[发明专利]一种同轴磁性齿轮结构设计方法

说明书

本发明公开了一种同轴磁性齿轮结构设计方法，包括步骤：同轴磁性齿轮内转子采用永磁体Halbach阵列，评估非均匀气隙对峰值转矩、脉动转矩、起动响应时间的影响，根据评估结果选取出充磁角度；同轴磁性齿轮外转子采用永磁体周向分块，评估周向分块数量对同轴磁性齿轮的铁耗、加工及装配难度的影响，根据评估结果选取出永磁体周向分块的数量；对调磁定子结构参数进行优化设计，评估调磁定子结构参数对调磁定子变形量的影响，根据评估结果选取出内周向角θsubgt;in/subgt;、外周向角θsubgt;out/subgt;和径向高度h。该方法能够优化由非均匀气隙带来的峰值转矩降低、脉动转矩提高、起动响应时间提高的问题，优化同轴磁性齿轮整体的损耗特性，提高调磁定子结构稳定性。

技术领域

本发明涉及一种同轴磁性齿轮结构设计方法，尤其涉及一种考虑非均匀气隙影响的新型同轴磁性齿轮结构设计方法。具体而言，是区别于传统同轴磁性齿轮结构设计方法，考虑非均匀气隙对同轴磁性齿轮工作性能带来的不利影响，通过综合考虑内转子永磁体Halbach阵列、外转子永磁体周向分块和调磁定子结构参数优化等设计优化方法，提出一种新型同轴磁性齿轮结构设计方法。

背景技术

传统同轴磁性齿轮主要由三个有效部件构成：内转子、调磁定子、外转子。内转子的外表面表贴着永磁磁极。同样的，外转子的内表面也内嵌着永磁磁极。内转子上的磁极对数要少于外转子上的磁极对数。调磁定子在周向上均匀分布。其主体结构如图1所示。在传统同轴磁性齿轮工作过程中，调磁定子保持静止不动，内、外转子以相反方向转动。内转子转动速度较快，因而又被称为高速转子；外转子转动速度较慢，因而也被称为低速转子。两者的速比取决于内、外转子永磁磁极对数之比。相邻调磁定子之间通过不导磁的定子支架连接和固定。

传统同轴磁性齿轮通过磁场的耦合实现主、从动齿轮间稳定的能量传递，而内、外气隙作为磁场充分、有效耦合的关键位置，直接影响着同轴磁性齿轮的工作性能。受永磁体排列结构和加工、装配误差的影响，同轴磁性齿轮内、外气隙各处厚度难以保持一致。非均匀气隙的存在对传统同轴磁性齿轮的磁场分布以及峰值转矩、脉动转矩、起动响应时间、损耗特性等各项工作性能均会产生直接的负面影响，非均匀气隙示意图如图2所示。非均匀气隙会压制参与转矩传递的磁场谐波并放大引发脉动转矩的磁场谐波。存在非均匀气隙时，同轴磁性齿轮的峰值转矩会有明显下降，脉动转矩幅值、起动响应时间和铁耗则会有一定程度的增加。

然而，近年来学者们面向新型磁性齿轮结构的研究主要面向于提高其工作性能或结构稳定性，但是没有针对非均匀气隙带来的工作性能降低的问题，提出一种新型磁性齿轮结构设计方法。存在的不足主要体现在以下几个方面：

1.面向于提高同轴磁性齿轮结构稳定性，但不重点关注工作性能。如Frank等人将内、外连接桥应用于同轴磁性齿轮调磁环的定子铁块，通过仿真和详细的实验证明了新型调磁环结构具有更高的结构稳定性(Nicolas W Frank,Siavash Pakdelian,HamidAToliyat.A magnetic gear with passive transient suppression capability[C].IEEE Electric Ship Technologies Symposium(ESTS),2011:326-329.)。来自江苏大学的诸德宏等人则提出了调磁环可安装在内、外转子轴向的磁性齿轮结构，该结构具有易于加工的优点(诸德宏，何承平，欧阳中萃.一种新型轴向磁场调制式磁性齿轮[J].信息技术,2017(12):153-157.)。