《一種同軸磁齒輪》是東南大學於2011年8月30日申請的發明專利，該專利的申請號為2011102527843，公布號為CN102324821A，發明人是程明、李祥林、鄒國棠、花為、杜懌，授權公布日為2012年1月18日，該發明專利屬於機電領域。
《一種同軸磁齒輪》包括由外至內排列、同軸心的外轉子、靜止磁環和內轉子。外轉子為環形導磁體，在其內環上設定有等距排列的外轉子凸極；靜止磁環固定安裝在內、外轉子之間，由永磁體和非永磁體相互間隔排列組成；內轉子外環等距排列內轉子凸極，其上設定內轉子永磁體，內轉子也可採用其它能夠產生有效N-S磁極的結構形式；為保證內、外轉子正常旋轉，三部件之間設有氣隙。該發明利用外轉子凸極結構，將靜止磁環磁場在內氣隙側調製出一系列諧波旋轉磁場，選用內轉子永磁體極對數與某一需要的諧波磁場極對數相同，二者耦合作用實現穩定的轉矩傳遞。
2019年7月15日，《一種同軸磁齒輪》獲第十一屆江蘇省專利項目獎金獎。
（概述圖為《一種同軸磁齒輪》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種同軸磁齒輪
- 申請人：東南大學
- 申請號：2011102527843
- 公布號：CN102324821A
- 發明人：程明、李祥林、鄒國棠、花為、杜懌
- 授權日：2012年1月18日
- 申請日：2011年8月30日
- 地址：江蘇省南京市四牌樓2號
- Int.Cl.：HO2K16/02(2006.01)
- 代理機構：南京蘇高專利商標事務所(普通合夥)
- 代理人：柏尚春
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
工業套用中，很多需要變速驅動的場合，通常利用體積龐大的齒輪箱等機械裝置來實現。大量機械裝置的使用將不可避免地帶來噪聲、震動、摩擦損耗以及定期維護等問題，並將明顯增加系統的複雜性、體積和重量。此外，機械齒輪不具備過載自保護能力，當傳遞的轉矩超過其齒輪承受能力時，容易發生安全事故。
相較而言，磁齒輪是一種非接觸式傳動裝置，不存在噪聲、震動、摩擦損耗以及潤滑等問題，而且能夠實現輸入與輸出之間的物理隔離，還具備過載自保護能力，安全可靠性較高。轉矩傳遞能力一直是磁齒輪的重要性能指標，長期以來，永磁材料性能及磁路拓撲結構的限制導致磁齒輪的轉矩密度相對較低。近年來，隨著高性能釹鐵硼永磁材料的出現，為了能夠實現磁齒輪轉矩傳遞能力的突破，有關磁齒輪新型磁路拓撲結構的探索再次成為中國國內外學者的研究熱點。2011年8月前，傳統的同軸磁齒輪包括由外至內排列、同軸心的外轉子、調磁環和內轉子，內、外轉子均採用表貼永磁體結構，不但降低了轉子的機械承受力，而且表貼的永磁體在轉子旋轉時容易脫落。同時，調磁環採用導磁塊與非導磁塊間隔排列構成，由於調磁環與內、外轉子之間有二層氣隙，導致磁齒輪的轉矩密度較低，種種原因均限制了傳統同軸磁齒輪的套用。因此，研究高轉矩傳遞能力的新型磁齒輪拓撲結構具有重要的理論意義和實用工程價值。
發明內容
專利目的
《一種同軸磁齒輪》針對傳統的磁齒輪磁路拓撲結構的不足，提供了一種具有較高轉矩密度和外轉子機械強度，加工製造方便的同軸磁齒輪。
技術方案
《一種同軸磁齒輪》包括由外至內排列、同軸心的外轉子、靜止磁環、內轉子和轉軸；所述外轉子為環形導磁體，在其內環上設定有等距排列的外轉子凸極；所述靜止磁環是由等距間隔排列的磁環永磁體組成的環形部件，兩相鄰磁環永磁體之間設定有非導磁塊，所述磁環永磁體徑向充磁，相鄰永磁體充磁方向相反；所述內轉子固定設定在轉軸上，內轉子的外環上設定有等距間隔排列的內轉子永磁體；所述外轉子凸極與靜止磁環之間設有外氣隙；靜止磁環與內轉子永磁體之間設有內氣隙。
該發明中，所述外轉子凸極的個數、磁環永磁體的極對數、內轉子永磁體極對數滿足以下關係：ppms=no±ppmi，其中，no為外轉子凸極個數，ppms為靜止磁環永磁體極對數，ppmi為磁齒輪內轉子永磁體極對數。
該發明中，所述內轉子的外環上設定有等距排列的內轉子凸極，所述內轉子永磁體設定在內轉子凸極表面。
該發明的另一種技術方案中，磁齒輪包括由外至內排列、同軸心的外轉子、靜止磁環、內轉子和轉軸；所述外轉子為環形導磁體，在其內環上設定有等距排列的外轉子凸極；所述靜止磁環是由等距間隔排列的磁環永磁體組成的環形部件，兩相鄰磁環永磁體之間設定有導磁塊，所述磁環永磁體沿圓周切向充磁，相鄰永磁體充磁方向相反；所述內轉子固定設定在轉軸上，內轉子的外環上設定有等距間隔排列的內轉子永磁體；所述外轉子凸極與靜止磁環之間設有外氣隙；靜止磁環與內轉子永磁體之間設有內氣隙。
該方案中，所述外轉子凸極的個數、磁環永磁體的極對數、內轉子永磁體極對數滿足以下關係：ppms=no±ppmi，其中，no為外轉子凸極個數，ppms為靜止磁環永磁體極對數，ppmi為磁齒輪內轉子永磁體極對數。
該方案中，所述內轉子的外環上設定有等距排列的內轉子凸極，所述內轉子永磁體設定在內轉子凸極表面。
有益效果
《一種同軸磁齒輪》提供了一種全新的同軸磁齒輪結構，與2011年8月前已有的同軸磁齒輪相比，具有以下優點：
1.該發明的外轉子為簡單的凸極結構，其作用是將靜止磁環的磁場在內氣隙側調製出與磁齒輪內轉子永磁體極對數一致的旋轉磁場，該旋轉磁場與內轉子永磁磁場相互耦合，可實現穩定的轉矩傳遞。該磁齒輪具有轉矩密度高、外轉子機械強度大、加工製造方便的特點。
與傳統的同軸磁齒輪相比，該發明中外轉子僅為簡單的凸極結構，不但能夠提高外轉子的機械承受力，而且更易於加工製造，有利於降低生產成本；
2.該發明的外轉子旋轉時，靜止磁環產生的磁場在外轉子凸極結構的調製作用下，能夠在內氣隙側產生一系列的諧波旋轉磁場。當內轉子永磁磁場與某一諧波旋轉磁場極對數一致時，通過磁場耦合作用可實現轉矩的有效傳遞。為了獲得較高的轉矩密度，所選用諧波磁場應為眾諧波磁場中幅值最大的一個。此外，磁環產生的基波磁場仍處於靜止狀態，有利於減小靜止磁環內的磁滯損耗；
3.當外轉子凸極的個數、磁環永磁體的極對數、內轉子永磁體極對數滿足以下關係：ppms=no±ppmi，其中，no為外轉子凸極個數，ppms為靜止磁環永磁體極對數，ppmi為磁齒輪內轉子永磁體極對數，此時利用了諧波磁場中幅值最大的諧波分量，磁齒輪能夠獲得最優的轉矩傳遞能力；
4.該發明的磁環永磁體徑向充磁方案中，置於靜止磁環相鄰永磁體之間的非導磁塊，一方面能夠起到固定永磁體的作用，另一方面還能夠有效減少永磁體極間漏磁；
5.該發明的磁環永磁體沿圓周切向充磁方案中，構成靜止磁環的導磁塊，一方面能夠為沿圓周切向充磁的永磁體提供磁通通路形成等效的N-S極，另一方面還能夠起到固定永磁體的作用；
6.該發明利用變磁阻原理採用凸極表貼永磁體結構的內轉子，與其它結構形式的內轉子相比，在保證轉矩傳遞能力的前提下，可進一步節省磁鋼和鐵的用量。
附圖說明
圖1為磁環採用徑向充磁的同軸磁齒輪截面結構；
圖2為磁環採用切向充磁的同軸磁齒輪截面結構；
圖3為表面貼裝永磁體式內轉子截面結構；
圖4為內嵌永磁體式內轉子截面結構；
圖5為傳統的同軸磁齒輪截面結構。
圖中有：外轉子1，外轉子凸極11，外轉子永磁體12，靜止磁環2，磁環永磁體21，非導磁塊22，導磁塊23，內轉子3，內轉子凸極31，內轉子永磁體32，外氣隙4，內氣隙5，轉軸6，調磁環7，調磁環導磁塊71，調磁環非導磁塊72。圖中箭頭代表永磁體充磁方向。
權利要求
1.《一種同軸磁齒輪》特徵在於，該磁齒輪包括由外至內排列、同軸心的外轉子（1）、靜止磁環（2）、內轉子（3）和轉軸（6）；所述外轉子（1）為環形導磁體，在其內環上設定有等距排列的外轉子凸極（11）；所述靜止磁環（2）是由等距間隔排列的磁環永磁體（21）組成的環形部件，兩相鄰磁環永磁體（21）之間設定有非導磁塊（22），所述磁環永磁體（21）徑向充磁，相鄰永磁體充磁方向相反；所述內轉子（3）固定設定在轉軸（6）上，內轉子（3）的外環上設定有等距間隔排列的內轉子永磁體（32）；所述外轉子凸極（11）與靜止磁環（2）之間設有外氣隙（4）；靜止磁環（2）與內轉子永磁體（32）之間設有內氣隙（5）。
2.根據權利要求1所述的一種同軸磁齒輪，其特徵在於，所述外轉子凸極（11）的個數、磁環永磁體（21）的極對數、內轉子永磁體（32）的極對數滿足以下關係：ppms=no±ppmi，其中，no為外轉子凸極個數，ppms為靜止磁環永磁體極對數，ppmi為磁齒輪內轉子永磁體極對數。
3.一種同軸磁齒輪，其特徵在於，該磁齒輪包括由外至內排列、同軸心的外轉子（1）、靜止磁環（2）、內轉子（3）和轉軸（6）；所述外轉子（1）為環形導磁體，在其內環上設定有等距排列的外轉子凸極（11）；所述靜止磁環（2）是由等距間隔排列的磁環永磁體（21）組成的環形部件，兩相鄰磁環永磁體（21）之間設定有導磁塊（23），所述磁環永磁體（21）沿圓周切向充磁，相鄰永磁體充磁方向相反；所述內轉子（3）固定設定在轉軸（6）上，內轉子（3）的外環上設定有等距間隔排列的內轉子永磁體（32）；所述外轉子凸極（11）與靜止磁環（2）之間設有外氣隙（4）；靜止磁環（2）與內轉子永磁體（32）之間設有內氣隙（5）。
4.根據權利要求3所述的一種同軸磁齒輪，其特徵在於，所述外轉子凸極（11）的個數、磁環永磁體（21）的極對數、內轉子永磁體（32）的極對數滿足以下關係：ppms=no±ppmi，其中，no為外轉子凸極個數，ppms為靜止磁環永磁體極對數，ppmi為磁齒輪內轉子永磁體極對數。
實施方式
《一種同軸磁齒輪》的同軸磁齒輪，包括由外至內排列、同軸心的外轉子1、靜止磁環2、內轉子3和轉軸6；所述外轉子1為環形導磁體，在其內環上設定有等距排列的外轉子凸極11；所述靜止磁環2是由等距間隔排列的磁環永磁體21組成的環形部件，兩相鄰磁環永磁體21之間設定有非導磁塊22，所述磁環永磁體21徑向充磁，相鄰永磁體充磁方向相反；所述內轉子3固定設定在轉軸6上，內轉子的外環上設定有等距間隔排列的內轉子永磁體32；所述外轉子凸極11與靜止磁環2之間設有外氣隙4；靜止磁環2與內轉子永磁體32之間設有內氣隙5。
《一種同軸磁齒輪》中，所述外轉子凸極11的個數、磁環永磁體21的極對數、內轉子永磁體32極對數滿足以下關係：ppms=no±ppmi，其中，no為外轉子凸極個數，ppms為靜止磁環永磁體極對數，ppmi為磁齒輪內轉子永磁體極對數。
《一種同軸磁齒輪》中，所述內轉子3的外環上設定有等距排列的內轉子凸極31，所述內轉子永磁體32設定在內轉子凸極31表面。
《一種同軸磁齒輪》的另一種技術方案中，磁齒輪包括由外至內排列、同軸心的外轉子1、靜止磁環2、內轉子3和轉軸6；所述外轉子1為環形導磁體，在其內環上設定有等距排列的外轉子凸極11；所述靜止磁環2是由等距間隔排列的磁環永磁體21組成的環形部件，兩相鄰磁環永磁體21之間設定有導磁塊23，所述磁環永磁體21沿圓周切向充磁，相鄰永磁體充磁方向相反；所述內轉子3固定設定在轉軸6上，內轉子3的外環上設定有等距間隔排列的內轉子永磁體32；所述外轉子凸極11與靜止磁環2之間設有外氣隙4；靜止磁環2與內轉子永磁體32之間設有內氣隙5。
該方案中，所述外轉子凸極11的個數、磁環永磁體21的極對數、內轉子永磁體32極對數滿足以下關係：ppms=no±ppmi，其中，no為外轉子凸極個數，ppms為靜止磁環永磁體極對數，ppmi為磁齒輪內轉子永磁體極對數。
該方案中，所述內轉子3的外環上設定有等距排列的內轉子凸極31，所述內轉子永磁體32設定在內轉子凸極31表面。
下面結合附圖對《一種同軸磁齒輪》做進一步說明。
該發明的外轉子1需為凸極結構，用以調製磁環產生的磁場，為了獲得較高的轉矩傳遞能力，實際套用中，凸極極弧係數需要最佳化設計，一般選在0.5左右為宜。
所述的外轉子1、內轉子3、磁環永磁體沿圓周切向充磁方案中構成靜止磁環的導磁塊23由矽鋼疊片或其它導磁材料構成，與普通永磁同步電機的轉子鐵心製造工藝相同。
所述的磁環永磁體徑向充磁方案中，置於靜止磁環永磁體21之間的非導磁塊22由環氧樹脂或其它非導磁材料構成，與永磁體21沿圓周依次間隔排列構成靜止磁環，固定安裝在內、外轉子之間。為了獲得較高的轉矩傳遞能力，非導磁塊22與永磁體21相比，所占比例相對很小，只要在製造工藝允許的範圍內起到固定永磁體的作用即可。
所述的磁環永磁體沿圓周切向充磁方案中，靜止磁環永磁體21和導磁塊23沿圓周依次間隔排列組成一個整體，固定安裝在內、外轉子之間，為了獲得較高的轉矩密度且節省永磁體用量，永磁體21和導磁塊23的弧長比例控制在1:1左右為宜。
內轉子可利用變磁阻原理採用凸極表貼永磁體結構，採用該結構時，極弧係數宜選在0.7左右，與圖3所示的表貼永磁體結構相比，提高了單位體積永磁體的利用率，降低了生產成本。為了防止永磁體32在內轉子高速旋轉的情況下脫落，可在相鄰內轉子凸極31和永磁體32之間填充非導磁材料。當然，還可以採用常見的普通永磁同步電機中轉子表貼永磁體的固定方式實現防止永磁體脫落的目的。
該發明中，內轉子也可採用圖3、圖4所示的其它形式的轉子結構，只需保證內轉子能夠產生有效的N-S極即可。其中，圖3所示為內轉子外環等距表貼永磁體結構，相鄰永磁體徑向充磁，充磁方向相反，構成N-S結構；圖4所示為等距內嵌永磁體結構，相鄰永磁體沿圓周切向充磁，充磁方向相反，構成聚磁式N-S結構。在外轉子1和靜止磁環2之間的外氣隙4可以保證外轉子正常旋轉；在靜止磁環2和內轉子3之間的內氣隙5可以保證內轉子正常旋轉。
該發明中，轉軸6與外部的動力輸入裝置或動力輸出裝置連線，起到輸入或輸出動力的作用。因此，轉軸6可以是和內轉子3單獨的部件，內轉子3固定設定在轉軸6外圓周上；當然轉軸6也可以是和內轉子3製成一體的部件，乃至於轉軸6可以在結構上視為內轉子3的位於軸心的一部分。但無論採用哪種結構形式，都在該發明的保護範圍之內。
所述的構成靜止磁環的永磁體21、置於內轉子凸極31表面的永磁體32由稀土釹鐵硼或其它永磁材料製成。
所述磁環永磁體徑向充磁方案中，構成靜止磁環的永磁體21徑向充磁，且相鄰永磁體充磁方向相反，構成N-S結構。
所述磁環永磁體沿圓周切向充磁方案中，構成靜止磁環的永磁體21沿圓周切向充磁，且相鄰永磁體充磁方向相反，構成聚磁式N-S結構。
所述的置於內轉子凸極表面的永磁體32徑向充磁，且相鄰永磁體充磁方向相反，構成N-S結構。
外轉子凸極的磁場調製功能，能夠將靜止磁環永磁體產生的磁場，在內氣隙側調製出一系列空間諧波磁場。當外轉子旋轉時，相應的諧波磁場隨之旋轉。當磁齒輪內轉子永磁體極對數等於其中任意一個旋轉諧波磁場的極對數時，磁齒輪內轉子通過磁場的耦合作用，就能夠穩定旋轉，實現轉矩傳遞。所以，內轉子有多種結構形式，只需保證能夠產生有效的N-S磁極與諧波磁場耦合作用即可。為了實現變速傳動的效果，一般要求所選用的諧波旋轉磁場的極對數不能等於外轉子凸極的個數。同時，考慮到內、外轉子的半徑不同，內轉子外環周長較小，所設定的永磁體極對數不宜太多，所以，為了實現較好的轉矩傳遞效果，一般內轉子的永磁體極對數相較外轉子凸極數要少的多，即內轉子做高速轉子，外轉子做低速轉子。此時，當所選用的諧波磁場的極對數等於靜止磁環的永磁體極對數與外轉子凸極個數之差的絕對值時，利用了幅值最大的諧波旋轉磁場，磁齒輪能夠實現最優的轉矩傳遞能力。即磁齒輪外轉子凸極個數、靜止磁環永磁體極對數、內轉子永磁體極對數應滿足以下關係：
ppms=no±ppmi（1）
no、ppms、ppmi分別為外轉子凸極數、靜止磁環永磁體極對數、磁齒輪內轉子永磁體極對數。當ppms=no＋ppmi時，磁齒輪內、外轉子旋轉速度比滿足：
Ωi/Ωo=－no/ppmi（2）
Ωi、Ωo分別為磁齒輪內、外轉子旋轉速度，負號表示磁齒輪內、外轉子旋轉方向相反。當ppms=no－ppmi時，磁齒輪內、外轉子旋轉速度比滿足：
Ωi/Ωo=no/ppmi（3）
此時，磁齒輪內、外轉子的旋轉方向相同。
磁環永磁體沿圓周切向充磁方案與磁環永磁體徑向充磁方案相比，由於靜止磁環永磁體採用聚磁式結構，能夠進一步提高磁齒輪的轉矩傳遞能力。此外，在滿足（1）式的條件下，為了減小內轉子轉矩脈動，所選用的ppms、ppmi值之間的最低公倍數應儘可能大，同時，在滿足轉速比的需要下，no、ppms、ppmi值不能選用過大，以免增加加工製造的難度，也不能選用過小，以免影響磁場調製效果，降低磁齒輪的轉矩密度。《一種同軸磁齒輪》涉及的新型同軸磁齒輪不但轉矩密度高，而且外轉子結構簡單，在加工製作成本和機械承受力方面具有明顯的優勢。
榮譽表彰
2019年7月15日，《一種同軸磁齒輪》獲第十一屆江蘇省專利項目獎金獎。
