圓筒式直線磁力齒輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非接觸式機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有阻尼繞組的磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)械，依靠磁場(chǎng)耦合作用傳遞動(dòng)力。由于不存在傳統(tǒng)機(jī)械齒輪的嚙合關(guān)系，可以避免潤(rùn)滑維護(hù)，具有較高的傳動(dòng)效率和過(guò)載自保護(hù)能力。另夕卜，磁力齒輪不需要機(jī)械齒輪的精加工和熱處理，極大地簡(jiǎn)化了加工工藝。同時(shí)，磁力齒輪的輸入與輸出兩個(gè)機(jī)械端口沒(méi)有直接接觸，使得它在有毒、有害等流體泵類驅(qū)動(dòng)中具有特殊的優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)內(nèi)外研宄熱點(diǎn)。英國(guó)Kais.Atallah、中國(guó)江建中等人申請(qǐng)的磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪專利(US7973441B2; GB2439111A; 201010118737.5)，具有力密度高，機(jī)械損耗低等特點(diǎn)。近年來(lái)，具有直線運(yùn)動(dòng)軌跡的電力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)J.Wang、香港大學(xué) K.T.Chau 等人在 ffiEE TRANSACT1NS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY和IEEE TRANSACT1NS ON MAGNETICS等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表了有關(guān)直線磁力齒輪的研宄成果。直線磁力齒輪因省去了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，減小了裝置體積，節(jié)省了系統(tǒng)成本，提高了傳動(dòng)效率，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的直線磁力齒輪設(shè)計(jì)，主要通過(guò)諧波磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，推力波動(dòng)和振動(dòng)噪聲問(wèn)題不容忽視，尤其在負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程中，影響整個(gè)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，從而限制了磁力齒輪的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是能夠有效抑制現(xiàn)有磁場(chǎng)調(diào)制直線式磁力齒輪設(shè)計(jì)中的推力波動(dòng)，從而提尚磁力齒輪的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
[0004]本發(fā)明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(gè)由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)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(dòng)子11，外磁環(huán)7和外部背軛5構(gòu)成高速動(dòng)子4，且高速動(dòng)子4上布置具有閉合回路的阻尼繞組6。
[0005]本發(fā)明與已有技術(shù)相比較，具有如下顯著的創(chuàng)新特點(diǎn):本發(fā)明的圓筒式直線磁力齒輪的高速動(dòng)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(dòng)子的磁極數(shù)與具有磁阻效應(yīng)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(dòng)子的磁極數(shù)與具有磁阻效應(yīng)的調(diào)磁環(huán)鐵心塊數(shù)的最小共倍數(shù)Nc=2*Pl*Ns應(yīng)該越大越好。同時(shí)，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(lì)磁或電勵(lì)磁兩種方案。
【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的動(dòng)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(dòng)子和高速動(dòng)子的永磁體Halbach陣列充磁示意圖；圖5為圖2的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記及對(duì)應(yīng)名稱為:電機(jī)中心軸1，端蓋2，機(jī)座3，高速動(dòng)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(dòng)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(dǎo)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(shí)施方式】
[0007]如圖1所示，本發(fā)明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(gè)由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)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(dòng)子11，外磁環(huán)7和外部背軛5構(gòu)成高速動(dòng)子4，且高速動(dòng)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(duì)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(duì)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(dǎo)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(gè)環(huán)狀體可以作為動(dòng)子，剩余一個(gè)環(huán)狀體作為定子，且內(nèi)外磁環(huán)均采用準(zhǔn)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(duì)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(lì)磁繞組19組成，且勵(lì)磁繞組為P2對(duì)極；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導(dǎo)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(dòng)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(lì)磁繞組21組成，且勵(lì)磁繞組為Pl對(duì)極；外磁環(huán)由外部鐵心和P2對(duì)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(dǎo)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(dòng)子。
[0011]所述圓筒式直線磁力齒輪要實(shí)現(xiàn)一定大小范圍的傳動(dòng)比，可以有多種極數(shù)選取方式，從降低齒槽推力、提高傳動(dòng)效率和推力密度以及簡(jiǎn)化制造工藝等多方面因素綜合考慮。對(duì)于某一確定的磁力齒輪變比，其高速動(dòng)子的磁極數(shù)與具有磁場(chǎng)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(yīng)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(dòng)子磁力的波動(dòng)主要是由于齒槽定位力作用而產(chǎn)生，齒槽定位力的波動(dòng)頻率與Ne相同，當(dāng)波動(dòng)頻率越高，則波動(dòng)幅值越小，所以最小公倍數(shù)原則設(shè)計(jì)有助于提高動(dòng)子電磁力的穩(wěn)定性，從而減小磁力齒輪的振動(dòng)和噪音。相對(duì)于高速動(dòng)子，低速動(dòng)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(duì)較小，因此低速動(dòng)子平均推力受齒槽推力波動(dòng)的影響較小。
[0012]所述圓筒式直線磁力齒輪與傳統(tǒng)機(jī)械齒輪相比，其剛度較低，當(dāng)負(fù)載或速度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致磁力齒輪產(chǎn)生電磁推力波動(dòng)問(wèn)題，從而降低整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施案例，調(diào)磁環(huán)作為定子，內(nèi)、外磁環(huán)作為動(dòng)子，在磁力齒輪的輸出動(dòng)子上引入具有閉合回路的阻尼繞組，在負(fù)載、速度發(fā)生變化或起動(dòng)過(guò)程中，在阻尼繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生具有阻尼作用的電磁推力，從而有效抑制動(dòng)態(tài)過(guò)程的推力波動(dòng)，當(dāng)磁力齒輪動(dòng)子速度達(dá)到同步速之后，此感應(yīng)電流為零，磁力齒輪進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。同時(shí)，為減少磁力齒輪的阻尼繞組銅耗，阻尼繞組阻值不宜過(guò)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(dòng)，減小裝置體積。
[0014]實(shí)施例一:
如圖1所示，內(nèi)磁環(huán)9的圓筒外部軸向均布Pl對(duì)極永磁體，外磁環(huán)7的圓筒內(nèi)部軸向均布P2對(duì)極永磁體，且P1>P2。在外磁環(huán)7上通過(guò)端蓋2b引出高速軸15，在內(nèi)磁環(huán)9上通過(guò)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(dǎo)磁體17 (如環(huán)氧樹(shù)脂等)組成。正是由于定子鐵心和定子非導(dǎo)磁體的間隔分布使得內(nèi)層氣隙12和外層氣隙13的磁導(dǎo)沿軸向產(chǎn)生周期性變化，從而對(duì)內(nèi)、外氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)制作用。圖2是圖1的動(dòng)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(gè)動(dòng)子氣隙磁場(chǎng)具有相同的調(diào)制基波，實(shí)現(xiàn)推力和速度的傳遞，兩個(gè)動(dòng)子的傳動(dòng)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(zhǔn)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(zhǔn)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。
[0015]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(fù)載發(fā)生擾動(dòng)或傳動(dòng)系統(tǒng)在起、制動(dòng)等速度發(fā)生變化的過(guò)程中，在阻尼繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在磁場(chǎng)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(dòng)。當(dāng)磁力齒輪動(dòng)子速度達(dá)到同步速之后，此感應(yīng)電流為零，磁力齒輪進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。
[0016]實(shí)施例二:
如圖6所示的圓筒式直線磁力齒輪，由PI對(duì)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(dòng)子；所述外磁環(huán)由外部鐵心18和Ρ2對(duì)極勵(lì)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(dǎo)磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2，調(diào)磁環(huán)作為高速動(dòng)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。
[0017]實(shí)施例三:
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(duì)極勵(lì)磁繞組21組成，并作為定子；外磁環(huán)由P2對(duì)極永磁體組成，且作為高速動(dòng)子；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導(dǎo)磁材料交替組成，且Ns=Pl+P2，調(diào)磁環(huán)作為低速動(dòng)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(xiàng)】
1.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(gè)由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)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(dòng)子(11)，外磁環(huán)(7 )和外部背軛(5 )構(gòu)成高速動(dòng)子(4)，且高速動(dòng)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(duì)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(duì)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(dǎo)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(gè)環(huán)狀體可以作為動(dòng)子，剩余一個(gè)環(huán)狀體作為定子，且內(nèi)外磁環(huán)均采用準(zhǔn)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(duì)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(lì)磁繞組(19)組成，且勵(lì)磁繞組為P2對(duì)極；所述的調(diào)磁環(huán)由Ns塊鐵心和Ns塊非導(dǎo)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(dòng)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(lì)磁繞組(21)組成，且勵(lì)磁繞組為Pl對(duì)極；外磁環(huán)由外部鐵心和P2對(duì)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(dǎo)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(dòng)子。
【專利摘要】圓筒式直線磁力齒輪，其目的是能夠有效抑制現(xiàn)有磁場(chǎng)調(diào)制直線式磁力齒輪設(shè)計(jì)中的推力波動(dòng)，從而提高磁力齒輪的動(dòng)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(gè)由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)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(dòng)子（11），外磁環(huán)（7）和外部背軛（5）構(gòu)成高速動(dòng)子（4），且高速動(dòng)子（4）上布置具有閉合回路的阻尼繞組（6）。
【IPC分類】H02K51/00
【公開(kāi)號(hào)】CN104883031
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510328018
【發(fā)明人】包廣清, 劉美鈞, 李樹(shù)豹, 常勇, 張貝, 楊巧玲, 段曉燕, 任冰
【申請(qǐng)人】蘭州理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月15日