本发明是一种新型横向磁场的少极差磁场耦合 式偏心磁性齿轮副， 是利用磁性齿轮传动 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 代常规的机械齿轮传动变速系统， 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。

说

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 书

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。

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。 发明内容

针对现有机械式齿轮传动技术存在的问题以及 目前公知的、 基于磁场调制技术的磁性传 动齿轮副的两大致命缺陷， 本技术发明的目的在于提供一种新型横向磁场 的少极差磁场耦合 式偏心磁性齿轮副新结构。 本发明的基本构思是， 借鉴机械齿轮传动领域的新型少齿差行星 齿轮传动的原理， 将输入给偏心结构的行星轮的公转通过永磁材 料 N极与 S极异极性耦合吸 引的原理来实现行星轮的自转， 经输出结构将行星轮自转输出， 从而实现了无机械接触、 无 摩擦的动力变速传动。

以下结合图 1、 图 2来说明这种新型横向磁场的少极差磁场耦合� �偏心磁性齿轮副的工 作原理及结构特征， 图中： 项 1为定子永磁体， 项 2为转子永磁体， 项 3为偏心输入轴， 项 4为定子磁盘端盖， 项 5为行星转轮， 项 6为定子机壳， 项 7为孔销输出机构， 项 8为输出 转动盘，项 9为轴承 I，项 10为输出轴，项 11为后端盖， 项 12为轴承 II，项 13为轴承 ΠΙ ； 图中符号标识： N表示极性为 N的永磁体， S表示极性为 S的永磁体， a表示行星转轮 5与 定子磁盘端盖 4的偏心距， ！^表示定子永磁体 1的外径， 1½表示定子永磁体 1的内径， D _ri 表示转子永磁体 2的外径， ！^表示转子永磁体 2的内径， 、 7 表示偏心输入轴 3的输入转 速和输入力矩， η ₂ 、 Γ ₂ 表示输出轴 10的输出转速和输出力矩， 2/¾表示定子永磁体 1的分布 极数， ¾^表示转子永磁体 2的分布极数， e表示定子与行星转子之间的平面气隙的长度� � A 表示 A向视图代号。 从图 1 的工作原理拓扑图可知， 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副的工 作原理与机械式的 K-H-V型少齿差行星齿轮类似：偏心输入轴 3带动行星转轮 5绕旋转轴线 公转， 偏心公转的行星转轮 5上的转子永磁体 2与定子永磁体 1通过磁场耦合驱使行星转轮 绕自身轴线反向自转， 再通过孔销输出机构 7或图中虚线所示的双万向节机构将行星转轮� � 低速自转输出。 从图 2的磁场耦合示意图可知： 第一， 少极差磁场耦合概念从理论上突破了 磁场调制技术的约束， 取消了导磁栅铁心， 从而把基于磁场调制技术的磁性齿轮小于 50%的 异极性磁极耦合面积提高到了 70%左右， 理论上可以达到 75%; 图 2所示的 A向视图阴影遮 盖部分展示出磁性齿轮副的永磁体异极性耦合 的区域大小。 第二， 采用平面磁场的单气隙磁 场结构， 比磁场调制技术的磁性齿轮减少一个气隙， 从而在达到相同磁通量的条件下可大大 减小永磁体厚度的效果； 第三， 单气隙结构使得气隙磁阻连续变化， 运转时旋转磁场也跟随 连续变化， 使其力矩传递更平稳， 也彻底消除了机械齿轮因齿隙和磨损而引起的 不可避免的 齿轮回差困扰。 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副的结构特征是：

一、 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副由其上分布有 ¾¾个定子永磁体 1 的 定子磁盘端盖 4、 其上分布有 2;^个转子永磁体 2的圆盘形行星转轮 5、 以及偏心输入轴 3、 轴承 1112、轴承 III13构成一对磁性齿轮副， 两种永磁体的永久磁场穿过定子和行星转轮之 间 的平面气隙而相互耦合， 形成磁性齿轮副的横向磁场； 定子永磁体 1 的分布极数 与转子 永磁体 2的分布极数 ¾ ^之间极数差较小， 极对数 /¾和 为彼此互素的正整数对， 并满足以 下关系约束： Ps>p _r ， 且 l≤p _s -p _r <4 ；

二、 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副的定子磁盘端盖 4与行星转轮 5呈偏 心分布结构， 由套装有轴承 1112、轴承 III 13的偏心输入轴 3将少极差的磁性齿轮副连接成偏 心结构； 其中， 行星转轮 5与定子磁盘端盖 4的偏心距 a、 定子永磁体 1的外径 Z? _sl 与内径 D _s2 、 转子永磁体 2的外径 与内径 ₂ 、 以及极对数 ¾和 满足以下结构关系约束：

D '、― D _sl = D _r 、― D _rl ， = ， a = (D , -D = (D ₂ - D ₂ ) ;

D _rl + D _{r2 Pr} 2 2

三、 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副由螺栓将定子磁盘端盖 4、 后端盖 11 与定子机壳 6紧固装配为整体结构，在偏心输入轴 3输入力矩 和转速 "】的输入状态下，其 输出结构方式分为两种： 一为定子机壳 6固定而输出轴 10旋转输出力矩 T ₂ 和转速 /½,此时， 磁性齿轮副的传动满足约束： = = -~ 与 彼此反向； 二为输出轴 10固定而定 、 Ρ, ~ Pr

子机壳 6旋转输出力矩 T ₂ 和转速 ₂ ， 此时， 磁性齿轮副的传动满足约束： = = ^^， 、 Ps ~ Pr

«1与《2彼此同向。 采用上述技术方案所达到的技术经济效果：

与普通机械式齿轮传动副相比， 本发明涉及的新型横向磁场的少极差磁场耦合 式偏心磁 性齿轮副具有如下明显的优势：

① 高效节能、 低炭环保： 由于消除了普通机械式齿轮传动的接触摩擦， 传动损耗仅仅包括一 些铁心损耗， 理论上最高传动效率可达到 98%, 比机械齿轮传动普遍提高 10%, 完全属于 高效节能型产品，符合低炭环保经济特点，广 泛推广应用可极大地节省能源，降低碳排放。

② 能量 (力矩)密度高： 少极差磁场耦合技术与横向磁场结构的结合使 磁性材料单位体积传送 的转矩密度成倍提高 (为普通电机的 10倍)， 本系列新型稀土磁性传动齿轮所传送的转矩密 度高于 lOOkN.m/m ³ ;为磁性齿轮传动技术应用于需要大力矩� �工业化动力传动及精密传动 领域奠定了基础。

③无回差、 无磨损， 可靠性高、 寿命长： 由于无机械接触摩损， 不仅消除了机械齿轮因齿隙 和磨损而引起的不可避免的齿轮回差困扰， 而且大大提高了传动机构的寿命极限，对于定 位精度要求极高且频繁正反转的雷达伺服跟踪 系统、工业机器人伺服驱动机构等领域有现 实的应用价值。

④无污染、低噪音： 不存在机械齿轮传动时因齿部啮合接触而产生 的震动噪音， 且无需润滑 油脂， 清洁、 无油污、 防尘、 防水等， 对于噪音要求极高的领域如长期水下航行的核 潜艇 降低本体噪音具有潜在的军事应用价值。

⑤传动平稳、 过载保护： 转速传动比恒定， 转速的动态瞬时稳定度高， 运行平稳； 在过载时 因主、 从动轮滑转而随时切断传动关系， 不会损坏负载或者原动机。

⑥传动比大、 结构简单： 由于没有磁场调制式磁性齿轮的导磁栅铁芯的 机械强度制约， 少极 差偏心磁性齿轮的传动比可实现更大的传动比 ； 少极差磁场耦合使磁性齿轮结构更简单、 更紧凑。

⑦加工方便、 工艺简单： 无需昂贵的机械齿轮加工和检测设备， 也不存在机械齿轮在设计 加工上常常需要变位修正的设计加工繁琐， 一次性设备投资少， 主要为装配作业， 便于 组织大规模流水线生产。 附图说明

图 1是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副的工作原理拓扑图。

图 2是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副的磁场耦合示意图。

图 3是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副的平面结构全剖面图。

图 4是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副的定子磁盘立体结构图。

图 5是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副的行星转子磁盘立体结构图。 以上图中： 1.定子永磁体， 2.转子永磁体， 3.偏心输入轴， 4.定子磁盘端盖， 5.行星转轮， 6.定子机壳， 7.孔销输出机构， 8.输出转动盘， 9.轴承 I, 10.输出轴， 11.后端盖， 12.轴承 II, 13.轴承 III ； 图中符号标识： N表示极性为 N的永磁体， S表示极性为 S的永磁体， β表示 行星转轮 5与定子磁盘端盖 4的偏心距， D _sl 表示定子永磁体 1的外径， 1½表示定子永磁体 1的内径， Ζ¾表示转子永磁体 2的外径， 表示转子永磁体 2的内径， 、 表示偏心输入 轴 3的输入转速和输入力矩， _ηι 、 ： Γ ₂ 表示输出轴 10的输出转速和输出力矩， 表示定子永 磁体 1的分布极数， 2 表示转子永磁体 2的分布极数， e表示定子与行星转子之间的平面气 隙的长度， A表示 A向视图代号。 具体实施方式 下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一 步的说明： 图 1是新型横向磁场的少极差 磁场耦合式偏心磁性齿轮副的工作原理拓扑图 ， 图 2是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏 心磁性齿轮副的磁场耦合示意图， 图 3是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副 的平面结构全剖面图， 图 4是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副的定子磁盘 立体结构图， 图 5是新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁� �齿轮副的行星转子磁盘立体 结构图。 一、从图 1与图 2可知新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心� �性齿轮副的工作原理为： 偏心输入轴 3带动行星转轮 5绕旋转轴线公转， 偏心公转的行星转轮 5上的转子永磁体 2与 定子永磁体 1通过磁场耦合驱使行星转轮 5绕自身轴线反向自转， 再通过孔销输出机构 7或 图中虚线所示的双万向节机构将行星转轮的低 速自转输出； 图 2所示的 A向视图阴影遮盖部 分展示出磁性齿轮副的永磁体异极性耦合的区 域大小。

从图 3、图 4和图 5可以看出新型横向磁场的少极差磁场耦合式� �心磁性齿轮副的内部结 构特征如下：

二、 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副由其上分布有 个定子永磁体 1 的定子磁盘端盖 4、其上分布有 2 个转子永磁体 2的圆盘形行星转轮 5、 以及偏心输入轴 3、 轴承 1112、轴承 III13构成一对磁性齿轮副， 两种永磁体的永久磁场穿过定子和行星转轮之 间 的平面气隙而相互耦合， 形成磁性齿轮副的横向磁场； 定子永磁体 1 的分布极数 与转子 永磁体 2的分布极数 2 _A 之间极数差较小， 极对数 和/ ^为彼此互素的正整数对， 并满足以 下关系约束： Ps> _Pr ， 且 l≤p _s -p _r <4 ；

三、 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副的定子磁盘端盖 4与行星转轮 5 呈偏心分布结构， 由套装有轴承 1112、轴承 ΠΙ13的偏心输入轴 3将少极差的磁性齿轮副连接 成偏心结构； 其中， 行星转轮 5与定子磁盘端盖 4的偏心距 a、 定子永磁体 1的外径 _sl 与内 径 D _s2 、 转子永磁体 2的外径 与内径 ₂ 、 以及极对数; ¾和 ^满足以下结构关系约束：

D、_ D， = D、 _D， ， ^D ' ^{1 + D} ' ² = - ， fl = ix(D ,— , ) =丄 χ ( ,— D , )；

s ^{l Λ Λ rl} D _rl + D _{r2 Pr} 2 " ^Λ 2

四、新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁 性齿轮副由螺栓将定子磁盘端盖 4、后端盖 11与定子机壳 6紧固装配为整体结构，在偏心输入轴 3输入力矩 L和转速 的输入状态下， 其输出结构方式分为两种：一为定子机壳 6固定而输出轴 10旋转输出力矩 T ₂ 和转速《 ₂ ，此时， 磁性齿轮副的传动满足约束： H -^^ , /^与 彼此反向； 二为输出轴 10固定而定 、 P _S ~ Pr

子机壳 6旋转输出力矩 T ₂ 和转速 ， 此时， 磁性齿轮副的传动满足约束： H ^^，

Ml与《2彼此同向； 五、 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副的行星转子的结构特征是： 偏心 且绕旋转中心轴线公转的圆盘形行星转子是主 动轮， 它由 ¾^个转子永磁体 2、行星转轮 5组 成； 转子永磁体 2用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式� � 且按 N极 S极间隔排列分布 的方式安装紧固于行星转轮 5的圆环平面上， 行星转轮 5由导磁的钢板经常规的机械切削加 工制成，在行星转轮 5的背面加工有将其自转转换到输出轴 10旋转中心转动的孔销输出机构 7所需要的圆周均布销孔。

六、 新型横向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿 轮副的定子的特征是： 驱使偏心公转 的行星转轮 5同时产生自转的从动机构是圆盘形状的定子� �盘， 它由 个定子永磁体 1、定 子磁盘端盖 4组成； 定子永磁体 1用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式� � 且按 N极 S 极间隔排列分布的方式安装紧固于定子磁盘端 盖 4的圆环平面上， 定子磁盘端盖 4由导磁的 钢板经常规的机械切削加工制成， 定子磁盘端盖 4同时兼作为端盖与定子机壳 6紧固装配为 一体。

以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式， 对于本领域的技术人员来说， 在不脱离本 技术发明原理的前提下，还可以作出若干结构 变形和改进 (如将本发明涉及的磁性齿轮副进行 多极直轴串联即可构成多级变速传动系统)， 这些也应该视为本技术发明的保护范围， 这些都 不会影响本技术发明实施的效果和实用性。