一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮

本发明涉及机械工程中的传动，尤其涉及一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮。

背景技术：

1、齿轮传动广泛应用于工业传动领域，但是传统机械齿轮传动，常常会出现过载过热、磨损严重等问题，因此更高效、更可靠的磁力齿轮传动方式受到越来越多的关注。磁力齿轮通过永磁磁场的相互作用实现了无接触传动，具有低振动、免润滑等优点。

2、尽管如此，磁力齿轮还存在一些问题，如转矩脉动大、存在磁饱和效应、损耗大、漏磁严重等，限制了磁力齿轮的发展。根据最近的研究，60％的磁力齿轮损耗发生在外永磁体上，36％发生在内永磁体上。铁损和涡流损耗是常见的损耗类型，在高速运行时会对永磁体产生影响，分割永磁体可以有效抑制涡流损耗。

3、磁场调制型磁力齿轮的出现，为磁力齿轮的发展开辟了新的方向，其基本原理在于使用导致气隙磁导变化的齿形调磁环，调制永磁转子产生的气隙磁场，使调制好的磁场具有的谐波与另一永磁转子相互作用，极大提高了永磁体的利用率与转矩密度，但是其稳定性与传动性能还有进一步提高的空间。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的不足，本发明将外转子永磁体分割，嵌入开槽的梳齿状外转子轭铁，并在外部套装电工钢片支撑；提出一种上部有腰线、底部有圆角的倒t形调磁极片，并基于响应面法对调磁极片的结构参数进行优化；内转子永磁体采用n、s极交替排布紧密排列；本发明设计的同轴式磁力齿轮主磁通从内转子永磁体表面垂直穿出，经过气隙和调磁环穿入外转子永磁体后再次经过气隙和调磁环回到内转子永磁体形成一个完整的回路。电工钢片有效抑制了外转子漏磁；分割式永磁体最大限度提高转矩密度、降低涡流损耗；基于响应面法设计的调磁环在实现转矩最大化的同时减小调磁环的体积，减小磁力齿轮整体重量，提高磁力齿轮性能。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，包括：

4、外转子组合，所述外转子组合包括开槽的梳齿状外转子轭铁、分割式外转子永磁体和套装在外转子外侧的电工钢片；

5、套装在外转子组合内的调磁环，所述调磁环由调磁极片组成，调磁极片沿轴向的截面为上部有腰线、底部有圆角的倒t型；基于响应面法对调磁极片的结构参数进行优化，基于优化后的结构参数设计调磁极片；

6、套装在调磁环内部的内转子组合，所述内转子组合包括n、s极交替排布、紧密排列的内转子永磁体和内转子轭铁。

7、进一步，外转子轭铁上的轭铁齿沿轴向设置呈梳齿状且沿环形分布，相邻轭铁齿之间开槽，并安装外转子永磁体，相邻外转子永磁体的磁极相反；在外转子永磁体的外侧沿轴向套装电工钢片。

8、进一步，基于响应面法对上部有腰线、底部有圆角的倒t形调磁极片的结构参数进行优化的方法为：

9、以倒t型磁极片的圆角半径a、倒t型的调磁极片厚度c和从轴线中心形成的圆弧b为设计变量；

10、以转矩和转矩波动为因变量；

11、以调磁环的轻量化为目标，获得最佳设计变量组合，绘制了极片拓扑图，并应用响应面法进行优化。

12、进一步，所述同轴式磁力齿轮的装配顺序为，首先将内转子永磁体紧密嵌套在内转子轭铁上，其次将分割式外转子嵌套入开槽的梳齿状外转子轭铁中，并将电工钢片套装在外转子外侧，然后依次在内转子组合外侧依次套装调磁环、外转子组合，最后检查内转子组合、调磁环、外转子组合的同心度要求。

13、进一步，所述调磁环与外转子组合、内转子组合之间均有气隙，气隙的厚度均为1mm。

14、进一步，内转子永磁体沿内转子外壁面嵌贴，且相邻永磁体磁极方向相反。

15、进一步，所述外转子永磁体与内转子永磁体材料均为钕铁硼，且均采用径向充磁。

16、进一步，所述电工钢片采用软磁材料制成。

17、进一步，在外转子组合、内转子组合、调磁环外部设有壳体，所述壳体采用分体式，采用可拆卸连接，所述壳体上设有散热槽。

18、本发明的有益效果：

19、1.本发明提供的同轴式磁力齿轮外转子永磁体采用分段式永磁体的排布方式，与传统的同轴式磁力齿轮相比，本发明的同轴式磁力齿轮体积较小，减少了永磁体的使用数量，重量较轻，能够满足大多数工业应用需要，包括风力发电机领域。

20、2.本发明提供的同轴式磁力齿轮结构在永磁体背部采用电工钢片支撑，与传统同轴式磁力齿轮相比，能够抑制永磁体端部漏磁，降低永磁体的磁损耗。并且，同轴式磁力齿轮的大部分应用领域都会受到腐蚀，在提高同轴式磁力齿轮的使用寿命方面，永磁体的这种叠层方式是最好的解决方案。

21、3.本发明提供的基于响应面法设计的新型调磁环，能够解决传统同轴式磁力齿轮的t型的调磁环具有较高的损耗、转矩脉动和漏磁等问题。并基于响应面法对新型倒t型的调磁环的设计参数进行优化，使同轴式磁力齿轮能够获得了更高的转矩、更小的转矩脉动和更低的铁耗等。

技术特征：

1.一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，磁力齿轮主磁通从内转子永磁体(32)表面垂直穿出，经过气隙和调磁环(2)穿入外转子永磁体(13)后再次经过气隙和调磁环(2)回到内转子永磁体(32)形成一个完整的回路。

3.根据权利要求1所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，外转子轭铁(11)上的轭铁齿沿轴向设置呈梳齿状且沿环形分布，在轭铁齿之间嵌入外转子永磁体(13)，相邻外转子永磁体(13)的磁极相反；在外转子永磁体(13)的外侧沿轴向套装电工钢片(12)，电工钢片(12)采用软磁材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，基于响应面法对上部有腰线、底部有圆角的倒t形调磁极片结构参数进行优化的方法为：

5.根据权利要求4所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，调磁环(2)的加工方法为，首先将硅钢片进行轴向堆叠，然后利用激光切割工艺加工复杂的倒t形形状，减少材料浪费。

6.根据权利要求1所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，内转子永磁体(32)沿内转子(31)外壁面嵌贴，且相邻永磁体磁极方向相反。

7.根据权利要求1所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，所述外转子永磁体(13)与内转子永磁体(32)材料均为钕铁硼，且均采用径向充磁，相邻永磁体的磁极方向相反。

8.根据权利要求1所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，所述同轴式磁力齿轮的装配顺序为，首先将内转子永磁体(32)紧密嵌套在内转子轭铁(31)上，其次将分割式外转子永磁体(13)嵌套入外转子轭铁(11)的槽中，并将电工钢片(12)套装在外转子永磁体(13)外侧，然后依次套装调磁环(2)、外转子组合(1)，最后检查内转子组合(3)、调磁环(2)、外转子组合(1)的同心度要求，调磁环(2)与外转子组合(1)、内转子组合(3)之间均有气隙，气隙的厚度均为1mm。

9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，其特征在于，在外转子组合(1)、内转子组合(3)、调磁环(2)外部设有壳体(4)，壳体(4)采用分体式，采用可拆卸连接，且在壳体(4)上设有散热槽。

技术总结本发明公开了一种基于响应面法设计的同轴式磁力齿轮，包括外转子组合、套装在外转子组合内的调磁环、套装在调磁环内部的内转子组合；外转子组合包括开槽的梳齿状外转子轭铁和外部有电工钢片支撑的分割式外转子永磁体；调磁环由调磁极片组成，调磁极片沿轴向的截面为上部有腰线、底部有圆角的倒T形；基于响应面法对调磁极片的结构参数进行优化，基于优化后的结构参数设计调磁极片；内转子组合包括N、S极交替排列、紧密排布的内转子永磁体和内转子轭铁。本发明设计的同轴式磁力齿轮主磁通从内转子永磁体表面垂直穿出，经过气隙和调磁环穿入外转子永磁体后再次经过气隙和调磁环回到内转子永磁体形成一个完整的回路。电工钢片有效抑制了外转子漏磁；分割式永磁体最大限度提高转矩密度、降低涡流损耗；基于响应面法设计的调磁环在实现转矩最大化的同时减小调磁环的体积，减小磁力齿轮整体重量，提高磁力齿轮性能。技术研发人员：杨超君,埃姆博,郭亚飞,谷礼祥受保护的技术使用者：江苏大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23