技术领域
[0001] 本
发明涉及一种适用于非
接触式变速驱动的轴向
磁齿轮，属于变速传动技术领域。
背景技术
[0002] 工业应用中，很多需要变速驱动的场合，通常利用体积庞大的齿轮箱等机械装置来实现。机械齿轮箱的使用将不可避免地带来噪声、震动、摩擦损耗以及定期维护等问题，并将明显增加
传动系统的体积和重量。此外，机械齿轮不具备过载自保护能
力，当传递的转矩超过机械齿的承受能力时，容易发生安全事故。
[0003] 相较而言，磁齿轮利用
磁场耦合进行转矩的传递，是一种非接触式变速传动装置，不存在噪声、震动、摩擦损耗以及润滑等问题，而且能够实现输入与输出之间的物理隔离，还具备过载自保护能力，安全可靠性较高。近年来，随着高性能钕
铁硼永磁材料的发展，新型磁齿轮拓扑结构的探索已经成为国内外学者的研究热点。目前，研究较多的一类磁齿轮通常采用同轴结构，该类同轴磁齿轮包括由外至内排列、同轴心的低速转子、调磁环和高速转子，高、低速转子均由
永磁体和铁芯构成，永磁体随转子旋转，降低了转子的机械可靠性；调磁环是由导磁
块与非导磁块间隔排列构成的环形部件，静止放置在高、低速转子之间，这导致调磁环的加工和固定安装十分困难。此外，调磁环和高、低速转子之间分别设有气隙，两层气隙和两个旋转部件(高、低速转子)进一步增加了同轴磁齿轮的制造难度。上述种种原因在一定程度上限制了同轴磁齿轮的实际应用，因此，对具有机械可靠性高和加工制造方便特点的新型磁齿轮拓扑结构的研究具有重要的理论意义和实用工程价值。
发明内容
[0004] 技术问题：本发明为了解决现有的同轴磁齿轮存在的机械可靠性低和加工制造困难的问题，提供了一种轴向磁齿轮拓扑结构。
[0005] 技术方案：本发明的轴向磁齿轮，包括定子、低速转子、低速
转轴、高速转子、高速转轴和
外壳；所述低速转子固定设置在低速转轴上，低速转子为环形导磁体，在其外环上设置有等距排列的低速转子凸极；所述高速转子固定设置在高速转轴上，高速转子为环形结构，包括高速转子铁芯和
辐条式嵌入高速转子铁芯的高速转子永磁体，所述高速转子永磁体沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述低速转子和高速转子沿轴向排列，同轴设置，之间具有间隙，而且二者外径相同；所述定子为由定子导磁块沿圆周方向等距间隔排列组成的环形结构，同轴心地固定安装在低速转子和高速转子的外部，其中，与低速转子相对应定子侧的相邻定子导磁块之间填充定子永磁体，而与高速转子相对应定子侧的定子导磁块之间则无需填充任何材料，所述定子永磁体沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述外壳为
铝制环形部件，紧密包围在定子外部，用于固定定子；所述定子与低速转子凸极、高速转子外表面之间设有气隙，定子的两侧端面分别与低速转子、高速转子的外侧端面对齐。
[0006] 本发明中，所述低速转子凸极的个数Nl、定子导磁块的个数Ns、高速转子永磁体的极对数Ph满足以下关系：Ns＝2×(Nl-Ph)，能够实现的齿轮变速
传动比Gr为：Gr＝Nl:Ph。
[0007] 本发明中，所述低速转子的轴向长度Ll、高速转子的轴向长度Lh、定子导磁块的轴向长度Ls、低速转子侧对应定子永磁体的轴向长度Lsm、低速转子与高速转子之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：Ls＝Ll+Lg+Lh，Lsm＝Ll。
[0008] 有益效果：本发明提供了一种全新的轴向磁齿轮结构，与传统的同轴磁齿轮相比，具有以下优点：
[0009] 1.传统同轴磁齿轮的结构包括同轴心旋转的高、低速转子和固定在二者之间的调磁环，调磁环是由零散的导磁块构成的环形部件，调磁环本身的加工制造和固定安装十分困难。此外，两层气隙和两个旋转部件使得该类同轴磁齿轮只能采用单边
支撑的方式固定，增加了装配难度和加工成本，而且高、低速转子和调磁环的同心度也难以保证；
[0010] 本发明的磁齿轮采用轴向结构，沿轴向同轴心排列的高、低速转子分别设置在定子内部两侧，一方面，外定子、内转子的结构布局可以借鉴现有永磁同步
电机的制作方案进行加工，装配工艺简单，制造成本低；另一方面，高、低速转子转轴可以方便地在两侧分别引出，且固定安装十分方便；
[0011] 2.传统同轴磁齿轮的高、低速转子均由铁芯和永磁体构成，结构整体性较差，一定程度上降低了转子的机械承受能力，而且在转子旋转过程中，表贴的永磁体容易发生脱落，也降低了转子的机械可靠性；
[0012] 本发明的轴向磁齿轮在低速转子侧采用定子永磁型结构，低速转子仅为由导磁体构成的凸极结构，不但制造方便，加工成本低，而且能够改善转子承受大转矩冲击的能力，提高了低速转子的机械可靠性；此外，高速转子采用辐条嵌入式永磁体安排，使得高速转子在较高转速下旋转时，不容易发生永磁体脱落的现象，也进一步提高了高速转子的机械可靠性；
[0013] 3.传统同轴磁齿轮高、低速转子永磁磁场通过调磁环的磁场调制作用，利用谐波磁场的耦合作用实现转矩的传递，磁场作用需要经过内、外两层气隙，在一定程度上降低了永磁体的利用率和磁齿轮的转矩传递能力；
[0014] 本发明的轴向磁齿轮低速转子侧的定子永磁体产生的永磁磁场在低速转子凸极结构的调制作用下，产生的谐波磁场只需经过一层气隙，便可以与高速转子永磁磁场耦合作用实现转矩的传递，这将进一步提高永磁体的利用率和磁齿轮的转矩传递能力。
[0015] 本发明能够获得理想的运行性能，有利于简化制造工艺，降低加工成本，提高机械可靠性，改善磁齿轮转矩传递能力。
附图说明
[0016] 图1为本发明的轴向磁齿轮低速转子侧截面结构；
[0017] 图2为本发明的轴向磁齿轮高速转子侧截面结构；
[0018] 图3为传统的同轴磁齿轮截面结构。
[0019] 图中有：定子1，定子导磁块11，定子永磁体12，低速转子2，低速转子凸极21，低速转子永磁体22，气隙3，外壳4，低速转轴5，高速转子6，高速转子铁芯61，高速转子永磁体62，高速转轴7，调磁环8，调磁环导磁块81，调磁环非导磁块82，外气隙91，内气隙92。图中箭头代表永磁体充磁方向。
具体实施方式
[0020] 本发明的轴向磁齿轮，包括定子1、低速转子2、低速转轴5、高速转子6、高速转轴7和外壳4；所述低速转子2固定设置在低速转轴5上，低速转子2为环形导磁体，在其外环上设置有等距排列的低速转子凸极21；所述高速转子6固定设置在高速转轴7上，高速转子6为环形结构，包括高速转子铁芯61和辐条式嵌入高速转子铁芯61的高速转子永磁体62，所述高速转子永磁体62沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述低速转子2和高速转子6沿轴向排列，同轴设置，之间具有间隙，而且二者外径相同；所述定子1为由定子导磁块11沿圆周方向等距间隔排列组成的环形结构，同轴心地固定安装在低速转子2和高速转子6的外部，其中，与低速转子2相对应定子侧的相邻定子导磁块11之间填充定子永磁体12，而与高速转子6相对应定子侧的定子导磁块11之间则无需填充任何材料，所述定子永磁体12沿圆周切向充磁，相邻永磁体充磁方向相反；所述外壳4为铝制环形部件，紧密包围在定子1外部，用于固定定子1；所述定子1与低速转子凸极21、高速转子6外表面之间设有气隙3，定子1的两侧端面分别与低速转子2、高速转子6的外侧端面对齐。
[0021] 本发明中，所述低速转子凸极21的个数Nl、定子导磁块11的个数Ns、高速转子永磁体62的极对数Ph满足以下关系：Ns＝2×(Nl-Ph)，能够实现的齿轮变速传动比Gr为：Gr＝Nl:Ph。
[0022] 本发明中，所述低速转子2的轴向长度Ll、高速转子6的轴向长度Lh、定子导磁块11的轴向长度Ls、低速转子侧对应定子永磁体12的轴向长度Lsm、低速转子2与高速转子6之间的轴向间隙距离Lg之间满足以下关系：Ls＝Ll+Lg+Lh，Lsm＝Ll。
[0023] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0024] 本发明的低速转子2需采用凸极结构，用以调制低速转子侧对应的定子永磁体12产生的永磁磁场，为了获得较高的转矩传递能力，实际应用中，低速转子凸极极弧系数需要进行优化设计。
[0025] 所述的低速转子2、定子导磁块11、高速转子铁芯61由
硅钢叠片或其它导磁材料构成，与普通永磁同步电机的定转子铁芯制造工艺相同。
[0026] 所述的高速转子6采用辐条嵌入式永磁体安排，能够产生一定的聚磁效应，有利于改善磁齿轮的转矩传递能力。当然，本发明中，高速转子也可采用其它形式的转子结构，只需保证高速转子能够产生有效的N-S磁极即可。但无论采用哪种结构形式，都在本发明的保护范围之内。
[0027] 所述的定子1为由沿圆周等距间隔排列的定子导磁块11构成的环形部件，与低速转子侧对应的定子导磁块之间设置定子永磁体12，定子1同轴心地固定安装在低速转子2和高速转子6的外部，低速转子2和高速转子6则分别位于定子1内部两侧，且两侧端面相互对齐。低速转子2和高速转子6具有相同的外径，二者同轴排列，之间具有一定的轴向间隙，同时，定子1与低速转子2和高速转子6之间设有气隙3，从而能够保证高、低速转子正常旋转。
[0028] 本发明中，低速转轴5(高速转轴7)与外部的动力输入装置或
动力输出装置连接，起到输入或输出动力的作用。因此，低速转轴5(高速转轴7)可以是和低速转子2(高速转子6)单独的部件，低速转子2(高速转子6)固定设置在低速转轴5(高速转轴7)外圆周上；当然低速转轴5(高速转轴7)也可以是和低速转子2(高速转子6)制成一体的部件，乃至于低速转轴5(高速转轴7)可以在结构上视为低速转子2(高速转子6)的位于轴心的一部分。但无论采用哪种结构形式，都在本发明的保护范围之内。
[0029] 所述的低速转轴5和高速转轴7由钢或其它非导磁材料构成，与普通永磁同步电机的转轴制造工艺相同。
[0030] 所述的外壳4紧密包围在定子1的外部，用以固定安装定子1，外壳4由铝或其它非导磁材料构成，与普通永磁同步电机的外壳制造工艺相同。
[0031] 所述的定子永磁体12、高速转子永磁体62由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成。
[0032] 所述的对应低速转子侧的定子永磁体12沿圆周切向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成N-S磁极结构。
[0033] 所述的构成高速转子的高速转子永磁体62沿圆周切向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，构成聚磁式N-S磁极结构。
[0034] 低速转子凸极21的磁场调制功能，能够将低速转子侧对应的定子永磁体12产生的永磁磁场，在气隙3处调制出一系列空间谐波磁场。当低速转子2旋转时，相应的谐波磁场随之旋转。当该轴向磁齿轮高速转子永磁体62的极对数等于其中任意一个旋转谐波磁场的极对数时，通过磁场的耦合作用，该轴向磁齿轮高、低速转子就能够稳定旋转，实现转矩的传递。所以，高速转子6有多种结构形式，只需保证能够产生有效的N-S磁极与谐波磁场耦合作用即可。为了实现变速传动的效果，必须要求所选用的谐波旋转磁场的极对数不能等于低速转子凸极21的个数。此时，当所选用的谐波磁场的极对数等于低速转子凸极21的个数与低速转子侧定子永磁体12的极对数之差时，利用了幅值最大的谐波旋转磁场，该轴向磁齿轮能够实现最优的转矩传递能力。即所述轴向磁齿轮低速转子凸极21的个数Nl、定子导磁块11的个数Ns、高速转子永磁体62的极对数Ph应满足以下关系：
[0035] Ns＝2×(Nl-Ph) (1)
[0036] 此时，该轴向磁齿轮高、低速转子旋转速度比满足：
[0037] Ωh:Ωl＝Nl:Ph (2)
[0038] Ωh、Ωl分别为该轴向磁齿轮高、低速转子旋转速度。
[0039] 对应地，该轴向磁齿轮能够实现的变速传动比Gr为：
[0040] Gr＝Nl:Ph (3)
[0041] 本发明涉及的低速转子侧采用定子永磁型结构的新型轴向磁齿轮不但能够实现较高的转矩传递能力，而且结构设计更加合理，磁齿轮整体的外定子、内转子结构以及低速转子侧采用的定子永磁型结构，使得该轴向磁齿轮在简化制造工艺、降低加工成本、提高机械可靠性方面具有明显优势。
