專利名稱：磁性齒輪及磁性傳動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性傳動技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種磁性齒輪及運用該磁性齒輪的磁性傳動裝置。
背景技術(shù)：
機械齒輪是一種常見的用于傳動的機構(gòu)，其具有傳動效率高、轉(zhuǎn)矩密度大等優(yōu)點， 通過長時間的發(fā)展和改進，機械齒輪以及運用機械齒輪進行傳動已經(jīng)非常成熟。但機械齒輪因自身特點，存在振動、噪音較大，需要在潤滑的情況下使用，需要定期維護等自身無法克服的問題。隨著科技水平的進步，人們對傳動系統(tǒng)的要求也越來越高，通過選用高性能材料、對齒形進行精加工處理以及改進潤滑等措施，機械齒輪的性能有了很大的改進，但是還是未能從根本上解決這些問題。為了解決機械齒輪存在的某些問題，磁性齒輪的得到了發(fā)展。磁性齒輪是利用磁場進行轉(zhuǎn)矩傳遞，與機械齒輪相比具有特殊的優(yōu)勢，比如1)磁性齒輪由于輸入與輸出之間是非接觸性的，可以減小機械噪聲和振動；2)磁性齒輪不需要潤滑，因此可以減少維護，增加系統(tǒng)的可靠性；3)磁性齒輪具有確定的峰值轉(zhuǎn)矩，其自身具有過載保護能力；4)輸入與輸出之間是非接觸性的，這一特點使得它在有毒、有害等流體泵類驅(qū)動中具有特殊的優(yōu)勢；5)磁性齒輪具有較高的傳動效率；6)磁性齒輪中永磁體直接安裝在相對轉(zhuǎn)動的齒輪部件的表面，不像機械齒輪那樣要對齒部進行精加工和熱處理，簡化了生產(chǎn)工藝。而現(xiàn)有的磁性齒輪(磁性傳動裝置)轉(zhuǎn)矩密度偏低，為了獲得更大的轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)有的方法是增加永磁體的用量，這樣勢必會增加磁性齒輪(磁性傳動裝置)的體積，同時也造成了制造成本的增加。在一些特殊使用場合，例如兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機所使用的磁性齒輪(磁性傳動裝置)，其體積是有限制的，需要在確定的體積下提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩，提高磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩密度是唯一的解決途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有磁性齒輪轉(zhuǎn)矩密度較低的問題，在不增加磁性齒輪永磁體用量的情況下提供一種轉(zhuǎn)矩密度較高的磁性齒輪，同時，提供一種具有高傳動比、高轉(zhuǎn)矩密度的磁性傳動裝置，以在諸如兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機中進行傳動。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)本發(fā)明的第一方面，一種磁性齒輪，其特征在于，包括可轉(zhuǎn)動的第一元件，所述第一元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第一組永磁體塊，以產(chǎn)生單側(cè)增強磁場；可轉(zhuǎn)動的第二元件，所述第二元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第二組永磁體塊，以產(chǎn)生與第一組永磁體塊單側(cè)增強磁場相對的單側(cè)增強磁場，通過磁性作用在第一元件和第二元件之間傳遞力。本發(fā)明中，第一元件為圓柱形內(nèi)轉(zhuǎn)子，第二元件為圓柱形外轉(zhuǎn)子，永磁體分別設(shè)置在內(nèi)轉(zhuǎn)子的外表面和外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的永磁體均為每對磁極四塊永磁體的圓柱形halbach陣列結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生圓柱外側(cè)增強的磁場，外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生圓柱內(nèi)側(cè)增強的磁場。由此，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子每極的兩塊永磁體，一塊沿圓周徑向充磁，一塊沿圓周切向充磁，使得永磁塊充磁比較簡便，可提高了永磁體塊的充磁效率。由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場在相對的一側(cè)增強，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子對永磁體進行支撐的支撐部采用輕質(zhì)的不導(dǎo)磁材料制成，以減輕磁性齒輪單位體積的重量。本發(fā)明中，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的永磁體采用截面為矩形的永磁體，通過在內(nèi)轉(zhuǎn)子外表面和外轉(zhuǎn)子內(nèi)表面設(shè)置與各自永磁體相同截面形狀的軸向槽，采用插入的方式裝入內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。本發(fā)明中，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間設(shè)有調(diào)整內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間磁場，促進內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁場耦合的一組調(diào)磁鐵芯片；內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子偏心設(shè)置，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間可進行相對的擺線運動。本發(fā)明的第二方面，一種磁性傳動裝置，其特征在于，包括第一元件，所述第一元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第一組永磁體，以產(chǎn)生單側(cè)增強磁場；第二元件，所述第二元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第二組永磁體，以產(chǎn)生與第一組永磁體單側(cè)增強磁場相對的單側(cè)增強磁場，通過磁性作用在第一元件和第二元件之間傳遞力；第三元件，與第一元件和第二元件作用，使得磁性傳動裝置在運行時，第一組永磁體和和第二組永磁體之間產(chǎn)生相對的擺線運動。本發(fā)明中，第一元件為圓柱形內(nèi)轉(zhuǎn)子，第二元件為圓柱形外轉(zhuǎn)子，永磁體分別設(shè)置在內(nèi)轉(zhuǎn)子的外表面和外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的永磁體均為每對磁極四塊永磁體的圓柱形halbach陣列結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生圓柱外側(cè)增強的磁場，外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生圓柱內(nèi)側(cè)增強的磁場。本發(fā)明中，固定第二元件，在第一元件和第三元件之間進行傳動；或者固定第三元件，在第一元件和第二元件之間進行傳動。本發(fā)明采用halkich陣列結(jié)構(gòu)永磁體，磁場在一側(cè)得到增強，可以大大提高磁性齒輪轉(zhuǎn)矩密度，同時可以很容易地得到在空間較理想的正弦分布的磁場，減少氣隙磁場中的諧波成分和永磁體內(nèi)的渦流損耗，因此可提高傳動效率，并且具有很好的磁屏蔽作用，磁性齒輪可以不使用鐵芯進行導(dǎo)磁，采用硬鋁或者陶瓷等非導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)代替，降低了磁性齒輪單位體積的重量，得到較好的結(jié)構(gòu)特性；磁性傳動裝置通過第一組永磁體和第二組永磁體之間的擺線運動，在獲得高的轉(zhuǎn)矩密度的同時，可以獲得一個很大的傳動比。


圖1為現(xiàn)有磁性齒輪的結(jié)構(gòu)示意2為圖1現(xiàn)有磁性齒輪的軸向結(jié)構(gòu)示意圖
圖3a為徑向永磁體陣列的示意北為切向永磁體陣列的示意3c為每對磁極四塊永磁體的直線型halkich永磁體陣列的示意3d為每對磁極六塊永磁體的直線型halhch永磁體陣列的示意如為圓柱內(nèi)側(cè)磁場增強的圓柱形halhch永磁體陣列，相鄰兩塊永磁體充磁方向示意4b為圓柱外側(cè)磁場增強的圓柱形halhch永磁體陣列，相鄰兩塊永磁體充磁方向示意5為本發(fā)明內(nèi)外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置的磁性齒輪的結(jié)構(gòu)示意6為本發(fā)明內(nèi)外轉(zhuǎn)子偏心設(shè)置的磁性齒輪的結(jié)構(gòu)示意7為本發(fā)明磁性傳動裝置第一實施例固定第三元件的結(jié)構(gòu)示意8為本發(fā)明磁性傳動裝置第一實施例固定第二元件的結(jié)構(gòu)示意9為本發(fā)明磁性傳動裝置第二實施例固定第三元件的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明的主旨在于基于halbach陣列結(jié)構(gòu)的永磁體產(chǎn)生一側(cè)增強磁場的原理，在不增加永磁體用量的情況下，提高磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩密度，以獲得一種高轉(zhuǎn)矩密度的磁性齒輪，同時，基于該磁性齒輪提供一種同時具備高傳動比和高轉(zhuǎn)矩密度的磁性傳動裝置，以在諸如兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機中進行傳動。如圖1、圖2所示，現(xiàn)有的磁性齒輪包括第一轉(zhuǎn)子亦或稱之為內(nèi)轉(zhuǎn)子1，以及第二轉(zhuǎn)子亦或稱之為外轉(zhuǎn)子2，內(nèi)轉(zhuǎn)子1的外表面設(shè)有第一組永磁體11，其由磁性材料制成的支撐部12進行支撐，外轉(zhuǎn)子2的內(nèi)表面設(shè)有第二組永磁體21，其由磁性材料制成的支撐部22進行支撐，第一組永磁體11和第二組永磁體21均沿著徑向進行充磁，第一組永磁體11和第二組永磁體21各自相鄰兩塊永磁體之間的充磁方向相反，相鄰兩塊永磁體構(gòu)成1對磁極。內(nèi)轉(zhuǎn)子1和外轉(zhuǎn)子2同軸設(shè)置，內(nèi)轉(zhuǎn)子1和外轉(zhuǎn)子2之間設(shè)有一組調(diào)磁鐵芯片 3(英語稱之為pole pieces，因其通常由多個片狀的鐵芯薄片疊壓而成，較早接觸磁性齒輪的國內(nèi)學(xué)者將其翻譯為調(diào)磁鐵芯片，現(xiàn)已廣泛使用)，調(diào)磁鐵芯片3間隔設(shè)置，其通常由圓柱形的非磁性支撐部31進行支撐，調(diào)磁鐵芯片3的作用是調(diào)整第一組永磁體塊11和第二組永磁體塊21之間氣隙的磁場，促進兩組永磁體之間磁場耦合，為了使得調(diào)磁鐵芯片3對磁場調(diào)整達(dá)到最佳效果，調(diào)磁鐵芯片3的數(shù)量為內(nèi)轉(zhuǎn)子1和外轉(zhuǎn)子2磁極對數(shù)之和，相關(guān)文獻(xiàn)對其原理已有說明，此處不再累述。例如，上述實施方式中，內(nèi)轉(zhuǎn)子1為4對極，外轉(zhuǎn)子2為17對極，調(diào)磁鐵芯片3為 21個，在內(nèi)轉(zhuǎn)子1或外轉(zhuǎn)子2任意一側(cè)驅(qū)動與內(nèi)轉(zhuǎn)子1或外轉(zhuǎn)子2相連的轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動時， 內(nèi)轉(zhuǎn)子1和外轉(zhuǎn)子2彼此反向轉(zhuǎn)動，即可在需要傳動的兩機構(gòu)之間進行磁性傳動。內(nèi)轉(zhuǎn)子 1的轉(zhuǎn)速為W1,外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為W2，內(nèi)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)為P1,外轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)為P2，則有 W1ZW2 = PyP1，磁性齒輪的傳動比由內(nèi)外轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)比值決定。需要指出的是，由于第一組永磁體11和第二組永磁體21徑向充磁的方式，第一組永磁11和第二組永磁體21在各自兩側(cè)均產(chǎn)生磁場，而內(nèi)轉(zhuǎn)子1和外轉(zhuǎn)子2進行傳動時，主要作用是通過兩組永磁體相對一側(cè)的磁場作用傳遞轉(zhuǎn)矩，因此為了充分利用第一組永磁體 11和第二組永磁體21，內(nèi)轉(zhuǎn)子1支撐第一組永磁體11的支撐部12，以及外轉(zhuǎn)子2支撐第二組永磁體21的支撐部22需要采用導(dǎo)磁材料制成進行導(dǎo)磁。最常用的導(dǎo)磁材料是鐵芯，因此大大增加了磁性齒輪的總重量，而且即便如此，也無法完全利用兩組永磁體產(chǎn)生的磁場， 永磁體的利用率比較低，造成磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩密度低很低。本發(fā)明亦在解決上述的問題，在說明本發(fā)明原理之前，首先介紹一下直線型 halbach永磁體陣列。直線型halkich永磁體陣列來源于兩種基本永磁體陣列結(jié)構(gòu)，即如圖3a所示的徑向永磁體陣列和如圖北所示的切向永磁體陣列，兩種永磁體陣列均在永磁體兩側(cè)產(chǎn)生磁場。如圖3c所示，直線型halbach永磁體陣列可視為徑向永磁體陣列和切向永磁體陣列的結(jié)合體，理想的直線型halbach永磁體陣列的磁化矢量是按正弦曲線連續(xù)變化，其磁場在永磁體一側(cè)增強，并按正弦形式分布，而另一側(cè)的磁場強度為零。但在實際應(yīng)用中，由于無法實現(xiàn)永磁體的充磁方向的連續(xù)變化，常常采用將離散多塊永磁體拼接在一起來近似正弦充磁，這樣在永磁體一側(cè)形成了增強的磁場，而另一側(cè)的磁場強度很弱。一個halbach永磁體陣列單元的四塊永磁體構(gòu)成了一對磁極，因此嚴(yán)格意義上講，圖3c所示的直線型halbach永磁體陣列實際是每磁極兩塊永磁體的直線型halbach永磁體陣列。由于直線型halbach永磁體陣列，離散的多塊永磁體充磁方向變化越近似正弦充磁，形成的一側(cè)強磁場的強度就越大。為了得到強度更大的一側(cè)增強磁場，要么降低每塊永磁體的寬度，即使得永磁體一個波長內(nèi)永磁體塊數(shù)增加；要么增加一個halbach永磁體陣列單元的永磁體塊數(shù)(在一個halbach永磁體陣列單元永磁體總寬度相同的情況下)，即增加一對磁極的永磁體塊數(shù)。如圖3d所示，一個halbach永磁體陣列單元(即一對磁極)采用6塊永磁體，每磁極3塊永磁體，相應(yīng)地相鄰永磁體的充磁方向需要進行旋轉(zhuǎn)。這樣，在單位寬度的情況下， 一方面增加了 halkich永磁體陣列的永磁體塊數(shù)，使得永磁體的制造、放置變得更加復(fù)雜； 另一方面相鄰永磁體的充磁方向是旋轉(zhuǎn)的，部分永磁體的充磁變得很麻煩(與徑向充磁和切向充磁比較)。隨著每對磁極永磁體數(shù)量的增加，相鄰永磁體充磁方向的變化角度會越來越小，很難保證永磁體充磁方向的精度。最初直線型halbach永磁體陣列只是作為一種靜磁場產(chǎn)生裝置應(yīng)用于大型粒子加速器，隨著永磁裝置不斷小型化、便攜化的發(fā)展需求，halbach永磁體陣列的出色特性得到的了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，通過采用不同的組合形式其應(yīng)用范圍也擴大到了諸如核磁共振、電動磁懸浮、永磁電機、特種加工等領(lǐng)域。將直線型halbach永磁體陣列彎曲首尾相接組合成圓環(huán)形狀，即圓柱形halbach 永磁體陣列。根據(jù)磁化方向旋轉(zhuǎn)理論(Easy Axis Rotation Theorem)，即在沒有導(dǎo)磁材料存在的二維空間中，所有永磁體的磁化方向旋轉(zhuǎn)+β角度，那么在空間中的全部磁場方向旋轉(zhuǎn)角度，幅值沒有變化。由于不均勻的磁場會導(dǎo)致諧波分量的增長，為了保證圓柱形 halbach永磁體陣列內(nèi)部或外部磁場均勻度，抑制諧波分量，基波的幅度應(yīng)盡量取最大值， 此時圓柱形halbach永磁體陣列的磁極對數(shù)與永磁體磁化方向(即充磁方向)的關(guān)系應(yīng)符合
β(φ)=(Ρ+1)*φ其中，β為永磁體的磁化方向，P為圓柱形halbach永磁體陣列的磁極對數(shù)，φ為極坐標(biāo)角度。當(dāng)P取正整數(shù)時，圓柱內(nèi)側(cè)的磁場增強，當(dāng)P取負(fù)整數(shù)(P <= -2)，圓柱外側(cè)的磁場增強。相鄰兩塊永磁體之間的充磁方向的夾角θ = (Ρ+1)*360/(Ρ*Μ)度，其中M為每對磁極的永磁體塊數(shù)，或者說一個halbach陣列單元的永磁體塊數(shù)。當(dāng)每對磁極永磁體的塊數(shù)為4塊時，相鄰兩塊永磁體之間的充磁方向的夾角θ = 90+90/ρ度。參見圖4a，圖中未繪制永磁體，0點表示圓柱形halbach永磁體陣列圓柱截面的圓心，直線0Α、0Β表示相鄰兩塊永磁體的中心線，OA處的永磁體沿著直線OA向圓柱體外側(cè)方向進行充磁，即沿著圓柱圓周的徑向，向圓柱外側(cè)方向充磁。要獲得圓柱內(nèi)側(cè)增強的磁場， OB處的永磁體的充磁方向要相對OA處永磁體的充磁方向在圖如中逆時針旋轉(zhuǎn)90+90/P 度，如直線BC所示，將直線BC反向延長與直線OA交于A點。相鄰兩塊永磁體之間的充磁方向的夾角θ = 90+90/P度，由于每對磁極4塊永磁體，那么相鄰兩塊永磁體之間的夾角Z AOB = 360/(P*4) = 90/P度，根據(jù)三角形內(nèi)外角的關(guān)系，ΖΑΒΟ = θ - Z AOB = 90+90/Ρ-90/Ρ = 90度，即OB處永磁體的充磁方向相對OA處永磁體的充磁方向，逆時針旋轉(zhuǎn)90+90/Ρ度后，正好是沿著圓柱圓周的逆時針的切線方向。同理，與OB處永磁體逆時針方向相鄰的下一塊永磁的充磁方向相對OB處永磁體逆時針旋轉(zhuǎn)90+90/Ρ，這樣正好使得該永磁體的充磁方向正好沿著朝向圓柱內(nèi)側(cè)的徑向方向；與上述永磁體逆時針方向相鄰的下一塊永磁體則相對上述永磁體的充磁方向逆時針旋轉(zhuǎn)90+90/Ρ度，正好沿著圓柱圓周的切向方向，與OB處永磁體沿著逆時針的切向方向不同的是，該永磁體沿著順時針的切向方向，后續(xù)的永磁體的充磁方向則根據(jù)上述規(guī)則可類推獲得。參見圖4b，要獲得圓柱外側(cè)增強的磁場，OB處的永磁體的充磁方向要相對OA處永磁體的充磁方向在圖4b中順時針旋轉(zhuǎn)90+90/P度，同樣如直線BC’所示，將直線BC’反延長與直線OA交于A點。由于此時P為負(fù)整數(shù)，因此Z AOB = -90/P度，那么Z ABO = 180- θ - Z AOB = 180-(90+90/P)-(-90/P) = 90度，即OB處永磁體的充磁方向相對OA處永磁體的充磁方向，順時針旋轉(zhuǎn)90+90/P度后，正好是沿著圓柱圓周的順時針的切線方向。同理，與OB處永磁體逆時針方向相鄰的下一塊永磁的充磁方向相對OB處永磁體順時針旋轉(zhuǎn)90+90/P，這樣正好使得該永磁體的充磁方向正好沿著朝向圓柱內(nèi)側(cè)的徑向方向；與上述永磁體逆時針方向相鄰的下一塊永磁體則相對上述永磁體的充磁方向順時針旋轉(zhuǎn)90+90/P度，正好沿著圓柱圓周的切向方向，與OB處永磁體沿著順時針的切向方向不同的是，該永磁體沿著逆時針的切向方向，后續(xù)的永磁體的充磁方向則根據(jù)上述規(guī)則可類推獲得。這說明，當(dāng)每對磁極為4塊永磁時，圓柱形halbach永磁體陣列無論產(chǎn)生圓柱內(nèi)側(cè)增強的磁場還是產(chǎn)生圓柱外側(cè)增強的磁場，在磁場強度增強的同時，永磁體只有徑向充磁和切向充磁兩種充磁方式，這大大簡化了永磁體的充磁程序，可提高生產(chǎn)效率。參見圖5，本發(fā)明的磁性齒輪在內(nèi)轉(zhuǎn)子Ia和外轉(zhuǎn)子加同軸設(shè)置時，與現(xiàn)有的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置的磁性齒輪的結(jié)構(gòu)相似(因此省略了圖5的軸向結(jié)構(gòu)示意圖)，區(qū)別在于本發(fā)明的磁性齒輪第一元件內(nèi)轉(zhuǎn)子Ia采用了每對磁極4塊永磁體，圓柱外側(cè)磁場增強的圓柱形 halbach永磁體陣列；第二元件外轉(zhuǎn)子加采用了每對磁極4塊永磁體，圓柱內(nèi)側(cè)磁場增強的圓柱形halkich永磁體陣列。這樣，將磁場強度在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相對的一側(cè)進行了增強，磁場相對現(xiàn)有的磁性齒輪也更加接近正弦分布，氣隙磁場中的諧波成分和永磁體內(nèi)的渦流損耗都會相應(yīng)地減小，在永磁體用量相同的情況下，本發(fā)明的磁性齒輪可以提供更大的轉(zhuǎn)矩， 即提高了磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩密度。同時，由于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的磁場主要集中在二者相對的一側(cè)，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ia的內(nèi)側(cè)和外轉(zhuǎn)子加的外側(cè)磁場較弱，因此無需進行導(dǎo)磁。這樣，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ia支撐第一組永磁體的支撐部 12a,以及外轉(zhuǎn)子加支撐第二組永磁體的支撐部2 可采用輕質(zhì)的不導(dǎo)磁材料，例如硬鋁、 陶瓷，其他復(fù)合材料等，磁性齒輪單位體積的重量也得到了降低。但內(nèi)、外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置時，以內(nèi)轉(zhuǎn)子Ia為輸入端，以外轉(zhuǎn)子加為輸出端，齒輪的傳動比大致只能在1.5-11. 5范圍內(nèi)進行選取，這是因為隨著傳動比的增大，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間的齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)也會隨之增大，過大的齒槽轉(zhuǎn)矩會影響磁性齒輪的傳動效率。因此，盡管內(nèi)、外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置的磁性齒輪可以獲得較高的轉(zhuǎn)矩密度，但受自身特性的限制，其傳動比不可以做的很大，在需要較大傳動比的領(lǐng)域，例如兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的傳動中(通常傳動比大約100左右)必須通過多級傳動，這顯然使得傳動裝置的結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，制造、維護的難度都相應(yīng)地增大。參見圖6，為了解決上述問題，本發(fā)明的磁性齒輪內(nèi)、外轉(zhuǎn)子除了同軸設(shè)置外，還可以偏心設(shè)置，磁性齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib采用每對磁極4塊永磁體，圓柱外側(cè)磁場增強的圓柱形 halbach永磁體陣列，外轉(zhuǎn)子2b采用了每對磁極4塊永磁體，圓柱內(nèi)側(cè)磁場增強的圓柱形 halbach永磁體陣列(由于永磁體數(shù)目較多，未對永磁體的充磁方向進行標(biāo)注)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間無需設(shè)置調(diào)磁鐵芯片，偏心設(shè)置后內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib的軸心繞外轉(zhuǎn)子2b軸心旋轉(zhuǎn)的同時，還圍繞自身的軸心旋轉(zhuǎn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib和外轉(zhuǎn)子2b之間即進行相對的擺線運動，這樣使得第一組永磁體lib和第二組永磁體21b之間產(chǎn)生相對的擺線運動。與內(nèi)、外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置的磁性齒輪相比，任意時刻內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的都有較大數(shù)量永磁體近距離作用(盡管有部分永磁體遠(yuǎn)距離作用，但與內(nèi)外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置時的整體作用效果好)，永磁體用量相同的情況下，可提供更大的轉(zhuǎn)矩。內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib支撐第一組永磁體lib的支撐部12b，以及外轉(zhuǎn)子2b支撐第二組永磁體21b的支撐部22b也可以與同軸設(shè)置的磁性齒輪一樣，采用輕質(zhì)的不導(dǎo)磁材料制成。但是，與同軸設(shè)置的磁性齒輪只需在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子上設(shè)置轉(zhuǎn)軸即可構(gòu)成磁性傳動裝置，進行磁性傳動不同的是，當(dāng)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子偏心設(shè)置時，還需要其他輔助元件才能構(gòu)成磁性傳動裝置進行磁性傳動。參見圖7，要使得磁性傳動裝置的第一元件內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib和第二元件外轉(zhuǎn)子2b進行相對的擺線運行，進而使得第一組永磁體lib和第二組永磁21b之間產(chǎn)生相對的擺線運動 (圖7中以黑白相間表示兩組永磁體，并未對永磁體的充磁方向進行示意，圖7中兩組永磁體的實際數(shù)量也不是對本發(fā)明兩組永磁體可選數(shù)量的限定)。首先在內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib上設(shè)置特殊的轉(zhuǎn)軸13b，轉(zhuǎn)軸13b的軸心與外轉(zhuǎn)子2b的軸心重合；然后在內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib上設(shè)置多個軸向通孔，例如本實施例中設(shè)置了 3個軸向通孔。第三元件包含一軸41，軸41上設(shè)有與內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib上通孔數(shù)量相等的軸向銷42，銷42伸入內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib上的對應(yīng)的通孔中，每個銷42的外表面與內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib上對應(yīng)通孔的內(nèi)表面相貼。將第三元件的軸41固定，以轉(zhuǎn)軸1 為輸入端進行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸1 轉(zhuǎn)動會帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib —邊自轉(zhuǎn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib的軸心一邊圍繞外轉(zhuǎn)子2b的軸心轉(zhuǎn)動，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib上的每個通孔將圍繞對應(yīng)銷41的外表面進行轉(zhuǎn)動，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib相對外轉(zhuǎn)子2b進行擺線運動，在第一組永磁體lib和第二組永磁體21b的磁性作用下傳遞轉(zhuǎn)矩，外轉(zhuǎn)子2b在內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib的帶動下作為輸出端圍繞自身軸心與轉(zhuǎn)軸13b同向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了磁性傳動。在這種情況下，磁性傳動裝置的傳動比R = P2AP2-P1)，其中P1為內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib的磁極對數(shù)，P2為外轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)。當(dāng)外轉(zhuǎn)子只比內(nèi)轉(zhuǎn)子多一對磁極時，在轉(zhuǎn)矩密度得到提高的同時，可以獲得一個很大的傳動比，例如外轉(zhuǎn)子2b采用100對磁極，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib采用99對磁極，傳動比將達(dá)到100。參見圖8，本實施例中，除了將第三元件進行固定外，還可以選擇將外轉(zhuǎn)子2b進行固定，同樣以轉(zhuǎn)軸1 作為輸入端進行傳動，轉(zhuǎn)軸1 轉(zhuǎn)動同樣會帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib—邊自轉(zhuǎn)， 內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib的軸心一邊圍繞外轉(zhuǎn)子2b的軸心轉(zhuǎn)動，第一組永磁體lib和第二組永磁體21b 的磁性作用傳動轉(zhuǎn)矩，銷42在內(nèi)轉(zhuǎn)子1的通孔的作用力下，將帶動軸41以與轉(zhuǎn)軸1 轉(zhuǎn)動方向相反的方向轉(zhuǎn)動，軸41作為輸出端，實現(xiàn)了磁性傳動。在這種情況下，磁性傳動裝置的傳動比R = P1AP1-P2)，其中P1為內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib的磁極對數(shù)，P2為外轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)。當(dāng)外轉(zhuǎn)子只比內(nèi)轉(zhuǎn)子多一對磁極時，在轉(zhuǎn)矩密度得到提高的同時，也可以獲得一個很大的傳動比，例如外轉(zhuǎn)子2b采用100對磁極，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ib采用99 對磁極，傳動比將達(dá)到-99，負(fù)號表示輸出端與輸入端的轉(zhuǎn)動方向相反。上述的磁性轉(zhuǎn)動裝置便可直接運用于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機與風(fēng)葉之間的傳動，當(dāng)?shù)谌潭〞r，轉(zhuǎn)軸1 連接風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)軸，外轉(zhuǎn)子2b連接風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸(或者還需要進行一定轉(zhuǎn)換與風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸連接)；當(dāng)外轉(zhuǎn)子2b固定時，轉(zhuǎn)軸1 連接風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)軸，軸41連接風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸。當(dāng)然，此時外轉(zhuǎn)子2b或軸41是作為輸入端的，通過磁性傳動裝置的傳動，轉(zhuǎn)軸13b的輸出達(dá)到了明顯的升速，實現(xiàn)了高速大扭矩的目的。在獲得大傳動比的同時，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)也相應(yīng)地增大，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子上設(shè)置的永磁體的數(shù)量將是磁極對數(shù)的4倍，例如上述外轉(zhuǎn)子100對磁極，內(nèi)轉(zhuǎn)子99對磁極，永磁體的數(shù)量將達(dá)到近800塊，這使得永磁體的充磁和裝配變得比較麻煩。再參見圖6，可以采用截面形狀為矩形的永磁體，這樣只需準(zhǔn)備兩種充磁方向的永磁體，一種是沿截面長度方向充磁的永磁體，一種是沿著截面寬度方向充磁的永磁體，這大大簡化了永磁體的充磁程序，可提高永磁體的充磁效率。此時，在內(nèi)轉(zhuǎn)子外表面和外轉(zhuǎn)子內(nèi)表面設(shè)置與各自永磁體相同截面形狀的軸向槽(圖中未示意，另外，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子永磁體的截面形狀可能是不同的)，根據(jù)永磁體充磁方向的規(guī)則，依次將不同充磁方向的永磁體插入軸向槽，即可完成內(nèi)、外轉(zhuǎn)子永磁體的裝配。當(dāng)然，永磁體也完全可以采用常規(guī)的扇形或者梯形截面，上述實施方式并非對本發(fā)明的限制，對于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置的磁性齒輪(磁性傳動裝置)也可以采用上述的實施方式。需要指出的是，本實施例只是對磁性傳動裝置的原理進行說明，各元件的結(jié)構(gòu)都采用了比較簡化的處理方式，例如轉(zhuǎn)軸1 要與外轉(zhuǎn)子2b同軸心轉(zhuǎn)動可能還需要設(shè)置軸承等結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)軸1 進行支撐，第三元件固定時，外轉(zhuǎn)子2b作為輸出端(或者輸入端)可能還需要連接轉(zhuǎn)軸。本實施例并未對上述問題進行詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的原理應(yīng)當(dāng)知曉如何進行處理，本發(fā)明已經(jīng)進行了充分的公開。根據(jù)本發(fā)明的原理，第三元件顯然還可以有其他形式。參見圖9，該實施例中，第三元件包含一殼體5，內(nèi)轉(zhuǎn)子Ic和外轉(zhuǎn)子2c均設(shè)置在殼體5內(nèi)，第一組永磁體Ilc設(shè)置在內(nèi)轉(zhuǎn)子Ic的外表面，第二組永磁體21c設(shè)置在外轉(zhuǎn)子2c的內(nèi)表面，殼體5兩端設(shè)有軸承51 和軸承52，軸承51支撐與第一實施例中轉(zhuǎn)軸1 作用相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)軸13c，軸承52支撐與外轉(zhuǎn)子2c連接的轉(zhuǎn)軸23c，多個銷4 設(shè)置在轉(zhuǎn)軸13c的一側(cè)并固定在殼體5內(nèi)部。在本實施例中，殼體5和多個銷4 構(gòu)成了第三元件，并且是將第三元件進行固定的實施方式，需要傳動的兩機構(gòu)分別連接轉(zhuǎn)軸13c和轉(zhuǎn)軸23c即可實現(xiàn)傳動。由于第一實施例中，已經(jīng)對本發(fā)明的原理進行了充分說明，本實施例中不再進行累述?？梢岳斫獾氖牵灰谌c第一元件和第二元件作用，使得磁性傳動裝置在運行時，第一組永磁體和和第二組永磁體之間產(chǎn)生相對的擺線運動，即可達(dá)到本發(fā)明的目的。以上僅僅是對第三元件進行示意性說明，并未對本發(fā)明的限制，所有符合本發(fā)明的第三元件的結(jié)構(gòu)，都將落入本發(fā)明要求保護的范圍。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.磁性齒輪，其特征在于，包括可轉(zhuǎn)動的第一元件，所述第一元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第一組永磁體塊，以產(chǎn)生單側(cè)增強磁場；可轉(zhuǎn)動的第二元件，所述第二元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第二組永磁體塊，以產(chǎn)生與第一組永磁體塊單側(cè)增強磁場相對的單側(cè)增強磁場，通過磁性作用在第一元件和第二元件之間傳遞力。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性齒輪，其特征在于所述第一元件為圓柱形內(nèi)轉(zhuǎn)子，第二元件為圓柱形外轉(zhuǎn)子，永磁體分別設(shè)置在內(nèi)轉(zhuǎn)子的外表面和外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的永磁體均為每對磁極四塊永磁體的圓柱形halbach陣列結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生圓柱外側(cè)增強的磁場，外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生圓柱內(nèi)側(cè)增強的磁場。
3.如權(quán)利要求2所述的磁性齒輪，其特征在于內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子對永磁體進行支撐的支撐部采用輕質(zhì)的不導(dǎo)磁材料制成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的磁性齒輪，其特征在于內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的永磁體采用截面為矩形的永磁體，通過在內(nèi)轉(zhuǎn)子外表面和外轉(zhuǎn)子內(nèi)表面設(shè)置與各自永磁體相同截面形狀的軸向槽，采用插入的方式裝入內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。
5.如權(quán)利要求1或2所述的磁性齒輪，其特征在于內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間設(shè)有調(diào)整內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間磁場，促進內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁場耦合的一組調(diào)磁鐵-H-· I I心片。
6.如權(quán)利要求1或2所述的磁性齒輪，其特征在于內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子偏心設(shè)置，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間可進行相對的擺線運動。
7.磁性傳動裝置，其特征在于，包括第一元件，所述第一元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第一組永磁體，以產(chǎn)生單側(cè)增強磁場；第二元件，所述第二元件設(shè)有采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)的第二組永磁體，以產(chǎn)生與第一組永磁體單側(cè)增強磁場相對的單側(cè)增強磁場，通過磁性作用在第一元件和第二元件之間傳遞力；第三元件，與第一元件和第二元件作用，使得磁性傳動裝置在運行時，第一組永磁體和和第二組永磁體之間產(chǎn)生相對的擺線運動。
8.如權(quán)利要求7所述的磁性傳動裝置，其特征在于所述第一元件為圓柱形內(nèi)轉(zhuǎn)子，第二元件為圓柱形外轉(zhuǎn)子，永磁體分別設(shè)置在內(nèi)轉(zhuǎn)子的外表面和外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的永磁體均為每對磁極四塊永磁體的圓柱形halbach陣列結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生圓柱外側(cè)增強的磁場，外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生圓柱內(nèi)側(cè)增強的磁場。
9.如權(quán)利要求7或8所述的磁性傳動裝置，其特征在于固定第二元件，在第一元件和第三元件之間進行傳動。
10.如權(quán)利要求7或8所述的磁性傳動裝置，其特征在于固定第三元件，在第一元件和第二元件之間進行傳動。
全文摘要
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有磁性齒輪轉(zhuǎn)矩密度較低的問題，在不增加磁性齒輪永磁體用量的情況下提供一種轉(zhuǎn)矩密度較高的磁性齒輪以及以該磁性齒輪為基礎(chǔ)的磁性傳動裝置。該磁性齒輪的第一元件和第二元件均采用每對磁極四塊永磁體的halbach陣列結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生單側(cè)增強磁場。本發(fā)明由于磁場在一側(cè)得到增強，可以大大提高磁性齒輪轉(zhuǎn)矩密度，同時可以很容易地得到在空間較理想的正弦分布的磁場，減少氣隙磁場中的諧波成分和永磁體內(nèi)的渦流損耗，因此可提高傳動效率，磁性傳動裝置通過第一組永磁體和第二組永磁體之間的擺線運動，在獲得高的轉(zhuǎn)矩密度的同時，可以獲得一個很大的傳動比。
文檔編號H02N11/00GK102420549SQ201010294438
公開日2012年4月18日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者張映明, 黃越 申請人:東元總合科技(杭州)有限公司