CN101629623B

CN101629623B - 永磁齿轮的阻尼系统

Info

Publication number: CN101629623B
Application number: CN2009100902851A
Authority: CN
Inventors: 夏东
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: CN101629623A

Abstract

一种永磁齿轮的阻尼系统，由固定在主动齿轮和从动齿轮之间的磁极表面上的导电的非导磁金属材料层组成。所述的金属材料层全部或部分覆盖主动齿轮和从动齿轮的磁极表面。例如：对于外啮合永磁齿轮，所述的金属材料层分别固定在主动齿轮和从动齿轮的圆柱或圆环体表面。对于内啮合永磁齿轮，所述的金属材料层分别固定在外齿轮圆环体的内表面和内齿轮的圆柱或圆环体的表面。对于永磁齿轮-齿条传动，所述的金属材料层分别固定在永磁齿轮的圆柱或圆环体的表面和永磁齿条靠近永磁齿轮一侧的平面上。

Description

永磁齿轮的阻尼系统

技术领域

本发明涉及一种永磁齿轮无接触传动装置，特别涉及在永磁齿轮传动过程中抑制从动齿轮相对主动齿轮的转速波动的阻尼系统。

背景技术

永磁齿轮是利用永磁体的同极性相斥、异极性相吸的原理来工作的，它与传统机械齿轮的形状不同，没有轮齿，而是由多个磁体按照N极和S极相间排列的顺序围成的圆柱或圆环体，磁体径向进行磁化。当一对永磁齿轮工作时，这对齿轮空间上彼此分离，它们之间的力矩传动是依靠这对齿轮所产生的磁场之间的耦合作用。

永磁齿轮采用磁场耦合进行传递动力，具有很多优点：

1、能够实现无接触传动。永磁齿轮的传动是利用了空间磁场的耦合作用来工作的，因此它能实现传统齿轮无法实现的无接触传动。

2、结构简单，加工方便。主动齿轮和从动齿轮都是简单的圆柱或圆环体，不需要加工轮齿。在微机械领域中，如果加工小直径的齿轮，一般需要加工是齿轮直径几分之一甚至十分之一高度的轮齿，这大大增加了加工的难度。同时，轮齿越小，它所能承受的负载强度越小。而采用永磁齿轮则只需要加工出简单的圆柱体就行。因此，永磁齿轮易于实现微小加工。

3、永磁齿轮是无接触传动，因此无需润滑，所以清洁、无摩擦、无油污、防尘防水。

4、永磁齿轮启动力矩比较低，并且具有过载保护能力。

永磁齿轮的这些特点使它在医疗器械、石油、化工、食品加工、仪器仪表、航空航天、海洋、核物理、激光等领域具有极大的应用前景。

但是，相对传统的机械齿轮而言，永磁齿轮除了存在传动力矩小等缺点之外，还有一个十分严重的缺点，它就是永磁齿轮传动机构转速的稳定性问题。

对于永磁齿轮传动机构而言，转速的稳定性是一个十分重要的性能指标。一般齿轮机构保证了在传动过程中，主、从动齿轮平均速度上满足传动比关系。但除了渐开线齿轮外，一般都不能满足瞬时速度始终保持传动比的关系。对依靠磁场耦合的永磁齿轮在传动中会出现速度波动进而影响传动性能的现象，甚至导致从动齿轮失步而永磁齿轮不能工作的情况。

永磁齿轮机构通过磁力转矩的作用把两个齿轮联系起来，转速波动的一个重要原因在于在主、从动齿轮同步转动过程中，从动轮所受的力矩不是恒定不变的，而是在一个固定力矩上下不断波动。如果从动轮承载一个恒定负载，则从动齿轮会产生转速的波动。在恒定负载下，永磁齿轮的主动齿轮和从动齿轮磁极轴线夹角随着主动齿轮的旋转而有所波动，夹角时而增大，时而减小，由于主动齿轮是匀速转动，所以从动轮的转动就将时而加速，时而减速，但就平均速度来说，从动齿轮也将以和主动齿轮同样的转速转动，从而实现定传动比传动。如果从动齿轮承载一个非恒定负载，则从动齿轮的转速波动还有可能会更大。一旦从动齿轮的转速波动达到某一数值，从动齿轮将会与主动齿轮失步，永磁齿轮将不能传递转矩。故对于此种机构在传动过程中的速度波动加以限制非常必要。

虽然永磁磁体本身对其转速的波动有一定的阻尼作用，但是由于磁性材料的导电性较差，阻尼作用非常微弱。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种用于永磁齿轮传动机构的阻尼系统。

本发明通过在永磁齿轮传动机构上增加阻尼系统来抑制在传动过程中从动齿轮相对主动齿轮的转速波动，增加永磁齿轮传动机构转速的稳定性，减少从动齿轮与主动齿轮在正常传动时失步的可能性。

本发明的阻尼系统由固定在主动齿轮和从动齿轮之间的磁极表面上的导电的非导磁金属材料层组成。所述的金属材料层全部或部分覆盖主动齿轮和从动齿轮的磁极表面。例如：对于外啮合永磁齿轮，所述的金属材料层分别固定在主动齿轮和从动齿轮的圆柱或圆环体表面。对于内啮合永磁齿轮，所述的金属材料层分别固定在外齿轮圆环体的内表面和内齿轮的圆柱或圆环体的表面。对于永磁齿轮-齿条传动，所述的金属材料层分别固定在永磁齿轮的圆柱或圆环体的表面和永磁齿条靠近永磁齿轮一侧的平面上。

这些导电的、有一定厚度的非导磁金属材料层必须与永磁齿轮成为一个整体，它们之间不能有相对运动。

本发明的阻尼系统的工作原理以及功能是：

当主动齿轮旋转时，从动齿轮在主动齿轮所产生的磁场的作用下也开始沿着与主动齿轮旋转方向相反的方向做旋转运动(对于永磁齿轮-齿条传动则做直线运动)。如果主动齿轮与从动齿轮的转速一致，主动齿轮所产生的磁场与从动齿轮以及固定在它表面的金属材料层没有相对运动，因此不会在所述的金属材料层内感应涡流；同时，从动齿轮所产生的磁场与主动齿轮以及固定在它表面的所述的金属材料层也没有相对运动，因此也不会在所述的金属材料层内感应涡流。

但是如果主动齿轮与从动齿轮的转速不一致，主动齿轮所产生的磁场与从动齿轮以及固定在它表面的所述的金属材料层就会有相对运动，因此它将在所述的金属材料层内感应涡流。这一涡流与上述磁场相互作用将会在所述的金属材料层产生一个与阻碍上述相对运动的转矩(或力)；同时，从动齿轮所产生的磁场与主动磁体以及固定在它表面的所述的金属材料层也就会有相对运动，因此它也将会在所述的金属材料层内感应涡流。这一涡流与上述磁场相互作用将会在所述的金属材料层产生一个阻碍上述相对运动的转矩。通过上述过程，该阻尼系统可以抑制在传动过程中从动齿轮的转速波动，增加永磁齿轮传动机构转速的稳定性，减少从动齿轮与主动轮失步的可能性。

从该阻尼系统的工作原理可知，如果主动齿轮的转速是刚性的，也就是说它的转速不受其负载的变化而影响，从动齿轮所产生的磁场与固定在主动齿轮表面的所述的金属材料层相互作用所产生的阻碍它们相对运动的转矩将对主动齿轮的转速不产生影响，因此没有必要在主动齿轮表面的安放所述的金属材料层。

附图说明

图1带有阻尼系统的外啮合永磁齿轮示意图；

图2带有阻尼系统的内啮合永磁齿轮示意图；

图3带有阻尼系统的永磁齿轮-齿条传动系统示意图；

图4从动齿轮带有阻尼筒的外啮合永磁齿轮实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的阻尼系统由固定在主动齿轮和从动齿轮之间的磁极表面上的导电的非导磁金属材料层组成。所述的金属材料层全部或部分覆盖主动齿轮和从动齿轮的磁极表面。

如图1所示，对于外啮合永磁齿轮，所述的金属材料层分别固定在主动齿轮和从动齿轮的圆柱或圆环体表面。对于内啮合永磁齿轮，所述的金属材料层分别固定在外齿轮圆环体的内表面和内齿轮的圆柱或圆环体的表面，如图2所示。如图3所示，对于永磁齿轮-齿条传动系统，所述的金属材料层分别固定在永磁齿轮的圆柱或圆环体的表面和永磁齿条靠近永磁齿轮一侧的平面上。

如图1所示，外啮合永磁齿轮的主动齿轮和从动齿轮是两个四极的永磁圆环体，在主动齿轮和从动齿轮的外表面上分别固定有金属材料层，形成金属薄筒。这两个金属薄筒组成该外啮合永磁齿轮的阻尼系统。在外啮合永磁齿轮工作时，如果主动齿轮和从动齿轮的转速不一致，主动齿轮和被动齿轮所产生的磁场将会在对方的金属薄筒内感应涡流。这一涡流与感应它的磁场相互作用将会在金属薄筒上产生一个阻碍主动齿轮与从动齿轮相对运动的转矩。通过这一过程，该阻尼系统可以抑制在传动过程中从动齿轮相对主动齿轮的转速波动，增加转速的稳定性。

如图2所示，内啮合永磁齿轮的外齿轮是一个六极的永磁圆环体，内齿轮是一个四极的永磁圆环体，在外齿轮的内表面上固定的金属材料层，形成一个金属薄筒，在内齿轮的外表面上也固定有金属材料层，形成一个金属薄筒，这两个金属薄筒组成该外啮合永磁齿轮的阻尼系统。在外啮合永磁齿轮工作时，如果主动齿轮和从动齿轮的转速不一致，主动齿轮和从动齿轮所产生的磁场将会在对方的金属薄筒内感应涡流。这一涡流与感应它的磁场相互作用将会在金属薄筒上产生一个阻碍外齿轮与内齿轮相对运动的转矩。通过这一过程，该阻尼系统可以抑制在传动过程中从动齿轮相对主动齿轮的转速波动，增加转速的稳定性。

如图3所示，永磁齿轮-齿条传动系统的永磁齿轮是一个四极的永磁圆环体，永磁齿条是一个多极的永磁条，在永磁齿轮的外表面上固定的金属材料层，形成一个金属薄筒，在永磁齿条靠近永磁齿轮的一侧的外表面上固定一层金属材料，这一金属薄筒和金属材料层组成该永磁齿轮-齿条传动系统的阻尼系统。在永磁齿轮-齿条传动系统工作时，如果永磁齿轮外圆的线速度与永磁齿条的线速度不一致，永磁齿轮和永磁齿条所产生的磁场将会在对方的金属薄筒或金属材料层内感应涡流。这一涡流与感应它的磁场相互作用将会在金属薄筒或金属材料层上产生一个阻碍永磁齿轮外园与永磁齿条相对运动的转矩。通过这一过程，该阻尼系统可以抑制在传动过程中永磁齿轮外园的线速度与永磁齿条的线速度不一致，增加传动的稳定性。

本发明的一个实施例：如图4所示，一外啮合永磁齿轮的主动齿轮和从动齿轮是两个相同的两极永磁圆柱体，在从动齿轮的外表面上固定一个铜质薄筒，这个铜质薄筒在该外啮合永磁齿轮工作时对从动齿轮转速的波动起阻尼作用。主动齿轮和从动齿轮的永磁圆柱磁体轴向长度均为10厘米，直径为5厘米，采用钕铁硼(NdFeB35)永磁材料，它们的转动中心线之间相隔6厘米。

为了说明本发明在传动过程中对从动齿轮的转速波动抑制的作用，我们对它进行了有限元分析，其结果是：当铜质薄筒为1毫米厚时，如果主、从动齿轮的外径上有0.26米/秒的线速度差，铜质薄筒上将有1.18牛顿-米的阻尼转矩，如果主、从动齿轮的外径上有2.6米/秒的线速度差，铜质薄筒上将有4.46牛顿-米的阻尼转矩；当铜质薄筒为2毫米厚时，如果主、从动齿轮的外径上有0.26米/秒的线速度差，铜质薄筒上将有1.94牛顿-米的阻尼转矩，如果主、从动齿轮的外径上有2.6米/秒的线速度差，铜质薄筒上将有5.56牛顿-米的阻尼转矩。

本发明所述的金属材料层可以有其他形状，例如：部分覆盖主动齿轮和从动齿轮的磁极表面的金属网状物。部分覆盖磁极表面的金属网状物可以有很多不同的形状，例如：在金属筒上开各种不同形状的洞，圆形的，椭圆形的，方形的，长方形的，多边形的等等。

Claims

1.一种永磁齿轮的阻尼系统，其特征在于，所述的阻尼系统由固定在主动齿轮和从动齿轮之间的磁极表面上的、导电的非导磁金属材料层组成；所述的金属材料层全部或部分覆盖主动齿轮和从动齿轮的磁极表面，所述的金属材料层与永磁齿轮成为一个整体，所述的金属材料层与永磁齿轮之间没有相对运动。

2.根据权利要求1所述的永磁齿轮的阻尼系统，其特征在于，对于外啮合永磁齿轮，所述的外啮合永磁齿轮金属材料层分别固定在外啮合永磁齿轮的主动齿轮和从动齿轮的圆柱或圆环体表面。

3.根据权利要求1所述的永磁齿轮的阻尼系统，其特征在于，对于内啮合永磁齿轮，所述的金属材料层分别固定在内啮合永磁齿轮外齿轮圆环体的内表面和内齿轮的圆柱或圆环体的表面。

4.根据权利要求1所述的永磁齿轮的阻尼系统，其特征在于，对于永磁齿轮-齿条传动系统，所述的金属材料层分别固定在永磁齿轮的圆柱或圆环体的表面和永磁齿条靠近永磁齿轮一侧的平面上。

5.根据权利要求1所述的永磁齿轮的阻尼系统，其特征在于，永磁齿轮的主动齿轮的负载的变化不影响主动齿轮转速时，无须在主动齿轮的表面的安装所述的金属材料层。