[发明专利]一种抗失步定子励磁型场调制轴向磁齿轮

说明书

本发明公开了一种抗失步定子励磁型场调制轴向磁齿轮，涉及磁齿轮领域。包括同轴排布的定子、主动转子和从动转子，主动转子和从动转子分别设置于定子两侧。本发明利用磁齿轮异步运行阶段气隙磁密特定谐波与引入绕组的相互作用产生作用于从动转子的净驱转矩，显著提升磁齿轮暂态运行阶段抗失步能力，同时磁齿轮在稳态运行阶段阻尼绕组感应电流为零，所引入的阻尼绕组不会影响其传动品质；本发明的磁齿轮采用定子励磁取代传统转子励磁，将价格昂贵、脆度较高的永磁体用定子铁心分块夹持保护，既能够避免永磁体发生脱落，也可以保证阻尼绕组与永磁体在安装空间方面相互独立，在几何参数设计方面互不干涉，提高了磁齿轮的机械可靠性与设计自由度。

技术领域

本发明属于磁齿轮技术领域，特别是一种抗失步定子励磁型场调制轴向磁齿轮。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在工业驱动领域，原动机工作转速单一性与被驱负载工作转速多样性之间的矛盾普遍存在，采用机械齿轮进行变速传动是解决这一矛盾的有效途径。机械齿轮具有转矩传递能力强、空间结构紧凑等优点，但运行阶段相邻两轮的齿间摩擦导致该类传动设备存在一系列难以克服的不足与缺陷，例如：(1)运行噪声大，热损耗大；(2)需要润滑与定期维护，运行成本较高；(3)过载时存在断齿等不可逆损坏风险；(4)可靠性较差，是传动系统中故障率较高的部件之一。此外，受其传动形式制约，机械齿轮无法应用于输入、输出端需要物理隔离的特殊场合。

考虑到机械齿轮存在的上述缺陷，近年来，国内外学者针对非接触式变速传动装置进行了广泛探索，磁齿轮由此应运而生。磁齿轮凭借永磁体之间的作用力实现相邻转子的非接触式传动，因而可以避免接触式传动引起的诸多问题。早期磁齿轮多由机械齿轮直接仿照而来，较为典型者包括直齿圆柱磁齿轮、平行轴圆柱磁齿轮、圆柱蜗杆磁齿轮、锥蜗杆磁齿轮、渐开线磁齿轮以及行星磁齿轮。这些仿机械式磁齿轮利用永磁体磁场的相互耦合替代机械齿轮的齿槽啮合，虽然能够实现非接触式变速传动，但在运行阶段只有少部分永磁体参与工作，因而并不具备理想转矩传递能力，实际应用价值不大。

2001年，英国D.Howe等人摒弃简单仿照机械齿轮这一传统设计思路，另辟蹊径，基于磁场调制理论提出一种场调制磁齿轮，其结构如图1所示。该磁齿轮由调磁圆环以及位于圆环内外两侧的主动、从动转子沿径向同轴套合而成。主动、从动转子转速并不相等，但经过调磁环作用后，主动转子永磁体能够在从动转子相邻气隙内产生与从动转子永磁体同转速、同极数的调制磁场，该磁场与从动转子永磁体自身激励磁场相耦合，进而产生作用于从动转子的恒定转矩，最终实现稳定的非接触变速传动。与永磁体利用率较低的仿机械式磁齿轮相比，该场调制磁齿轮在运行阶段能够保证所有永磁体参与磁场耦合与转矩生成，其转矩传递能力足以与普通机械齿轮相媲美。

由于能够实现非接触变速传动且转矩传递能力满足工程应用需求，场调制磁齿轮一经面世随即受到广泛关注。迄今为止，国内外学者从不同角度出发，相继采用多种技术措施对场调制磁齿轮加以改进，具体概括为以下五个方面：

(1)改变永磁体充磁排布方式

永磁体是场调制磁齿轮能够实现非接触动力传递的核心部件，自然成为实现该类齿轮性能提升的首要关注对象。除采用高品质永磁材料外，改进永磁体充磁排布方式也是增强场调制磁齿轮工作性能的一种有效手段。例如，相较于一般表贴式极性正负交替型永磁体阵列，采用Ha l bach型永磁体阵列能够有效改善气隙磁密波形分布，进而削弱转矩脉动、降低铁心损耗；采用永磁体内置型排布方式可以利用聚磁效应提升磁通密度；采用交替极永磁体排布方式能够在保证磁齿轮转矩密度基本不变的前提下减少永磁体用量，进而降低齿轮材料成本，提升其性价比；将变极宽Ha l bach型永磁体阵列与不等厚气隙或内置式永磁体阵列相搭配，可以发挥各配合元素对气隙磁密有效谐波分量的增加作用，进而实现场调制磁齿轮转矩传递能力的进一步提升。

(2)改变调磁环结构与材料