本发明涉及非接触式传动设备技术领域，具体而言，涉及一种调磁环结构、磁齿轮组件和复合电机。
背景技术：
磁齿轮组件通常包括内转子、调磁环和外转子，其中，内转子的外周面和外转子的内周面上均设置有永磁体，调磁环由多块铁芯等间距组装形成环状结构，但是，现有的调磁环上的铁芯呈类矩形结构，而类矩形结构的调磁环的磁场调制作用有限，且铁芯间的漏磁严重，降低了磁齿轮组件的输出转矩调磁环；此外，在调磁环的加工制作过程中需要在相邻的两个类矩形的铁芯之间添补一块起连接作用的磁桥，而上述的磁桥因其结构不合理而导致漏磁的程度较为严重，致使磁齿轮组件的输出转矩进一步下降。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种调磁环结构、磁齿轮组件和复合电机，以解决现有技术中的调磁环上的铁芯呈类矩形结构，而类矩形结构的调磁环的磁场调制作用有限，且铁芯间的漏磁严重，降低了磁齿轮组件的输出转矩的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种调磁环结构，包括多个调制单元，相邻的两个调制单元之间通过连接部连接以形成调磁环结构，调磁环结构设置在第一转子结构和第二转子结构围成的环形间隙内；其中，调制单元的朝向第一转子结构的一侧形成有凹槽结构，凹槽结构的两侧分别形成弧形靴部。
进一步地，相邻的弧形靴部通过连接部连接。
进一步地，连接部由导磁材料制成，相邻的两个弧形靴部与连接部形成磁桥结构，且弧形靴部的远离连接部的一端形成磁桥结构的桥头，连接部形成磁桥结构的桥心。
进一步地，磁桥结构的桥头的厚度为t1，调制单元的外周面至弧形靴部的靴底的厚度为t2，且t1和t2满足：0.25≤t1/t2≤0.3。
进一步地，磁桥结构的桥心的厚度为t3，且t3满足：t3≤0.5mm。
进一步地，凹槽结构的槽壁面为第一圆弧面，第一圆弧面的曲率半径为r1，弧形靴部的朝向第二转子结构一侧的表面与连接部的朝向第二转子结构的一侧的表面呈平滑过渡地设置，以形成圆弧过渡面，且圆弧过渡面的弧形轮廓线与穿过其内部的磁力线平行地设置，圆弧过渡面的曲率半径为r2，且r1和r2满足：r2＝5×r1。
进一步地，各调制单元均具有相对设置的第一侧和第二侧，各调制单元的第一侧和第二侧形成的夹角为a1，相邻的两个调制单元的中的一个调制单元的第一侧与另一个调制单元的第一侧之间形成的夹角为a2，且a1和a2满足：0.4≤a1/a2≤0.5，且r1和a1满足：0.2≤r1/a1≤0.3。
进一步地，连接部由非导磁性材料制成，弧形靴部的远离连接部的一端的厚度为t4，调制单元的外周面至弧形靴部的靴底的厚度为t5，且t4和t5满足：0.25≤t4/t5≤0.3。
进一步地，弧形靴部的靴面为第二圆弧面，第二圆弧面的曲率半径为r3，凹槽结构的槽壁面为第三圆弧面，第三圆弧面的曲率半径为r4，且r3和r4满足：r3＝4×r4。
进一步地，各调制单元均具有相对设置的第一侧和第二侧，各调制单元的第一侧和第二侧形成的夹角为a3，各调制单元的两个弧形靴部的靴头之间形成的夹角为a4，且a3和a4满足：0.5≤a3/a4≤0.6，且r4和a3满足：0.2≤r4/a3≤0.3。
进一步地，连接部与调制单元一体成型。
根据本发明的另一方面，提供了一种磁齿轮组件，包括第一转子结构、第二转子结构和调磁环结构，其中，第一转子结构套设在转轴结构的外周侧，第一转子结构的外周面上设置有第一磁性元件；第二转子结构套设在第一转子结构的外周侧，第二转子结构的内周面上设置有第二磁性元件；调磁环结构设置在第一磁性元件和第二磁性元件围成的环形间隙内，调磁环结构为上述的调磁环结构。
进一步地，第一转子结构的转速大于调磁环结构的转速，第二转子结构的转速为零。
进一步地，调磁环结构与第一磁性元件具有间隙地设置，且调磁环结构与第二磁性元件具有间隙地设置。
进一步地，第一磁性元件为多个，多个第一磁性元件沿第一转子结构的周向间隔设置，和/或第二磁性元件为多个，多个第二磁性元件沿第二转子结构的周向间隔设置。
根据本发明的另一方面，提供了一种复合电机，包括磁齿轮组件，磁齿轮组件为上述的磁齿轮组件。
应用本发明的技术方案，通过对调制单元的结构进行改进，使得调制单元具有凹槽结构和两个弧形靴部，在磁齿轮组件运转过程中，凹槽结构能够有效地降低调制单元之间的磁密谐波的变化幅度，从而尽可能地减少涡流损耗；此外，由于弧形靴部的边缘的弧形轮廓线与其内部穿过的磁力线平行，确保尽可能多地磁力线能够顺利穿过，有效地降低了相邻两个调制单元之间的漏磁，从而大大提升了磁齿轮组件的输出转矩。
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一种可选实施例的磁齿轮组件安装到转轴结构上的结构示意图；
图2示出了图1中的磁齿轮组件的调磁环结构的示意图，该图中，连接部与调制单元一体成型；
图3示出了图1中的磁齿轮组件的调磁环结构的示意图，该图中，省略了由非导磁材料制成的连接部；
图4示出了图1中的磁齿轮组件的输出转矩随t1/t2的变化曲线；
图5示出了图1中的磁齿轮组件的输出转矩随a1/a2的变化曲线；
图6示出了图1中的磁齿轮组件的涡流损耗随r1/a1的变化曲线；
图7示出了图1中的磁齿轮组件的输出转矩随r1/a1的变化曲线；
图8示出了根据本发明的一种可选实施例的磁桥结构与现有的磁桥结构的输出转矩的对比图；
图9示出了根据本发明的一种可选实施例的磁齿轮组件的磁力线在调磁环结构中的分布情况；
图10示出了内气隙处径向磁密谐波分布对比；
图11示出了内气隙处切向磁密谐波分布对比；
图12示出了根据本发明的一种可选实施例的调磁环结构与现有的调磁环结构的输出转矩对比图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、第一转子结构；11、第一磁性元；20、转轴结构；30、第二转子结构；31、第二磁性元件；40、调磁环结构；41、调制单元；411、凹槽结构；412、弧形靴部；100、环形间隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中的调磁环上的铁芯呈类矩形结构，而类矩形结构的调磁环的磁场调制作用有限，且铁芯间的漏磁严重，降低了磁齿轮组件的输出转矩的问题，本发明提供了一种调磁环结构、磁齿轮组件和复合电机，其中，复合电机包括磁齿轮组件，磁齿轮组件为上述和下述的磁齿轮组件。
如图1所示，磁齿轮组件包括第一转子结构10、第二转子结构30和调磁环结构40，第一转子结构10套设在转轴结构20的外周侧，第一转子结构10的外周面上设置有第一磁性元件11；第二转子结构30套设在第一转子结构10的外周侧，第二转子结构30的内周面上设置有第二磁性元件31；调磁环结构40设置在第一磁性元件11和第二磁性元件31围成的环形间隙100内，调磁环结构40为上述和下述的调磁环结构。
需要说明的是，在本申请中，第一转子结构10的转速大于调磁环结构40的转速，第二转子结构30的转速为零。
需要说明的是，在本申请中，调磁环结构40与第一磁性元件11具有间隙地设置，且调磁环结构40与第二磁性元件31具有间隙地设置。这样，确保磁齿轮组件能够实现无接触的转矩传递。
如图1所示，第一磁性元件11为多个，多个第一磁性元件11沿第一转子结构10的周向间隔设置，和/或第二磁性元件31为多个，多个第二磁性元件31沿第二转子结构30的周向间隔设置。
实施例一
如图2所示，调磁环结构包括多个调制单元41，相邻的两个调制单元41之间通过连接部连接以形成调磁环结构，调磁环结构设置在第一转子结构10和第二转子结构30围成的环形间隙100内；其中，调制单元41的朝向第一转子结构10的一侧形成有凹槽结构411，凹槽结构411的两侧分别形成弧形靴部412。
通过对调制单元41的结构进行改进，使得调制单元41具有凹槽结构411和两个弧形靴部412，在磁齿轮组件运转过程中，凹槽结构411能够有效地降低调制单元41之间的磁密谐波的变化幅度，从而尽可能地减少涡流损耗；此外，由于弧形靴部412的边缘的弧形轮廓线与其内部穿过的磁力线平行，确保尽可能多地磁力线能够顺利穿过，有效地降低了相邻两个调制单元41之间的漏磁，从而大大提升了磁齿轮组件的输出转矩。
需要说明的是，在本实施例中，为了降低调磁环结构的加工制造难度，可选地，相邻的弧形靴部412通过连接部连接。此外，连接部与调制单元41一体成型。这样，确保后续调磁环结构的叠压成型。
如图2所示，连接部由导磁材料制成，相邻的两个弧形靴部412与连接部形成磁桥结构，且弧形靴部412的远离连接部的一端形成磁桥结构的桥头，连接部形成磁桥结构的桥心。磁桥结构的桥头的厚度为t1，调制单元41的外周面至弧形靴部412的靴底的厚度为t2，且t1和t2满足：0.25≤t1/t2≤0.3。这样，通过优化桥头的厚度为t1和调制单元41的外周面至弧形靴部412的靴底的厚度为t2的比值，避免因桥头的厚度为t1和调制单元41的外周面至弧形靴部412的靴底的厚度为t2的比值过小而无法对磁力线起到较好的导引作用，还能够避免因桥头的厚度为t1和调制单元41的外周面至弧形靴部412的靴底的厚度为t2的比值过大而出现漏磁现象。
如图2所示，磁桥结构的桥心的厚度为t3，且t3满足：t3≤0.5mm。这样，避免磁桥结构的桥心过厚而出现较为严重的漏磁现象。
如图2所示，凹槽结构411的槽壁面为第一圆弧面，第一圆弧面的曲率半径为r1，弧形靴部412的朝向第二转子结构30一侧的表面与连接部的朝向第二转子结构30的一侧的表面呈平滑过渡地设置，以形成圆弧过渡面，且圆弧过渡面的弧形轮廓线与穿过其内部的磁力线平行地设置，圆弧过渡面的曲率半径为r2，且r1和r2满足：r2＝5×r1。这样，确保尽可能多地磁力线能够顺利地穿过磁桥结构，从而尽量减少漏磁。
如图2所示，各调制单元41均具有相对设置的第一侧和第二侧，各调制单元41的第一侧和第二侧形成的夹角为a1，相邻的两个调制单元41的中的一个调制单元41的第一侧与另一个调制单元41的第一侧之间形成的夹角为a2，且a1和a2满足：0.4≤a1/a2≤0.5，且r1和a1满足：0.2≤r1/a1≤0.3。这样，避免调制单元41过于密集而无法对磁力线起到导引作用。
实施例二
需要说明的是，在本实施例中，与实施例一的区别在于，如图3所示，连接部由非导磁性材料制成，弧形靴部412的远离连接部的一端的厚度为t4，调制单元41的外周面至弧形靴部412的靴底的厚度为t5，且t4和t5满足：0.25≤t4/t5≤0.3。这样，有利于尽可能地减少因磁桥结构的存在而引起的漏磁，从而确保磁齿轮组件的输出转矩尽可能地大。
需要说明的是，在本实施例中，为了便于将各调制单元41连接以形成调磁环结构，通过由非导磁材料制成的连接部连接各调制单元41，既便于后续叠压成型，也方便调磁环结构的安装。
如图3所示，弧形靴部412的靴面为第二圆弧面，第二圆弧面的曲率半径为r3，凹槽结构411的槽壁面为第三圆弧面，第三圆弧面的曲率半径为r4，且r3和r4满足：r3＝4×r4。这样，确保弧形靴部412能够尽可能地起到对磁力线的导引作用，从而确保磁力线能够顺利穿过弧形靴部412。
如图3所示，各调制单元41均具有相对设置的第一侧和第二侧，各调制单元41的第一侧和第二侧形成的夹角为a3，各调制单元41的两个弧形靴部412的靴头之间形成的夹角为a4，且a3和a4满足：0.5≤a3/a4≤0.6，且r4和a3满足：0.2≤r4/a3≤0.3。这样，确保磁力线能够顺利穿过弧形靴部412，从而尽可能地减少漏磁，进而提升磁齿轮组件的输出转矩。
需要说明的是，在本申请中，各调制单元41均具有相对设置的第一侧和第二侧，其中，第一侧和第二侧可以是在调磁环结构的逆时针方向上规定的，也可以是在调磁环结构的顺时针方向规定的。
如图4所示，磁齿轮组件的输出转矩随t1/t2变化曲线。由图4可知，当t1/t2＝0.2时，磁齿轮组件的输出转矩达到峰值，约为51nm；当t1/t2<0.2时，磁齿轮组件的输出转矩随着t1/t2比值的增大而增大；当t1/t2>0.2时，磁齿轮组件的输出转矩随着t1/t2比值的增大而减小。
如图5所示，磁齿轮组件的输出转矩随a1/a2的变化曲线。由图5可知，当a1/a2<0.4时，磁齿轮组件的输出转矩随着a1/a2的比值的增大而增大；当0.4≤a1/a2≤0.6时，磁齿轮组件的输出转矩随a1/a2的变化曲线基本呈平缓状态；当a1/a2>0.6时，磁齿轮组件的输出转矩随a1/a2的比值的增大而减小。
如图6所示，磁齿轮组件的涡流损耗随r1/a1的变化曲线。由图6可知，当r1/a1＝6时，磁齿轮组件的涡流损耗为最低；当r1/a1<6时，磁齿轮组件的涡流损耗随着r1/a1的比值的增大而减小；当r1/a1>6时，磁齿轮组件的涡流损耗随着r1/a1的比值的增大而呈增大的趋势。
如图7所示，磁齿轮组件的输出转矩随r1/a1的变化曲线。由图7可知，当r1/a1≤0.3时，磁齿轮组件的输出转矩随着r1/a1的比值的增大呈平缓减小的趋势；当r1/a1>0.3时，磁齿轮组件的输出转矩随着r1/a1的比值的增大呈迅速减小的趋势，且后者的斜率大于前者的斜率。
如图8所示，实施例一的磁桥结构与现有的磁桥结构的输出转矩的对比图。由图8可知，本申请提供的磁桥连接方式能够确保磁齿轮组件输出较现有的磁桥连接方式的磁齿轮组件更大的输出转矩。
如图9所示，实施例一的磁齿轮组件的磁力线在调磁环结构中的分布情况。图9中，a表示磁力线。
如图10所示，内气隙处径向磁密谐波分布对比。
如图11所示，内气隙处切向磁密谐波分布对比。
如图12所示，实施例一的调磁环结构与现有的调磁环结构的输出转矩对比图。本申请提供的调磁环结构能够确保磁齿轮组件输出较现有的调磁环结构的磁齿轮组件更大的输出转矩。
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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
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。
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、工作、器件、组件和/或它们的组合。
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能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
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。
1.一种调磁环结构，其特征在于，包括：
多个调制单元(41)，相邻的两个所述调制单元(41)之间通过连接部连接以形成所述调磁环结构，所述调磁环结构设置在第一转子结构(10)和第二转子结构(30)围成的环形间隙(100)内；
其中，所述调制单元(41)的朝向所述第一转子结构(10)的一侧形成有凹槽结构(411)，所述凹槽结构(411)的两侧分别形成弧形靴部(412)，且所述弧形靴部(412)的朝向所述第二转子结构(30)的边缘的弧形轮廓线与穿过其内部的磁力线平行。
2.根据权利要求1所述的调磁环结构，其特征在于，各所述调制单元(41)均具有相对设置的第一侧和第二侧，相邻的两个所述调制单元(41)中的一个所述调制单元(41)上的第一侧的所述弧形靴部(412)与所述连接部连接，相邻的两个所述调制单元(41)中的另一个所述调制单元(41)上的第二侧的所述弧形靴部(412)与所述连接部连接。
3.根据权利要求2所述的调磁环结构，其特征在于，所述连接部由导磁材料制成，且与同一个所述连接部连接的相邻的两个所述弧形靴部(412)和所述连接部形成磁桥结构，所述弧形靴部(412)的远离所述连接部的一端形成所述磁桥结构的桥头，所述连接部形成所述磁桥结构的桥心。
4.根据权利要求3所述的调磁环结构，其特征在于，所述磁桥结构的桥头的厚度为t1，所述调制单元(41)的外周面至所述弧形靴部(412)的靴底的厚度为t2，且所述t1和所述t2满足：0.25≤t1/t2≤0.3。
5.根据权利要求3所述的调磁环结构，其特征在于，所述磁桥结构的桥心的厚度为t3，且所述t3满足：t3≤0.5mm。
6.根据权利要求3所述的调磁环结构，其特征在于，所述凹槽结构(411)的槽壁面为第一圆弧面，所述第一圆弧面的曲率半径为r1，所述弧形靴部(412)的朝向所述第二转子结构(30)一侧的表面与所述连接部的朝向所述第二转子结构(30)的一侧的表面呈平滑过渡地设置，以形成圆弧过渡面，且所述圆弧过渡面的弧形轮廓线与穿过其内部的磁力线平行地设置，所述圆弧过渡面的曲率半径为r2，且所述r1和所述r2满足：r2＝5×r1。
7.根据权利要求6所述的调磁环结构，其特征在于，各所述调制单元(41)的第一侧和第二侧形成的夹角为a1，相邻的两个所述调制单元(41)的中的一个所述调制单元(41)的第一侧与另一个所述调制单元(41)的第一侧之间形成的夹角为a2，且所述a1和所述a2满足：0.4≤a1/a2≤0.5，且所述r1和所述a1满足：0.2≤r1/a1≤0.3。
8.根据权利要求1所述的调磁环结构，其特征在于，所述连接部由非导磁性材料制成，所述弧形靴部(412)的远离所述连接部的一端的厚度为t4，所述调制单元(41)的外周面至所述弧形靴部(412)的靴底的厚度为t5，且所述t4和所述t5满足：0.25≤t4/t5≤0.3。
9.根据权利要求8所述的调磁环结构，其特征在于，所述弧形靴部(412)的靴面为第二圆弧面，所述第二圆弧面的曲率半径为r3，所述凹槽结构(411)的槽壁面为第三圆弧面，所述第三圆弧面的曲率半径为r4，且所述r3和所述r4满足：r3＝4×r4。
10.根据权利要求9所述的调磁环结构，其特征在于，各所述调制单元(41)均具有相对设置的第一侧和第二侧，各所述调制单元(41)的第一侧和第二侧形成的夹角为a3，各所述调制单元(41)的两个弧形靴部(412)的靴头之间形成的夹角为a4，且所述a3和所述a4满足：0.5≤a3/a4≤0.6，且所述r4和所述a3满足：0.2≤r4/a3≤0.3。
11.根据权利要求3所述的调磁环结构，其特征在于，所述连接部与所述调制单元(41)一体成型。
12.一种磁齿轮组件，其特征在于，包括：
第一转子结构(10)，所述第一转子结构(10)套设在转轴结构(20)的外周侧，所述第一转子结构(10)的外周面上设置有第一磁性元件(11)；
第二转子结构(30)，所述第二转子结构(30)套设在所述第一转子结构(10)的外周侧，所述第二转子结构(30)的内周面上设置有第二磁性元件(31)；
调磁环结构(40)，所述调磁环结构(40)设置在所述第一磁性元件(11)和所述第二磁性元件(31)围成的环形间隙(100)内，所述调磁环结构(40)为权利要求1至11中任一项所述的调磁环结构。
13.根据权利要求12所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述第一转子结构(10)的转速大于所述调磁环结构(40)的转速，所述第二转子结构(30)的转速为零。
14.根据权利要求12所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述调磁环结构(40)与所述第一磁性元件(11)具有间隙地设置，且所述调磁环结构(40)与所述第二磁性元件(31)具有间隙地设置。
15.根据权利要求12所述的磁齿轮组件，其特征在于，所述第一磁性元件(11)为多个，多个所述第一磁性元件(11)沿所述第一转子结构(10)的周向间隔设置，和/或第二磁性元件(31)为多个，多个所述第二磁性元件(31)沿所述第二转子结构(30)的周向间隔设置。
16.一种复合电机，包括磁齿轮组件，其特征在于，所述磁齿轮组件为权利要求12至15中任一项所述的磁齿轮组件。
技术总结