一種可調(diào)速比直線磁齒輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可調(diào)速比直線磁齒輪，可與直線永磁電機(jī)聯(lián)合構(gòu)成復(fù)合電機(jī)，可 用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電、海浪發(fā)電等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，對(duì)高力密度驅(qū)動(dòng)裝置的需求日益增多，以往多是通過(guò)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直 線運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這種轉(zhuǎn)化系統(tǒng)效率低，磨損、可靠性、潤(rùn)滑等均是需要考慮的問(wèn) 題。直線磁齒輪則是更為理想的選擇，這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外形簡(jiǎn)單，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪之間沒(méi) 有物理接觸，是通過(guò)磁場(chǎng)間相互耦合作用產(chǎn)生的磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)推力和功率的傳遞。磁齒輪傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)，如無(wú)需潤(rùn)滑、無(wú)噪聲、無(wú)摩擦能耗、無(wú)油污、防水防塵、有過(guò)載 保護(hù)作用等。磁齒輪也可以與電機(jī)結(jié)合進(jìn)一步提高力密度。
[0003] 盡管磁齒輪的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，收到的關(guān)注也日益增多，但是也有限制其發(fā)展 的因素。例如，機(jī)械齒輪能夠通過(guò)齒輪箱靈活改變速比，以適應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)要求，但普通磁 齒輪的速比不能改變；在普通磁齒輪中，稀土永磁材料如釹鐵硼、釤鈷在磁齒輪中被廣泛采 用，但對(duì)價(jià)格和稀土元素供應(yīng)的擔(dān)憂越來(lái)越多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種可調(diào)速比直線磁齒 輪，解決普通磁齒輪速比不能改變的問(wèn)題，同時(shí)在該發(fā)明中，高、低速動(dòng)子的永磁極片均采 用非稀土鋁鎳鈷永磁材料，比釹鐵硼永磁材料具有更高的性價(jià)比；采用低矯頑力的鋁鎳鈷 永磁材料，根據(jù)應(yīng)用需求，分別對(duì)相應(yīng)的磁化繞組進(jìn)行磁化和退磁處理，改變高速動(dòng)子和低 速動(dòng)子的永磁磁極對(duì)數(shù)，靈活改變氣隙磁密，可獲得更寬泛的調(diào)速范圍。
[0005] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種可調(diào)速比直線磁齒輪，包括高速動(dòng)子、調(diào)磁電樞和低速動(dòng)子；
[0007] 所述高速動(dòng)子包括高速動(dòng)子鐵心，在高速動(dòng)子鐵心的內(nèi)表面沿運(yùn)動(dòng)方向表貼或內(nèi) 嵌有高速動(dòng)子永磁磁片；
[0008] 所述調(diào)磁電樞包括調(diào)磁體、高速側(cè)磁化繞組和低速側(cè)磁化繞組，所示調(diào)磁體由沿 運(yùn)動(dòng)方向交錯(cuò)間隔排列的導(dǎo)磁體和非導(dǎo)磁體構(gòu)成，高速側(cè)磁化繞組和低速側(cè)磁化繞組分別 嵌入在調(diào)磁體的兩側(cè)，高速側(cè)磁化繞組和低速側(cè)磁化繞組之間通過(guò)氣橋隔磁；
[0009] 所述低速動(dòng)子包括低速動(dòng)子鐵心，在低速動(dòng)子鐵心的內(nèi)表面沿運(yùn)動(dòng)方向表貼或內(nèi) 嵌有低速動(dòng)子永磁磁片；
[0010] 所述調(diào)磁電樞設(shè)置在高速動(dòng)子和低速動(dòng)子之間，高速動(dòng)子和調(diào)磁電樞之間形成第 一氣隙，調(diào)磁電樞和低速動(dòng)子之間形成第二氣隙；高速側(cè)磁化繞組和高速動(dòng)子永磁磁片正 對(duì)，通過(guò)向高速側(cè)磁化繞組通入短暫的電流脈沖對(duì)高速動(dòng)子永磁磁片進(jìn)行磁化或退磁；低 速側(cè)磁化繞組和低速動(dòng)子永磁磁片正對(duì)，通過(guò)向低速側(cè)磁化繞組通入短暫的電流脈沖對(duì)低 速動(dòng)子永磁磁片進(jìn)行磁化或退磁；
[0011] 所述高速動(dòng)子、調(diào)磁電樞和低速動(dòng)子并列耦合，保持調(diào)磁電樞固定，高速動(dòng)子和低 速動(dòng)子按照速比分別進(jìn)行高、低速直線運(yùn)動(dòng)，高速動(dòng)子和低速動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向相反，
[0012] 本案的可調(diào)速比直線磁齒輪，永磁極對(duì)數(shù)多的低速動(dòng)子以低速運(yùn)行，同時(shí)永磁極 對(duì)數(shù)少的高速動(dòng)子以高速運(yùn)行，調(diào)磁電樞用于調(diào)制高速動(dòng)子和低速動(dòng)子之間的磁通，通過(guò) 改變高速動(dòng)子和低速動(dòng)子的磁極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁齒輪速比調(diào)節(jié)的目的，獲得更寬泛的調(diào)速范 圍。內(nèi)嵌于固定的調(diào)磁電樞的雙層結(jié)構(gòu)磁化繞組只需通入短暫的電流脈沖，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) 永磁磁片進(jìn)行磁化或退磁；高速側(cè)磁化繞組對(duì)高速動(dòng)子永磁磁片進(jìn)行磁化或退磁，同理低 速側(cè)磁化繞組負(fù)責(zé)低速動(dòng)子永磁磁片的磁化和退磁處理；兩層磁化繞組之間設(shè)置氣橋的目 的是使兩層磁化繞組擁有各自獨(dú)立的磁路以及能夠獨(dú)立施加激勵(lì)。
[0013] 優(yōu)選的，所述高速動(dòng)子永磁磁片、低速動(dòng)子永磁磁片均采用鋁鎳鈷永磁材料，比釹 鐵硼永磁材料具有更高的性價(jià)比。鋁鎳鈷永磁材料具有高剩磁低矯頑力的特性，在可變速 比磁齒輪中采用該材料可獲得動(dòng)態(tài)磁化的功能。鋁鎳鈷永磁具有低矯頑力的特性，電樞電 流可能引起意外退磁，因此很少在工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)中采用。本發(fā)明提出的新型磁齒輪就是 利用這所謂的"劣勢(shì)"形成可變速比的功能。更為重要的是，在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)可變速比磁 齒輪中沒(méi)有電樞電流存在，鋁鎳鈷永磁的意外退磁影響可以完全消除。鋁鎳鈷永磁具有非 稀土元素的優(yōu)勢(shì)，比其他永磁材料具有更高的居里溫度，在惡劣的環(huán)境中這一點(diǎn)尤為重要。
[0014] 優(yōu)選的，所述調(diào)磁電樞的調(diào)磁體包括由導(dǎo)磁硅鋼片疊壓形成基塊，在基塊上均勻 間隔設(shè)置鏤空槽，在鏤空槽內(nèi)嵌置非導(dǎo)磁體，相鄰非導(dǎo)磁體之間的導(dǎo)磁硅鋼片部分形成導(dǎo) 磁體。設(shè)高、低速動(dòng)子的永磁磁極對(duì)數(shù)分別為乂和Ni，則總共有Nh+隊(duì)條鏤空槽，兩個(gè)鏤空 槽之間的鐵心凸極導(dǎo)磁體有\(zhòng)+隊(duì)個(gè)。
[0015] 優(yōu)選的，調(diào)磁電樞中非導(dǎo)磁材料可使用高溫超導(dǎo)材料，從而使得漏磁現(xiàn)象大大減 少。
[0016] 優(yōu)選的，所述高速動(dòng)子鐵心、低速動(dòng)子鐵心、調(diào)磁電樞中的導(dǎo)磁娃鋼片均由普通娃 鋼片材料制成。
[0017] 優(yōu)選的，通過(guò)改變高速動(dòng)子和低速動(dòng)子的永磁磁極對(duì)數(shù)，從而改變直線磁齒輪的 速比，具體設(shè)計(jì)為：高速動(dòng)子的永磁磁極對(duì)數(shù)為Nh，低速動(dòng)子的永磁磁極對(duì)數(shù)為隊(duì)，構(gòu)成調(diào)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可調(diào)速比直線磁齒輪，其特征在于：包括高速動(dòng)子（1)、調(diào)磁電樞（2)和低速動(dòng) 子⑶； 所述高速動(dòng)子（1)包括高速動(dòng)子鐵心（11)，在高速動(dòng)子鐵心（11)的內(nèi)表面沿運(yùn)動(dòng)方向 表貼或內(nèi)嵌有高速動(dòng)子永磁磁片（12); 所述調(diào)磁電樞（2)包括調(diào)磁體、高速側(cè)磁化繞組（21)和低速側(cè)磁化繞組（22)，所示 調(diào)磁體由沿運(yùn)動(dòng)方向交錯(cuò)間隔排列的導(dǎo)磁體（24)和非導(dǎo)磁體（25)構(gòu)成，高速側(cè)磁化繞組 (21)和低速側(cè)磁化繞組（22)分別嵌入在調(diào)磁體的兩側(cè)，高速側(cè)磁化繞組（21)和低速側(cè)磁 化繞組（22)之間通過(guò)氣橋（23)隔磁； 所述低速動(dòng)子（3)包括低速動(dòng)子鐵心（31)，在低速動(dòng)子鐵心（31)的內(nèi)表面沿運(yùn)動(dòng)方向 表貼或內(nèi)嵌有低速動(dòng)子永磁磁片（32); 所述調(diào)磁電樞（2)設(shè)置在高速動(dòng)子（1)和低速動(dòng)子（3)之間，高速動(dòng)子（1)和調(diào)磁電樞 (2) 之間形成第一氣隙，調(diào)磁電樞（2)和低速動(dòng)子（3)之間形成第二氣隙；高速側(cè)磁化繞組 (21)和高速動(dòng)子永磁磁片（12)正對(duì)，通過(guò)向高速側(cè)磁化繞組（21)通入電流脈沖對(duì)高速動(dòng) 子永磁磁片（12)進(jìn)行磁化或退磁；低速側(cè)磁化繞組（22)和低速動(dòng)子永磁磁片（32)正對(duì)， 通過(guò)向低速側(cè)磁化繞組（22)通入電流脈沖對(duì)低速動(dòng)子永磁磁片（32)進(jìn)行磁化或退磁； 所述高速動(dòng)子（1)、調(diào)磁電樞（2)和低速動(dòng)子（3)并列耦合，保持調(diào)磁電樞（2)固定，高 速動(dòng)子（1)和低速動(dòng)子（3)按照速比分別進(jìn)行高、低速直線運(yùn)動(dòng)，高速動(dòng)子（1)和低速動(dòng)子 (3) 運(yùn)動(dòng)方向相反。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)速比直線磁齒輪，其特征在于：所述高速動(dòng)子永磁磁片 (12)、低速動(dòng)子永磁磁片（32)均采用鋁鎳鈷永磁材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)速比直線磁齒輪，其特征在于：所述調(diào)磁電樞（2)的調(diào) 磁體包括由導(dǎo)磁硅鋼片（24)疊壓形成基塊，在基塊上均勻間隔設(shè)置鏤空槽，在鏤空槽內(nèi)嵌 置非導(dǎo)磁體（25)，相鄰非導(dǎo)磁體（25)之間的導(dǎo)磁硅鋼片（24)部分形成導(dǎo)磁體（24)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可調(diào)速比直線磁齒輪，其特征在于：通過(guò)改變高速動(dòng)子（1) 和低速動(dòng)子（3)的永磁磁極對(duì)數(shù)，從而改變直線磁齒輪的速比，具體設(shè)計(jì)為：高速動(dòng)子（1) 的永磁磁極對(duì)數(shù)為Nh，低速動(dòng)子（3)的永磁磁極對(duì)數(shù)為隊(duì)，構(gòu)成調(diào)磁電樞（2)的導(dǎo)磁硅鋼 片（24)的數(shù)為Ns=Nh+Ni，直線磁齒輪的速比為
；\和1均為自然數(shù)，且叭〈隊(duì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可調(diào)速比直線磁齒輪，其特征在于：所述高速動(dòng)子永磁磁片 (12)片數(shù)為I，低速動(dòng)子永磁磁片（32)片數(shù)為Nm，高速側(cè)磁化繞組（21)組數(shù)為Nhw，低速 側(cè)磁化繞組（22)組數(shù)為Nlw，N*、N^、\￥和N1￥的值按照如下方式確定： 首先定義直線磁齒輪所需最少永磁磁片數(shù)量為：
其中，mlk是對(duì)應(yīng)直線磁齒輪的某個(gè)速比的永磁磁片數(shù)量最小值，通過(guò)計(jì)算Ns-k與k的 最小公倍數(shù)得到： mlk= [Ns-k,k] 其中，k= 1，2, 3,…，（Ns-1);據(jù)此得到Nmh、Nml、Nhw和Nlw值為：
其中，n= 1，2, 3,…，j，y= 1，2, ???，（Ns-1 入 考慮到直線磁齒輪的實(shí)用性，設(shè)計(jì)N*，Nml，Nhw，Nlw均等于2n[mn，…mly]。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)速比直線磁齒輪，其特征在于：該直線磁齒輪為平板式 結(jié)構(gòu)，即高速動(dòng)子（1)、調(diào)磁電樞（2)、低速動(dòng)子（3)均為平板狀結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)速比直線磁齒輪，其特征在于：該直線磁齒輪為圓筒式 結(jié)構(gòu)，即高速動(dòng)子（1)、調(diào)磁電樞（2)、低速動(dòng)子（3)均為同心圓筒狀結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可調(diào)速比直線磁齒輪，包括裝有永磁極片的高速動(dòng)子、內(nèi)嵌有雙層磁化繞組的固定調(diào)磁電樞、裝有永磁極片的低速動(dòng)子三部分組成。調(diào)磁電樞設(shè)置在磁齒輪高速動(dòng)子和低速動(dòng)子之間，磁齒輪高速動(dòng)子和調(diào)磁電樞之間形成第一氣隙，調(diào)磁電樞和磁齒輪低速動(dòng)子之間形成第二氣隙?？烧{(diào)速比直線磁齒輪的高速和低速動(dòng)子為運(yùn)動(dòng)部件，調(diào)磁電樞保持固定。本發(fā)明結(jié)構(gòu)利用調(diào)磁極片對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)非接觸式變速及推力傳輸，減少了接觸損耗；將磁齒輪與記憶電機(jī)的概念結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種新型嵌入雙層磁化繞組結(jié)構(gòu)的固定調(diào)磁電樞，磁化繞組能夠動(dòng)態(tài)地對(duì)高、低速動(dòng)子上的鋁鎳鈷永磁極片進(jìn)行磁化或者去磁。
【IPC分類】H02K41-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104578676
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510001607
【發(fā)明人】余海濤, 封寧君
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月4日