是新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的徑向結構工作原理拓撲圖。
·[0022]圖2是新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的軸向結構全剖面圖。以上圖中1.偏心輸入軸，2.軸承I，3.前端蓋，4.定子機殼，5.定子鐵芯，6.定子繞組，7.引出線，8.後端蓋輸出轉動盤，9.輸出機構，10.軸承II，11.輸出軸，12.軸承III，13.行星轉子軸承蓋，14.拉緊螺釘，15.軸承IV，16.行星轉子鐵芯，17.轉子永磁體，18.外部電源；圖中符號標識N表不極性為N的永磁體，S表不極性為S的永磁體，a表不行星轉子鐵芯16與定子的偏心距，e表示定子與行星轉子之間的最小氣隙的長度，D1表示定子鐵芯5的內徑，D2表不行星轉子的外徑，叫、T1表不偏心輸入軸I的輸入轉速和輸入力矩，n2、T2表不輸出軸11的輸出轉速和輸出力矩，Zp1表不定子繞組6建立的定子電磁場的極數，2p2表示轉子永磁體17的分布極數，Z1表示定子鐵芯5內圓均布的嵌線槽的槽數，U表示外部電源18供給的端電壓，I表示外部電源18提供的勵磁電流。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施方式
對本發明做進一步的說明圖I是新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的徑向結構工作原理拓撲圖。圖2是新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的軸向結構全剖面圖。一、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的工作原理為工作時，電壓為U的外部電源18提供的電流I通過定子繞組6建立起極數為2Pl的定子電磁場，偏心輸入軸I帶動行星轉子鐵芯16繞旋轉軸線公轉，偏心公轉的行星轉子鐵芯16上的轉子永磁體17與定子電磁場通過偏心徑向氣隙而磁場耦合驅使行星轉子繞自身軸線反向自轉，再通過圖中虛線框所示的輸出機構9將行星轉子的低速自轉輸出；當外部電源18被切斷後，由於定子電磁場消失，偏心輸入軸I僅能驅動行星轉子公轉無法實現行星轉子的自轉，對外不輸出低速自轉力矩，從而實現了電控離合功能；負載大小變化時，可通過調節外部電源18提供的定子勵磁電流I的大小實現對負載力矩的隨動跟蹤調整。從圖2可以看出新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的內部結構特徵如下二、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副由定子機殼4、具有Z1A嵌線槽的定子鐵芯5和槽中裝有2Pl個定子繞組6所組成的定子，和行星轉子鐵芯16及其外圓上分布有2p2個轉子永磁體17所組成的行星轉子構成一對磁性齒輪副，行星轉子的永久磁場通過徑向偏心的氣隙與定子繞組6中的電流I產生的電磁場耦合，形成磁性齒輪副的徑向磁場；定子繞組6的分布極對數P1與轉子永磁體17的分布極對數P2為彼此互素的正整數對，形成固定差值的少極差，並滿足以下關係約束P1 > P2，且I SP1-P2 <4;三、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的定子與行星轉子呈偏心分布結構，由套裝有軸承12、軸承III12和軸承IV15的偏心輸入軸I將少極差的磁性齒輪副連接成偏心結構；其中，行星轉子鐵芯16與旋轉中心的偏心距a、定子與行星轉子之間的最小氣隙的長度e、定子鐵芯5的內徑D1、行星轉子的外徑D2、以及極對數P1和P2滿足以下結構關係約束(Df2 X e)+D2=P1+ p2 , a=0. 5 X (0^2~2 X e)；四、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副由螺栓將前端蓋3、後端蓋8與定子機殼4緊固裝配為整體結構，在偏心輸入軸I輸入力矩T !和轉速Ii1的輸入狀態下，其 輸出結構方式為定子機殼4固定而輸出軸11旋轉輸出力矩T2和轉速n2,此時,磁性齒輪副的傳動滿足約束T2+ T1=Ii1^n2=-P2+ (P1-P2)，輸入轉速Ii1和輸出轉速n2的旋轉方向相反。五、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的行星轉子的結構特徵是偏心且繞旋轉中心軸線公轉的行星轉子是主動輪，行星轉子鐵芯16的內孔安裝有軸承IV15，兩端由行星轉子軸承蓋13和拉緊螺釘14壓緊軸承；轉子永磁體17用永磁材料製成，且按N極S極間隔排列分布的方式安裝緊固於行星轉子鐵芯16的外圓，行星轉子鐵芯16由導磁的矽鋼板經衝壓加工製成衝片形再經疊壓焊接為一整體，在行星轉子鐵芯16的磁軛部位加工有將其自轉轉換到輸出軸11旋轉中心轉動的輸出機構9所需要的圓周均布銷孔。六、新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的定子的特徵是驅使偏心公轉的行星轉子同時自轉的從動機構是定子，定子機殼4由導磁的鋼管經機械切削加工製成，定子鐵芯5由導磁的矽鋼板經衝壓加工製成衝片形再經疊壓焊接為一整體，定子鐵芯內圓均勻分布有Z1個嵌線槽，定子鐵芯5採用緊配合裝於定子機殼4內孔，定子繞組6用導電材料銅線繞製成型並嵌裝於定子鐵芯5內圓均布的Z1個嵌線槽內，並經引出線7與外部電源18電路連接，電壓為U的外部電源18提供的電流I通過定子繞組6建立起極數為2Pi的定子電磁場。以上所述的僅是本技術發明的優選實施方式，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本技術發明原理的前提下，還可以作出若干結構變形和改進(如將本發明涉及的磁性齒輪副進行多極直軸串聯即可構成多級變速傳動系統)，這些也應該視為本技術發明的保護範圍，這些都不會影響本技術發明實施的效果和實用性。
權利要求1.新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副，其特徵是 新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副由定子機殼(4)、具有Z i個嵌線槽的定子鐵芯(5)和槽中裝有2Pl個定子繞組(6)所組成的定子，和行星轉子鐵芯(16)及其外圓上分布有2p2個轉子永磁體(17)所組成的行星轉子構成一對磁性齒輪副，行星轉子的永久磁場通過徑向偏心的氣隙與定子繞組(6)中的電流I產生的電磁場I禹合，形成磁性齒輪副的徑向磁場；定子繞組￠)的分布極對數P1與轉子永磁體(17)的分布極對數P2為彼此互素的正整數對，形成固定差值的少極差，並滿足以下關係約束P1 > P2，且I SP1-P2 <4; 新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副的定子與行星轉子呈偏心分布結構，由套裝有軸承I (2)、軸承III (12)和軸承IV(15)的偏心輸入軸(I)將少極差的磁性齒輪副連接成偏心結構；其中，行星轉子鐵芯(16)與旋轉中心的偏心距a、定子與行星轉子之間的最小氣隙的長度e、定子鐵芯(5)的內徑D1、行星轉子的外徑D2、以及極對數？1和？2滿足以下結構關係約束(D「2Xe) +D2=P1+ p2，a=0. 5 X (D「D2_2Xe)； 新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副由螺栓將前端蓋(3)、後端蓋(8)與定子機殼(4)緊固裝配為整體結構，在偏心輸入軸(I)輸入力矩T1和轉速Ii1的輸入狀態下，其輸出結構方式為定子機殼(4)固定而輸出軸(11)旋轉輸出力矩T2和轉速n2,此時,磁性齒輪副的傳動滿足約束=T2^T1=Iifn2=-P2+ (P1-P2)，輸入轉速Ii1和輸出轉速n2的旋轉方向相反。
2.根據權利要求I所述的一種新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副，其特徵是偏心且繞旋轉中心軸線公轉的行星轉子是主動輪，行星轉子鐵芯(16)的內孔安裝有軸承IV(15)，兩端由行星轉子軸承蓋(13)和拉緊螺釘(14)壓緊軸承；轉子永磁體(17)用永磁材料製成，且按N極S極間隔排列分布的方式安裝緊固於行星轉子鐵芯(16)的外圓，行星轉子鐵芯(16)由導磁的矽鋼板經衝壓加工製成衝片形再經疊壓焊接為一整體，在行星轉子鐵芯(16)的磁軛部位加工有將其自轉轉換到輸出軸(11)旋轉中心轉動的輸出機構(9)所需要的圓周均布銷孔。
3.根據權利要求I所述的一種新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副，其特徵是驅使偏心公轉的行星轉子同時自轉的從動機構是定子，定子機殼(4)由導磁的鋼管經機械切削加工製成，定子鐵芯(5)由導磁的矽鋼板經衝壓加工製成衝片形再經疊壓焊接為一整體，定子鐵芯內圓均勻分布有Z1A嵌線槽，定子鐵芯(5)採用緊配合裝於定子機殼(4)內孔，定子繞組(6)用導電材料銅線繞製成型並嵌裝於定子鐵芯(5)內圓均布的Z1個嵌線槽內，並經引出線(7)與外部電源(18)電路連接，電壓為U的外部電源(18)提供的電流I通過定子繞組(6)建立起極數為2Pl的定子電磁場。
專利摘要新型徑向磁場的少極差電磁式偏心磁性齒輪副，可廣泛應用於風力發電、電動汽車、船艦驅動等工業傳動領域。其特徵是由定子機殼4、具有Z1個嵌線槽的定子鐵芯5和槽中裝有2p1個定子繞組6所組成的定子，和行星轉子鐵芯16及其外圓上分布有2p2個轉子永磁體17所組成的行星轉子構成一對磁性齒輪副，極對數p1與p2互素並形成固定差值的少極差，由套裝有軸承IV15的偏心輸入軸1將少極差的定子與行星轉子連成偏心結構，偏心輸入軸1帶動行星轉子繞旋轉軸線公轉，行星轉子的永久磁場通過徑向偏心的氣隙與定子電磁場耦合，轉子永磁體17受定子電磁場作用而驅使行星轉子繞自身軸線反向自轉，通過輸出機構9和輸出軸11將低速自轉輸出。
文檔編號H02K1/16GK202616967SQ20122012764
公開日2012年12月19日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者盧敏, 胡捷, 餘虹錦 申請人:餘虹錦