[发明专利]新型径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副

说明书

技术领域

本发明是一种新型径向磁场的少极差电磁式偏心磁性齿轮副，是利用电磁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可控变速传动装置，可直接取代常规的机械齿轮传动离合变速系统，广泛应用于风力发电、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。

背景技术

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驱动电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。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，长期以来机械齿轮传动技术的基本形式没有变化，即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进行传动。这就给齿轮传动带来了一些不可消除的问题，如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音等，尽管可以采用油脂润滑技术，但以上问题依旧无法根除，导致使用维护极其繁琐，常规高变速比的机械齿轮变速系统传动效率低、噪声大、可靠性差。固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需要在更宽转速范围的多级、分档调速机构结构复杂，无法适应越来越多的无级变速的传动技术要求，为满足大范围变矩变速的使用要求，传统的做法采用了机械式离合变速机构，不仅导致整体结构复杂，而且长久频繁的离合操作对系统的可靠性和寿命挑战极大，也往往使得离合机构的操纵控制复杂化。

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主动轮和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心做导磁极，从而有目的地隔离两个不同极数的传动轮。

以上基于磁场调制技术而设计的磁性齿轮从理论原理到结构方案上存在两大致命的不足：第一，从理论上看，起磁场调制作用的导磁栅铁心极(齿)数必须满足约束条件，从而导致磁性齿轮在运转传动的任意时刻都只有不到一半的永磁体处于相互磁场耦合的工作状态，有一半以上的永磁体磁极处于闲置的非耦合状态，即稀土永磁体磁极的耦合度理论上就低于50％；第二，从结构上看，加设导磁栅铁心必然使磁性齿轮副具有了两个气隙，将必然消耗稀土永磁体的大量磁动势，如果不加厚磁极厚度则必然导致处于耦合工作状态的永磁体磁通量降低，从而影响所传递的转矩大小；第三，导磁栅铁心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，而且导磁栅铁心所受的机械转矩大，其结构强度也是影响其寿命的主要因素。所以，要降低磁性齿轮传动技术的成本并进一步提高其传递的力矩，就必须从原理上突破磁场调制技术的理论约束，并且从结构设计上跳出双气隙的结构制约。

近期，本案发明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，由于稀土材料的永久磁场无法调节使其不能实现离合控制，更不能随负载大小来自动调节力矩大小，只能实现简单的变速传动的目的，截止目前为止国内外均还没有人提出过利用电磁场原理来改进少极差偏心磁性齿轮副的工作原理和具体应用结构，而这样的技术研究和结构发明对于既需要离合功能又要实现变速变矩目的应用场合却恰恰具有重要的现实意义。

发明内容