[發明專利]一種新型Halbach陣列同心式磁力齒輪設計

在審

• 申請號: 201610714041.6
• 申請日: 2016-08-24
• 公開（公告）號: CN107784130A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 申茂軍
• 申請（專利權）人: 申茂軍
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于磁傳動領域，尤其涉及一種新型Halbach陣列同心式磁力齒輪設計方法。

背景技術

同心式磁力齒輪是利用磁場的耦合來傳遞動力的機械裝置，與傳統機械齒輪相比，同心式磁力齒輪不僅具有振動噪聲小、可靠性高、運行過程中無需潤滑，自動過載保護功能等優點，而且傳動轉矩密度能夠達到 100kN·m /m3，完全有能力與橫向磁通永磁電機相媲美。所以磁力齒輪已經越來越受到科研人員的重視。

目前國內外學者對磁力齒輪進行的理論與實驗研究已取得了一些進展，并已將其應用于復合電機、永磁無刷電機、風力渦輪電機中。雖然可以通過實驗得到磁力齒輪的運行效率，但是在傳動效率方面的研究主要是通過模擬和實驗來進行，而在理論方面，則主要是側重有關輸入轉矩和輸出轉矩的理論計算，而結構參數對傳動性能的影響研究甚少。

發明內容

本發明就是針對上述問題，提供了一種新型Halbach陣列同心式磁力齒輪設計方法，該方法是針對磁力齒輪結構的特殊性，對磁力齒輪兩轉子永磁體采用 Halbach 陣列充磁，建立 Halbach充磁解析模型；應用全局解析法分析 Halbach 陣列同心式磁力齒輪。其次，詳細分析了在傳動比不變的情況下，調磁環鐵心寬度、調磁環高度及外轉子軛部厚度等參數與磁力齒輪最大靜態轉矩之間的關系。以一臺內轉子4對極、外轉子17對極的 Halbach 陣列同心式磁力齒輪樣機為例，計算了氣隙磁場和電磁轉矩，并與有限元法結果比較。合理選擇結構參數可以提高磁力齒輪的轉矩密度，為同心式磁力齒輪結構參數的設計與優化提供依據及方向。

本發明采用的技術方案是，一種新型Halbach陣列同心式磁力齒輪設計方法，包括解析模型、結構參數與轉矩關系以及計算實例及實驗驗證。

所述解析模型，通過Halbach 陣列同心式磁力齒輪結構模型，共分為 5 個子區域， 包括內外兩層氣隙子區域、內外轉子永磁體子區域和調磁定子槽子區域。內外轉子磁極分別為4對極和17對極調磁環齒數Q = 21，內轉子每極永磁體分為 4 小塊，外轉子每極永磁體分為 2 小塊。

所述的結構參數與轉矩關系，根據麥克斯韋應力張量法理論，電磁轉矩的大小與磁場有關，如何提高磁場強度就是解決問題的關鍵。磁場強度的大小與氣隙長度、永磁體厚度、調磁環高度、調磁環之間的寬度(即槽口寬度) 、轉子鐵心軛部厚度及硅鋼種類等都有關系。根據同心式磁力齒輪自身特點，選取這幾個結這構參數作為優化變量。

所述的計算實例及實驗驗證，作用是為了驗證本解析計算方法和優化設計的有效性，制造了一臺 Halbach 陣列同心式磁力齒輪樣機。將內、外轉子永磁體和調磁定子槽初始相位角均設為 0°，該樣機在內、外轉子軛部Halbach陣列充磁磁密較同部位徑向充磁磁密小很多，因此轉子材料有所減少，降低了體積及成本。

本發明的有益效果是：本發明的Halbach陣列同心式磁力齒輪設計方法，采用了二維全局解析法計算 Halbach 陣列同心式磁力齒輪磁場、建立了 Halbach 陣列充磁解析模型、 分析了結構參數與電磁轉矩之間的關系、計算了磁力齒輪電磁轉矩。通過實例模型計算了內、外兩層氣隙磁場和內、外轉子電磁轉矩，其計算波形與有限元法計算波形結果一致；從試驗結果知，樣機效率可以達到 90% 以上，但傳動效率會隨著轉速的升高而降低。總之，結構參數的合理選取，可以有效提高磁力齒輪的轉矩密度，同時節約成本，本研究對磁力齒輪的設計具有一定的參考價值。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。本發明保護范圍不僅局限于以下內容的表述。

圖 1 是本發明結構模型圖。

具體實施方式

如圖所示，本發明的一種新型Halbach陣列同心式磁力齒輪參數設計方法，包括解析模型、結構參數與轉矩關系以及計算實例及實驗驗證。

所述解析模型，通過Halbach 陣列同心式磁力齒輪結構模型，共分為 5 個子區域， 包括內外兩層氣隙子區域、內外轉子永磁體子區域和調磁定子槽子區域。內外轉子磁極分別為4對極和17對極調磁環齒數Q = 21，內轉子每極永磁體分為 4 小塊，外轉子每極永磁體分為 2 小塊。

所述的結構參數與轉矩關系，根據麥克斯韋應力張量法理論，電磁轉矩的大小與磁場有關，如何提高磁場強度就是解決問題的關鍵。磁場強度的大小與氣隙長度、永磁體厚度、調磁環高度、調磁環之間的寬度(即槽口寬度) 、轉子鐵心軛部厚度及硅鋼種類等都有關系。根據同心式磁力齒輪自身特點，選取這幾個結這構參數作為優化變量。