径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副制造技术

径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副，可广泛应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动等工业传动领域。其特征是：由定子铁芯6与2ps个定子永磁体7所组成的永磁定子，和装有2pr个转子永磁体8的永磁转子及具有Zb个凸极波数的凸极式磁导波转子5构成磁导谐波式磁性齿轮副，极对数ps与pr为彼此互素的正整数对，永磁定子、永磁转子和凸极式磁导波转子5三者之间同轴安装且彼此间通过径向气隙磁场而耦合，利用少极差的异极性磁场吸引的原理在高速旋转的凸极式磁导波转子5的凸极直轴区域相互耦合，来驱动少极差的磁性齿轮副低速旋转，从而实现无机械接触、无摩擦的动力变速变矩传动。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副，是利用少极差原理构建的磁导交变的谐波式磁性齿轮传动技术来实现高转速小力矩机械能与低转速大力矩机械能相互转换的变速传动装置，可直接取代常规的机械式谐波齿轮传动变速系统，广泛应用于工业机器人伺服驱动、风力发电、水力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。
技术介绍
在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与高转速低力矩机械能的相互转换，比如风力发电和水力发电领域需要将极低转速 且可变的风能、水的势能转换成高转速的发电用机械动能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将原动机的高速机械功率变换成转速很低而力矩很大的机械功率，工业机器人、雷达跟踪系统及机床加工中心大量使用的高精度伺服减速驱动机构。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，现有公知的普遍方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，长期以来少齿差齿轮传动技术和谐波齿轮传动技术是大减速比传动的首选，少齿差传动因偏心引发许多了自转输出机构的加工精度、噪声、效率、震动等一系列问题，而谐波传动又因为柔轮的交替变形的强度、刚度、疲劳而引出传动系统的可靠性和寿命挑战问题，传动力矩、功率和输入转速、传动效率一直难以提高。中国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，大力发展稀土材料的应用有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁材料在电驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的各类电机产品，其单位体积材料传送的力矩密度大，能源利用效率高而能耗小，显示出其稀土材料巨大的优越性。近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破，2004年英国和丹麦学者提出了磁场调制技术理论及其传动结构，并从实践上完成了一种新型径向磁场调制式磁性齿轮的设计及样机验证工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点，这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域。这种基于磁场调制技术的磁性齿轮结构有一个特点，即是采用磁场调制原理来对少极数的主动轮和多极数的从动轮的不同极数的永久磁场进行调制，具体在结构上的方法就是在主动轮和从动轮之间加设了一个具有定向定数的导磁栅铁芯做导磁极，从而有目的地隔离两个不同极数的传动轮。由于导磁栅铁芯的存在使得气隙磁阻与磁势交变脉动，导致转矩周期性波动，不仅影响传动精度，而且传动比越大导磁栅铁芯所受的机械转矩也越大，其结构强度也是影响其寿命的主要因素。因此，改进导磁栅铁芯的栅齿结构并减少栅齿数量是提高其机械强度和寿命的关键环节。近期，本案专利技术人之一也提出过新型横向和径向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿轮副(201110277432. 3,201120350893. 4 和 201110355864. 1,201120444409. 4)，这种磁性齿轮副是利用两个传动轮副上的两种不同极数的永久磁场相互作用、相互耦合来达到传递力矩和变速传动的目的，但是这种少极差双永磁耦合变速的概念，由于其结构上必须采取偏心，再加稀土材料强大的永久磁场增加了轴承的径向、轴向负荷，而且由于偏心导致输出机构复杂、效率低下，工艺上也增加了加工和装配难度，更不能忍受的是偏心结构导致系统的刚性震动，难以适应减速机构的高转速运行，限制了其应用范围。截止目前为止国内外均还没有人提出过利用少极差原理并结合机械谐波齿轮传动技术原理来改进少极差磁性齿轮副的偏心结构，而这样的技术研究和结构专利技术对于工程应用具有重要的现实意义。
技术实现思路
首先，借助图I、图2来分析传统的机械式谐波齿轮传动的技术原理，图中项I为输入轴，项16为定子刚轮，项17为柔轮转子，项18为波发生转轮；图中符号标识示输入转速、输出转速，Zs表示机械式谐波齿轮的定子刚轮16的内齿数，Z2表示机械式谐波齿轮的柔轮转子17的外齿数，bn表示机械式谐波齿轮的波发生转轮18的波数。当波发生转轮18装入柔轮转子17的内圆时，迫使柔轮转子17产生弹性变形，使其长轴处柔轮转 子的轮齿插入定子刚轮16的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态；由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当波发生转轮18连续转动时，迫使柔轮转子17不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动的波发生转轮18与被动的柔轮转子17间的运动传递。谐波齿轮传动中错齿是运动产生的原因，定子刚轮16的内齿数Zs与柔轮转子17的外齿数Z2齿数差很小，其齿数差Zs- Z2=±bn决定了波发生转轮18转一周柔轮转子17变形时与定子钢轮同时啮合区域的数目，即波数；目前多用双波和三波传动。图I为波数为bn=+2的机械式谐波齿轮双波传动原理图，图2为波数为bn=+3的机械式谐波齿轮三波传动原理图；在图中所示的柔轮转子17旋转输出的条件下，其传动比为H1-^n2= - Z2+(Zs- Z2)= - Z2+(土bn)。根据上述机械式谐波齿轮传动技术的原理，本技术专利技术的目的在于提供一种气隙磁密波可交替变化的径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副新结构。本专利技术的基本构思是，借鉴机械式谐波齿轮传动中两传动轮副错齿运动的原理，并结合凸极式同步电机气隙磁场在直轴和交轴方向因气隙磁导变化导致气隙磁密波也周期性交变的凸极效应理论，将谐波齿轮传动中高速的波发生转轮18用具有磁导凸极效应的凸极式磁导波转子代替，用稀土永磁体N、S磁极取代定子刚轮16的内齿和柔轮转子17上的外齿，凸极式磁导波转子与带有磁极的柔轮转子之间、柔轮转子与带磁极的定子之间均存在气隙，三者同轴安装结构，彼此间通过径向气隙磁场而耦合，定子和转子的磁极数形成固定的少极差，通过少极差的异极性磁场吸引的原理在高速旋转的凸极式磁导波转子的凸极直轴区域相互耦合，来驱动少极差的磁性齿轮副低速旋转，从而实现无机械接触、无摩擦的动力变速变矩传动。以下结合图3、图4和图5来说明这种径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副的工作原理及结构特征，图中项I为输入轴，项2为轴承I,项3为前端盖,项4为轴承II,项5为凸极式磁导波转子，项6为定子铁芯,项7为定子永磁体,项8为转子永磁体,项9为转子铁芯，项10为波转子端盖，项11为轴承III,项12为轴承IV,项13为后端盖,项14为输出轴，项15为螺栓；图中符号标识N表不极性为N的永磁体,S表不极性为S的永磁体，IipT1表示输入轴I的输入转速和输入力矩，n2、T2输出轴14的输出转速和输出力矩，2口3表不定子永磁体7的分布极数，2pr表不转子永磁体8的分布极数，Zb表不凸极式磁导波转子5的凸极波数，d表示凸极式磁导波转子5的凸极直轴，q表示凸极式磁导波转子5的凸极之间的交轴，Bbd表示凸极直轴d方向的气隙磁密波，Bbq表示凸极间交轴q方向的气隙磁密波。图3为内磁导波转子结构的谐波磁性齿轮副的双波传动工作原理拓扑图；图4为外磁导波转子结构的谐波磁性齿轮副的双波传动工作原理拓扑图；图5为外磁导波转子结构的少极差磁导谐波式磁性齿轮副轴向结构全剖面图。从图3、图本文档来自技高网...

【技术保护点】
径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副，其特征是：一、由具有2ps个定子永磁体(7)的永磁定子、和具有2pr个转子永磁体(8)的永磁转子及具有Zb个凸极波数的凸极式磁导波转子(5)构成磁导谐波式磁性齿轮副，定子永磁体(7)的分布极对数ps与转子永磁体(8)的分布极对数pr为彼此互素的正整数对，并满足以下关系约束：︱ps？pr︱=︱Zb︱；Zb=±2为双波传动方式，Zb=±3为三波传动方式，Zb=±4为四波传动方式；二、径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副的永磁定子、永磁转子和凸极式磁导波转子(5)三者之间呈同心式分布结构，彼此间存在气隙并通过径向气隙磁场而耦合，输入轴(1)与凸极式磁导波转子(5)紧固连接，前端经轴承I？(2)、前端盖(3)定位固定后与原动机连接，后端经轴承III(11)、波转子端盖(10)定位固定后与输出轴(14)连接；输出轴(14)与永磁转子的转子铁芯(9)紧固连接，并经轴承IV(12)、后端盖(13)定位固定后与负载连接；永磁定子的定子铁芯(6)安装布置于两转子的最外层，两转子在装配上分为两种结构形式：第一，凸极式磁导波转子(5)在永磁转子之内的内置式波转子结构，该结构的转子波数Z？b等于凸出的导磁极数；第二，凸极式磁导波转子(5)在永磁转子之外的外置式波转子结构，该结构的导磁极采用空心爪极结构，其转子波数Zb等于空心爪极的导磁极数；？三、径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副的主动轮为凸极式磁导波转子(5)，从动轮为永磁转子，在输入力矩T1和转速n1的输入状态下，其输出运动方式分为：第一，永磁定子固定而永磁转子和输出轴(14)旋转输出力矩T2和转速n2，此时，磁性齿轮副的输出传动满足约束：T2÷T1=n1÷n2=？pr÷(ps？pr)；第二，永磁转子和输出轴(14)固定而永磁定子旋转输出力矩T2和转速n2，此时，磁性齿轮副的输出传动满足约束：T2÷T1=n1÷n2=ps÷(ps？pr)；以上传动关系中出现小于零的负数表示输入和输出的旋转方向相反；四、径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副的定子永磁体(7)和转子永磁体(8)的分布结构均采用N极、S极异极性两两相邻排列的形式安装，安装结构上有两种方式：第一，永磁体安装于铁芯表面的面磁式结构，第二，永磁体安装于铁芯槽内的内埋式结构；五、径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副的永磁定子、永磁转子和凸极式磁导波转子(5)三者之间的气隙形式分为：第一，同心式的连续弧面均匀气隙结构，即永磁定子内圆、永磁转子外圆和凸极式磁导波转子(5)的内外圆均为同心圆弧面，且所有圆弧表面均为无突变的连续弧面；第二，偏心圆弧式的连续弧面非均匀气隙结构，即通过将凸极式磁导波转子(5)的内外圆弧设置成与永磁定子内圆和永磁转子外圆不同心的偏心圆弧结？构，形成改善气隙磁密波形的非均匀气隙结构；第三，对于永磁体内埋式结构的定子铁芯(6)内圆和转子铁芯(9)外圆上开槽，就形成了可提高传动分辨率和动态平稳性的锯齿形非连续弧面的非均匀气隙结构。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢敏，胡捷，余虹锦，
申请(专利权)人：余虹锦，
类型：实用新型
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