磁齿轮及具有其的复合电机

技术领域

本发明涉及磁齿轮领域，具体而言，涉及一种磁齿轮及具有其的复合电机。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对传动系统的性能的要求逐渐提高，传统的机械齿轮由于其噪声大和传动效率低等缺点，已经不能满足应用要求，因此，磁力齿轮逐渐发展起来，其由于结构简单、振动噪声小、过载可自保护和运行可靠性高成为了研究热点。

磁力齿轮主要包括内转子、外转子和调制环三个部分，现有技术中的调制环大多由两个端环和多个导磁块构成，端环和导磁块之间通过螺钉锁紧，相邻两个导磁块由非导磁材料隔开，这种结构仅能满足磁力齿轮的基本性能，且调制环的整体机械强度低，在旋转过程中受到离心力以及径向的内外磁场作用会发生形变，导致磁力齿轮的整体性能降低。

磁力齿轮的工作原理为：内(外)转子上永磁体产生的磁场，通过调制环的调制作用，产生与外(内)转子上永磁体产生的磁场同极对数的谐波磁场，从而实现稳定的非接触式的转矩传递功能，其中，调制环起到中间媒介的作用，其结构尺寸、安装方式等均会直接影响磁力齿轮的性能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁齿轮及具有其的复合电机，以解决现有技术中的磁齿轮的转矩波动大进而导致磁齿轮性能差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁齿轮，包括：内转子本体，内转子本体上设置有多个内转子永磁体，多个内转子永磁体沿内转子本体的圆周方向间隔设置；外转子本体，外转子本体上设置有多个外转子永磁体，多个外转子永磁体沿外转子本体的圆周方向间隔设置；调制环，调制环包括多个调制块和磁桥，相邻的两个调制块之间通过磁桥连接；调制块的径向截面和磁桥的径向截面均为扇环形，扇环形的圆心为调制环的中心；调制块的径向截面所对应的圆心角为θ1，磁桥所对应的圆心角为θ2，0.3＜θ1/θ2＜0.96。

进一步地，0.72＜θ1/θ2＜0.9。

进一步地，调制块的厚度为h1，磁桥的厚度为h2，0≤h2/h1≤1。

进一步地，0.1＜h2/h1＜0.22。

进一步地，调制块与内转子本体之间具有第一气隙，调制块与外转子永磁体之间具有第二气隙，第一气隙的厚度和第二气隙的厚度均为h3；磁桥的厚度为h2，0.5＜h3/h2＜1.2。

进一步地，内转子本体的外周面的半径为R1，外转子本体的内半径为R2，调制块的厚度为h1，0.4＜h1/(R2-R1)＜0.6。

进一步地，内转子本体的外周面的半径为R1，外转子本体的内半径为R2，内转子永磁体的厚度为h4，0.4＜h4/(R2-R1)＜0.65。

进一步地，内转子本体的外半径为R1，外转子本体的内半径为R2，外转子永磁体的厚度为h5，0.2＜h5/(R2-R1)＜0.4。

进一步地，内转子永磁体包括朝向内转子本体圆心的第一端面，第一端面所对应的圆心角为θ3，多个内转子永磁体的极对数为P1；多个调制块的极对数为P2；调制块的径向截面为扇环形，调制块所对应的圆心角为θ1；0.8＜(θ1×P2)/(θ3×P1)＜1.2。

进一步地，外转子永磁体的径向截面为扇环形，外转子永磁体所对应的圆心角为θ4，多个外转子永磁体的极对数为P3，调制块的径向截面为扇环形，调制块所对应的圆心角为θ1；多个调制块的极对数为P2；0.08＜(θ1/θ4)×(P2/P3-1)＜0.15。

进一步地，磁齿轮还包括：支撑结构，支撑结构的至少部分安装在调制环的侧方，支撑结构上设置有与调制块相对的定位部，定位部上设置有与调制块的侧面连接的第一定位面，以通过支撑结构支撑调制环。

进一步地，支撑结构包括：第一端盖，设置在调制环的第一侧，第一端盖上设置有多个定位部，多个定位部与多个调制块一一对应地设置；和/或，第二端盖，设置在调制环的第二侧，第二端盖上设置有多个定位部，多个定位部与多个调制块一一对应地设置。

进一步地，第一端盖包括与调制环相对的第一连接本体，多个定位部设置在第一连接本体上，定位部为定位凸起，定位凸起朝向远离第一连接本体的方向凸出；和/或，第二端盖包括与调制环相对的第二连接本体，定位部设置在第二连接本体上，定位部为定位凸起，定位凸起朝向远离第二连接本体的方向凸出。

根据本发明的另一方面，提供了一种复合电机，包括磁齿轮，磁齿轮为上述的磁齿轮。

应用本发明的技术方案，磁齿轮包括内转子本体、外转子本体、调制环和支撑结构，内转子本体上设置有多个内转子永磁体，多个内转子永磁体沿内转子本体的圆周方向间隔设置；外转子本体上设置有多个外转子永磁体，多个外转子永磁体沿外转子本体的圆周方向间隔设置；调制块的径向截面和磁桥的径向截面均为扇环形，扇环形的圆心为调制环的中心；调制块的径向截面所对应的圆心角为θ1，磁桥所对应的圆心角为θ2，由于调制环对磁场的调制作用在本质上是利用了磁导不均匀的原理，即，调制块的磁导远大于空气磁导，因此，为了保证调制环所在的环形区域内磁导的不均匀性，限定0.3＜θ1/θ2＜0.96。通过对调制环中调制块与磁桥之间的设置尺寸进行关联，可以更好地疏导内转子永磁体和外转子永磁体产生的磁场，使更多的磁力线进入另一侧的气隙参与能量转换，同时使得磁齿轮的转矩可以得到有效提升，改善气隙磁密波形，降低转矩波动，提高磁齿轮的工作性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的磁齿轮的实施例的结构示意图；

图2示出了根据本发明的磁齿轮的内转子本体的结构示意图；

图3示出了根据本发明的磁齿轮的外转子本体的结构示意图；

图4示出了根据本发明的磁齿轮的调制环的结构示意图；

图5示出了根据本发明的磁齿轮的支撑结构的结构示意图；

图6示出了根据本发明的磁齿轮的支撑结构的第一视角的结构示意图；

图7示出了根据本发明的磁齿轮的支撑结构的第二视角的结构示意图；

图8示出了根据本发明的磁齿轮的h1/h2不同取值下的输出转矩及转矩波动对比曲线图；以及

图9示出了根据本发明的磁齿轮的h1/(R2-R1)不同取值下的输出转矩对比曲线图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、内转子本体；10、内转子永磁体；2、外转子本体；20、外转子永磁体；3、调制环；30、调制块；31、磁桥；4、支撑结构；40、定位部；41、第一端盖；42、第二端盖；410、第一连接本体；420、第二连接本体；5、塑封部件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种磁齿轮，请参考图1至图7，包括：内转子本体1，内转子本体1上设置有多个内转子永磁体10，多个内转子永磁体10沿内转子本体1的圆周方向间隔设置；外转子本体2，外转子本体2上设置有多个外转子永磁体20，多个外转子永磁体20沿外转子本体2的圆周方向间隔设置；调制环3，调制环3包括多个调制块30和磁桥31，相邻的两个调制块30之间通过磁桥31连接；调制块30的径向截面和磁桥31的径向截面均为扇环形，扇环形的圆心为调制环3的中心；调制块30的径向截面所对应的圆心角为θ1，磁桥31所对应的圆心角为θ2，0.3＜θ1/θ2＜0.96。

根据本发明提供的磁齿轮，包括内转子本体1、外转子本体2和调制环3，内转子本体1上设置有多个内转子永磁体10，多个内转子永磁体10沿内转子本体1的圆周方向间隔设置；外转子本体2上设置有多个外转子永磁体20，多个外转子永磁体20沿外转子本体2的圆周方向间隔设置；调制块30的径向截面和磁桥31的径向截面均为扇环形，扇环形的圆心为调制环3的中心；调制块30的径向截面所对应的圆心角为θ1，磁桥31所对应的圆心角为θ2，由于调制环对磁场的调制作用在本质上是利用了磁导不均匀的原理，即，调制块30的磁导远大于空气磁导，因此，为了保证调制环所在的环形区域内磁导的不均匀性，限定0.3＜θ1/θ2＜0.96。通过对调制环3中调制块30与磁桥31之间的设置尺寸进行关联，可以更好地疏导内转子永磁体和外转子永磁体产生的磁场，使更多的磁力线进入另一侧的气隙参与能量转换，同时使得磁齿轮的转矩可以得到有效提升，改善气隙磁密波形，降低转矩波动，提高磁齿轮的工作性能。

进一步地，为了时调制块对磁场产生更好的调制作用，使气隙磁密的分布更加均匀，优选地，0.72＜θ1/θ2＜0.9。在这里需要说明的是，调制环3的径向截面是指垂直于调制环3中心转轴的平面。

调制环3作为内外磁场的连通路径，其厚度直接影响磁场调制效果，如图8所示，调制块30的厚度为h1，磁桥31的厚度为h2，0≤h2/h1≤1。为了得到更高的转矩及更低的转矩波动，优选地，0.1＜h2/h1＜0.22。在这里需要说明的时，调制块30的厚度是指调制块30与内转子永磁体相对的第一端面和调制块30与外转子永磁体相对的第二端面之间的距离。

由于磁桥31属于导磁材料，且靠近第一气隙，可以为内转子永磁体产生的磁场提供磁通路径，调制块30与内转子本体1之间具有第一气隙，调制块30与外转子永磁体20之间具有第二气隙，第一气隙的厚度和第二气隙的厚度均为h3；磁桥31的厚度为h2，0.5＜h3/h2＜1.2。在此范围内，磁桥31部位刚好达到饱和状态，避开了过饱和时铁损的增加以及未饱和时调制本体利用率的降低。在这里需要说明的是，第一气隙的厚度和第二气隙的厚度是指沿调制环的径向方向上，调制块30的内周面与外转子永磁体20的外周面之间的距离和调制块内周面与内转子永磁体的外周面之间的距离。

由于内转子本体1的尺寸决定了内转子永磁体产生磁场的磁路的长短，同时调制块30的厚度也相向其对磁场的疏导作用，因此，限制内转子本体1的外周面的半径为R1，外转子本体2的内半径为R2，调制块30的厚度为h1，0.4＜h1/(R2-R1)＜0.6。此时，在保证外转子永磁体20放置空间足够的情况下，调制块30对磁场的调制效果最好，磁齿轮能够提供较大的输出转矩，h1/(R2-R1)的不同取值时的输出转矩对比如图9所示。

内转子本体1的外周面的半径为R1，外转子本体2的内半径为R2，内转子永磁体10的厚度为h4，0.4＜h4/(R2-R1)＜0.65。内转子本体1的外半径为R1，外转子本体2的内半径为R2，外转子永磁体20的厚度为h5，0.2＜h5/(R2-R1)＜0.4。在此范围内，内、外转子永磁体产生的磁场既可以满足转矩需求，又不会使内、外转子本体发生磁密过饱和现象，内、外转子永磁体与内、外转子本体的利用率最高。

如图2所示，内转子永磁体10包括朝向内转子本体1圆心的第一端面，第一端面所对应的圆心角为θ3，多个内转子永磁体10的极对数为P1；多个调制块30的极对数为P2；调制块30的径向截面为扇环形，调制块30所对应的圆心角为θ1；0.8＜(θ1×P2)/(θ3×P1)＜1.2。在此范围内，使调制环3对内、外转子永磁体的调制效果最优。

在具体实施的过程中，如图3所示，外转子永磁体20的径向截面为扇环形，外转子永磁体20所对应的圆心角为θ4，多个外转子永磁体20的极对数为P3，调制块30的径向截面为扇环形，调制块30所对应的圆心角为θ1；多个调制块30的极对数为P2；0.08＜(θ1/θ4)×(P2/P3-1)＜0.15。在此范围内，使调制环3对内、外转子永磁体的调制效果最优。

在本发明提供的实施例中，如图5所示，磁齿轮还包括支撑结构4，支撑结构4的至少部分安装在调制环3的侧方，支撑结构4上设置有与调制块30相对的定位部40，定位部40上设置有与调制块30的侧面连接的第一定位面，以通过支撑结构4支撑调制环3。

具体地，支撑结构4上设置有与调制块30相对的定位部40，定位部40上设置有与调制块30的侧面连接的第一定位面。这样设置能够通过第一定位面提高支撑结构与调制环之间的定位精度，使支撑结构4通过调制环3通过塑封工艺进行连接固定，塑封时将支撑结构和调制环轴向压紧，塑封材料由支撑结构的一侧塑封槽内流入调制环上的凹槽及支撑结构另一侧塑封槽，填满所有凹槽空间，以将支撑结构与调制环固定为一体，增加调制环部分的机械强度，采用塑封方式还可以提高支撑结构与调制环的同轴度，提高内、外气隙的均与程度，从而减小振动，降低噪音。

其中，内气隙是指调制环与内转子永磁体之间的气隙，外气隙是指调制环与外转子永磁体之间的气隙，塑封材料选择强度和性能均符合要求的工业塑料。

具体地，如图6和图7所示，支撑结构4包括：第一端盖41，设置在调制环3的第一侧，第一端盖41上设置有多个定位部40，多个定位部40与多个调制块30一一对应地设置；和/或，第二端盖42，设置在调制环3的第二侧，第二端盖42上设置有多个定位部40，多个定位部40与多个调制块30一一对应地设置。由于调制环3上设置有多个调制块30，因此，将多个定位部40与多个调制块30一一对应地设置，使多个调制块与多个定位部40一一紧密配合，在进行塑封过程中提高塑封精度和强度。

在具体实施的过程中，第一端盖41包括与调制环3相对的第一连接本体410，多个定位部40设置在第一连接本体410上，定位部40为定位凸起，定位凸起朝向远离第一连接本体410的方向凸出；和/或，第二端盖42包括与调制环3相对的第二连接本体420，定位部40设置在第二连接本体420上，定位部40为定位凸起，定位凸起朝向远离第二连接本体420的方向凸出。

在本发明中提供的磁齿轮，调制环整体由单片成型的硅钢片叠压而成，本发明通过对调制环进行改进，将多个单块的调制块设计为中间带有磁桥的整体结构，改进后可以更好滴疏导内、外永磁体产生的磁场，使更多的磁力线进入另一侧的气隙参与能量转换，通过对各个部件尺寸的限制使包含该结构的磁齿轮的转矩可以得到有效提升，并且，能够改善气隙磁密波形，降低转矩波动，磁桥还能分担原本集中作用在调制块上的力，增强了调制环的机械强度，同时通过配套的支撑结构进一步抵消了调制环上的受力，保证了磁齿轮的运行性能。相邻的两个调制块之间具有第一凹槽，相邻的两个定位部之间具有第二凹槽，在第一定位面与调制块贴合后，第一凹槽与第二凹槽导通，形成用于流通塑封材料的导通通道，这样以提高调制环的机械强度。

本发明还提供了一种复合电机，包括磁齿轮，磁齿轮为上述实施例的磁齿轮。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明提供的磁齿轮，包括内转子本体1、外转子本体2、调制环3和支撑结构4，内转子本体1上设置有多个内转子永磁体10，多个内转子永磁体10沿内转子本体1的圆周方向间隔设置；外转子本体2上设置有多个外转子永磁体20，多个外转子永磁体20沿外转子本体2的圆周方向间隔设置；调制块30的径向截面和磁桥31的径向截面均为扇环形，扇环形的圆心为调制环3的中心；调制块30的径向截面所对应的圆心角为θ1，磁桥31所对应的圆心角为θ2，由于调制环对磁场的调制作用在本质上是利用了磁导不均匀的原理，即，调制块30的磁导远大于空气磁导，因此，为了保证调制环所在的环形区域内磁导的不均匀性，限定0.3＜θ1/θ2＜0.96。通过对调制环3中调制块30与磁桥31之间的设置尺寸进行关联，可以更好地疏导内转子永磁体和外转子永磁体产生的磁场，使更多的磁力线进入另一侧的气隙参与能量转换，同时使得磁齿轮的转矩可以得到有效提升，改善气隙磁密波形，降低转矩波动，提高磁齿轮的工作性能。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。