CN106300893B - 一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组 - Google Patents
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Abstract
一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，涉及机电传动领域。为了解决目前用于正交轴传动的永磁平面齿轮和锥齿轮永磁体用量较多，成本较高的问题。本发明的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其组成包括两个轮，两个轮均为磁性齿轮，两个轮分别是圆柱轮和平面轮，平面轮水平设置，圆柱轮设置在平面轮上方，且圆柱轮和平面轮的轮轴中心线相正交，圆柱轮和平面轮之间留有气隙；当其中一个轮为主动轮时，另外一个轮为从动轮，主动轮通过磁性力带动从动轮转动。本发明由于采用磁通集中的方式产生气隙磁密，永磁体的用量大幅减少，成本得到降低。
Description
技术领域
本发明涉及机电传动领域，特别涉及一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组。
背景技术
正交轴的传动目前多采用锥齿轮和面齿轮。锥齿轮的齿面形状复杂，加工制造困难，不同品牌的锥齿轮参数也不同，并且在制作过程中多采用配对制造，这对锥齿轮的加工制造、检修及维修造成很大麻烦。面齿轮由于加工需要的刀具尺寸与实际啮合的圆柱齿轮相同，加工不同尺寸和参数的面齿轮所需要的刀具数量较多，加工成本较高；另外，面齿轮内径处有根切现象，外径处有尖角现象，因此齿宽不能设计得太长，传动强度受限。
近些年来，依靠磁性力进行动力传递的磁性齿轮有了很大的发展。磁性齿轮能够实现无接触传动，避免了主动轴和从动轴间的直接机械接触，可以减小噪音和振动，对工作环境无污染，并且具有过载保护等特点。
根据锥齿轮和面齿轮的特点，有人相应地提出了能够实现正交轴传动的永磁平面齿轮和永磁圆锥齿轮。由于齿轮结构因素，永磁体用量较多，成本也较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前用于正交轴传动的永磁平面齿轮和锥齿轮永磁体用量较多，成本较高的问题，提供一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组。
实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其组成包括两个轮，所述的两个轮均为磁性齿轮，两个轮分别是圆柱轮和平面轮，所述的平面轮水平设置，所述的圆柱轮设置在平面轮上方，且圆柱轮和平面轮的轮轴中心线相正交，圆柱轮和平面轮之间留有气隙；当其中一个轮为主动轮时，另外一个轮为从动轮，所述的主动轮通过磁性力带动从动轮转动；
所述的圆柱轮包括圆柱轮轭部、多个瓦片形永磁体和多个瓦片形铁心；所述的圆柱轮轭部设有轴向中心孔一，圆柱轮轭部的轴向中心孔一的内壁上沿轴向开设有用于与轴系一配合的键槽一；
所述的多个瓦片形永磁体包括多个第一型瓦片形永磁体及多个第二型瓦片形永磁体，所述的多个第一型瓦片形永磁体、多个瓦片形铁心及多个第二型瓦片形永磁体均通过粘结方式固定在圆柱轮轭部的外圆周面上，且多个第一型瓦片形永磁体、多个瓦片形铁心及多个第二型瓦片形永磁体依次按照第一型瓦片形永磁体、瓦片形铁心及第二型瓦片形永磁体的排列顺序循环排列设置围成一个圆环形状，多个第一型瓦片形永磁体及多个第二型瓦片形永磁体均采用切向充磁，且每相邻设置的第一型瓦片形永磁体与第二型瓦片形永磁体的充磁方向相反，所述的多个瓦片形铁心采用导磁性铁磁材料制成，所述的导磁性铁磁材料为纯铁或低碳钢；每个瓦片形铁心与相邻设置的第一型瓦片形永磁体或第二型瓦片形永磁体构成一个极距一；
所述的平面轮包括平面轮轭部、多个扇形永磁体及多个扇形铁心；所述的平面轮轭部设有轴向中心孔二，平面轮轭部的轴向中心孔二的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二；所述的多个扇形永磁体包括多个第一型扇形永磁体及多个第二型扇形永磁体；所述的多个第一型扇形永磁体、多个扇形铁心及多个第二型扇形永磁体均竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部的上表面的外边缘处，且多个第一型扇形永磁体、多个扇形铁心及多个第二型扇形永磁体依次按照第一型扇形永磁体、扇形铁心及第二型扇形永磁体的排列顺序循环排列设置形成圆筒形状，多个第一型扇形永磁体和多个第二型扇形永磁体均采用切向充磁，每相邻设置的第一型扇形永磁体与第二型扇形永磁体充磁方向相反，每个扇形铁心与相邻设置的第一型扇形永磁体或第二型扇形永磁体构成一个极距二；
所述的多个瓦片形永磁体、多个瓦片形铁心、多个扇形铁心及多个扇形永磁体的厚度均相等，多个瓦片形永磁体与多个瓦片形铁心的轴向长度均相等，所述的多个扇形铁心与多个扇形永磁体的径向长度均相等，且每个瓦片形永磁体及每个瓦片形铁心的轴向长度均与每个扇形铁心及每个扇形永磁体的径向长度相等，多个第一型瓦片形永磁体、多个第二型瓦片形永磁体、多个第一型扇形永磁体及多个第二型扇形永磁体的极弧系数均在0.3-0.5之间，且多个第一型瓦片形永磁体、多个第二型瓦片形永磁体、多个第一型扇形永磁体及多个第二型扇形永磁体的极弧系数相同。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、由于主动齿轮和从动齿轮没有直接的机械接触，该齿轮组无磨损、噪音小、传动效率高，具有可靠性高、免维护、过载保护等优点；
2、由于采用磁通集中的方式产生气隙磁密，永磁体的用量大幅减少，成本得到降低；
3、该齿轮组的轭部(包括圆柱轮轭部和平面轮轭部)可以采用非导磁性材料，使齿轮组有较低的转动惯量和较好的快速响应能力，而且有利于降低成本。
综上，本发明适用于对噪声、洁净度和可靠性要求较高以及两个轴系相互隔离的场合。
附图说明
图1是本发明的用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组总体结构示意图；
图2是圆柱轮的部件分解图；
图3是圆柱轮的主视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是多个瓦片形永磁体及多个瓦片形铁心排布在圆柱轮轭部的外圆周面上的主视图；
图6是平面轮的部件分解图；
图7是平面轮的俯视图；
图8是图7的B-B剖视图；
图9是多个扇形永磁体及多个扇形铁心排布在平面轮轭部的上表面的外边缘处的俯视图；
图10是图1的俯视图；
图11是图1的左视图。
图中：圆柱轮1、平面轮2、前端环3-1、后端环3-2、圆柱轮轭部4、轴向中心孔一4-1、键槽一4-2、瓦片形永磁体5、第一型瓦片形永磁体5-1、第二型瓦片形永磁体5-2、瓦片形铁心6、外部保护套7、上端环8、外保护套9、扇形铁心10、扇形永磁体11、第一型扇形永磁体11-1、第二型扇形永磁体11-2、内保护套12、平面轮轭部13、轴向中心孔二13-1、键槽二13-2。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1、图10及图11所示，本实施方式的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其组成包括两个轮，所述的两个轮均为磁性齿轮，两个轮分别是圆柱轮1和平面轮2，所述的平面轮2水平设置，所述的圆柱轮1设置在平面轮2上方，且圆柱轮1和平面轮2的轮轴中心线相正交，圆柱轮1和平面轮2之间留有气隙(理论上，气隙越小，能够传递的转矩越大，但应结合实际安装空间和所需传递的转矩大小综合决定)；当其中一个轮为主动轮时，另外一个轮为从动轮，所述的主动轮通过磁性力带动从动轮转动。
具体实施方式二：如图1～图11所示，具体实施方式一所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1包括圆柱轮轭部4、多个瓦片形永磁体5和多个瓦片形铁心6；所述的圆柱轮轭部4设有轴向中心孔一4-1，圆柱轮轭部4的轴向中心孔一4-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系一配合的键槽一4-2；
所述的多个瓦片形永磁体5包括多个第一型瓦片形永磁体5-1及多个第二型瓦片形永磁体5-2，所述的多个第一型瓦片形永磁体5-1、多个瓦片形铁心6及多个第二型瓦片形永磁体5-2均通过粘结方式固定在圆柱轮轭部4的外圆周面上，且多个第一型瓦片形永磁体5-1、多个瓦片形铁心6及多个第二型瓦片形永磁体5-2依次按照第一型瓦片形永磁体5-1、瓦片形铁心6及第二型瓦片形永磁体5-2的排列顺序循环排列设置围成一个圆环形状，多个第一型瓦片形永磁体5-1及多个第二型瓦片形永磁体5-2均采用切向充磁，且每相邻设置的第一型瓦片形永磁体5-1与第二型瓦片形永磁体5-2的充磁方向相反，所述的多个瓦片形铁心6采用导磁性铁磁材料(如纯铁或低碳钢)制成；每个瓦片形铁心6与相邻设置的第一型瓦片形永磁体5-1或第二型瓦片形永磁体5-2构成一个极距一(由于采用磁通集中，通过瓦片形铁心6产生“聚磁”效应，形成单边磁场分布)；
所述的平面轮2包括平面轮轭部13、多个扇形永磁体11及多个扇形铁心10；所述的平面轮轭部13设有轴向中心孔二13-1，平面轮轭部13的轴向中心孔二13-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二13-2；所述的多个扇形永磁体11包括多个第一型扇形永磁体11-1及多个第二型扇形永磁体11-2；所述的多个第一型扇形永磁体11-1、多个扇形铁心10及多个第二型扇形永磁体11-2均竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部13的上表面的外边缘处，且多个第一型扇形永磁体11-1、多个扇形铁心10及多个第二型扇形永磁体11-2依次按照第一型扇形永磁体11-1、扇形铁心10及第二型扇形永磁体11-2的排列顺序循环排列设置形成圆筒形状，多个第一型扇形永磁体11-1和多个第二型扇形永磁体11-2均采用切向充磁，每相邻设置的第一型扇形永磁体11-1与第二型扇形永磁体11-2充磁方向相反，每个扇形铁心10与相邻设置的第一型扇形永磁体11-1或第二型扇形永磁体11-2构成一个极距二(由于采用磁通集中，通过扇形铁心10产生“聚磁”效应，形成单边磁场分布)。
具体实施方式三：如图4及图8所示，具体实施方式一或二所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮轭部4和平面轮轭部13均采用非导磁性材料(如不锈钢)制成。
具体实施方式四：如图2～图4所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1还包括前端环3-1、后端环3-2和外部保护套7；所述的前端环3-1和后端环3-2分别通过粘结方式固定在多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形铁心6的前后两个端面上，所述的外部保护套7紧密套装在多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形铁心6的外侧，前端环3-1、后端环3-2及外部保护套7均采用非导磁性材料制成。
设置前端环3-1、后端环3-2和外部保护套7的作用都是对圆柱轮1的主体(包括圆柱轮轭部4、多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形铁心6)进行保护。对圆柱轮1的主体部分的保护结构不局限上述结构，可以多种多样。
具体实施方式五：如图2～图4所示，具体实施方式四所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的前端环3-1、后端环3-2和外部保护套7均采用不锈钢或玻璃丝带材料制成。使每个瓦片形永磁体5能够避免结构损坏、氧化，对每个瓦片形永磁体5形成有效保护。
具体实施方式六：如图6～图8所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的平面轮2还包括上端环8、外保护套9和内保护套12；所述的外保护套9和内保护套12分别紧密套装在由多个第一型扇形永磁体11-1、多个扇形铁心10及多个第二型扇形永磁体11-2围成的圆筒的外侧和内侧，所述的上端环8通过粘结方式固定在多个第一型扇形永磁体11-1、多个扇形铁心10及多个第二型扇形永磁体11-2的上端面，上端环8、外保护套9及内保护套12均采用非导磁性材料(如不锈钢)制成。
设置上端环8、外保护套9、内保护套12的作用都是对平面轮2主体(包括平面轮轭部13和多个扇形永磁体11)进行保护。对平面轮2的主体部分的保护结构并不局限于上述结构，可以多种多样。
具体实施方式七：如图6～图8所示，具体实施方式六所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的上端环8、外保护套9和内保护套12均采用不锈钢或玻璃丝带材料制成。使每个扇形永磁体11能够避免结构损坏、氧化，对每个扇形永磁体11形成有效保护。
具体实施方式八：如图4及图8所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1的多个瓦片形永磁体5的极对数p1与平面轮2的多个扇形永磁体11极对数p2，应满足如下关系式：
式中，ω1和ω2分别为圆柱轮1和平面轮2的转速，rad/s；G为传动比。
本实施方式的有益效果是：可使齿轮组在运行过程中，转矩和传动比保持恒定，实现转矩的平稳传递。
具体实施方式九：如图2、图4～图6、图8及图9所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的多个瓦片形永磁体5、多个瓦片形铁心6、多个扇形铁心10及多个扇形永磁体11的厚度均相等，多个瓦片形永磁体5与多个瓦片形铁心6的轴向长度均相等，所述的多个扇形铁心10与多个扇形永磁体11的径向长度均相等，且每个瓦片形永磁体5及每个瓦片形铁心6的轴向长度均与每个扇形铁心10及每个扇形永磁体11的径向长度相等，多个第一型瓦片形永磁体5-1、多个第二型瓦片形永磁体5-2、多个第一型扇形永磁体11-1及多个第二型扇形永磁体11-2的极弧系数均在0.3-0.5之间，且多个第一型瓦片形永磁体5-1、多个第二型瓦片形永磁体5-2、多个第一型扇形永磁体11-1及多个第二型扇形永磁体11-2的极弧系数相同。
本实施方式的有益效果是：避免永磁体在运行过程中被退磁，防止齿轮组失效。
具体实施方式十：如图10及图11所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1的前后两个端面与平面轮2的内外两条圆弧线对齐(相切)设置。
本实施方式的有益效果是：确保耦合区域尽量大，能传递更大的转矩。
工作原理：如图1～图11所示，圆柱轮1上的瓦片形铁心6产生的磁场与平面轮2上的扇形铁心10产生的磁场耦合，主磁通依次经过第一型瓦片形永磁体5-1或第二型瓦片形永磁体5-2→瓦片形铁心6→气隙→扇形铁心10→第一型扇形永磁体11-1或第二型扇形永磁体11-2→扇形铁心10→气隙→瓦片形铁心6→第一型瓦片形永磁体5-1或第二型瓦片形永磁体5-2形成闭合回路。永磁体主磁通几乎不通过轭部(包括圆柱轮轭部4和平面轮轭部13)，通过铁心形成单边磁场分布。
由于两轮之间产生的磁性力，主动轮的旋转会带动从动轮旋转。当从动轮上有负载时，当从动轮上有负载时，两个轮子在耦合区域，瓦片形铁心6与扇形铁心10中心并不是正对的，会错开一定的角度，负载越大，错开的角度也越大。当瓦片形铁心6与扇形铁心10错开90°电角度时，能够传递的转矩达到最大，当负载超过此时的最大转矩时，两轮将产生“相对滑动”，齿轮组不能正常工作，也即发生了过载保护。
Claims (8)
1.一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：其组成包括两个轮，所述的两个轮均为磁性齿轮，两个轮分别是圆柱轮(1)和平面轮(2)，所述的平面轮(2)水平设置，所述的圆柱轮(1)设置在平面轮(2)上方，且圆柱轮(1)和平面轮(2)的轮轴中心线相正交，圆柱轮(1)和平面轮(2)之间留有气隙；当其中一个轮为主动轮时，另外一个轮为从动轮，所述的主动轮通过磁性力带动从动轮转动；
所述的圆柱轮(1)包括圆柱轮轭部(4)、多个瓦片形永磁体(5)和多个瓦片形铁心(6)；所述的圆柱轮轭部(4)设有轴向中心孔一(4-1)，圆柱轮轭部(4)的轴向中心孔一(4-1)的内壁上沿轴向开设有用于与轴系一配合的键槽一(4-2)；
所述的多个瓦片形永磁体(5)包括多个第一型瓦片形永磁体(5-1)及多个第二型瓦片形永磁体(5-2)，所述的多个第一型瓦片形永磁体(5-1)、多个瓦片形铁心(6)及多个第二型瓦片形永磁体(5-2)均通过粘结方式固定在圆柱轮轭部(4)的外圆周面上，且多个第一型瓦片形永磁体(5-1)、多个瓦片形铁心(6)及多个第二型瓦片形永磁体(5-2)依次按照第一型瓦片形永磁体(5-1)、瓦片形铁心(6)及第二型瓦片形永磁体(5-2)的排列顺序循环排列设置围成一个圆环形状，多个第一型瓦片形永磁体(5-1)及多个第二型瓦片形永磁体(5-2)均采用切向充磁，且每相邻设置的第一型瓦片形永磁体(5-1)与第二型瓦片形永磁体(5-2)的充磁方向相反，所述的多个瓦片形铁心(6)采用导磁性铁磁材料制成，所述的导磁性铁磁材料为纯铁或低碳钢；每个瓦片形铁心(6)与相邻设置的第一型瓦片形永磁体(5-1)或第二型瓦片形永磁体(5-2)构成一个极距一；
所述的平面轮(2)包括平面轮轭部(13)、多个扇形永磁体(11)及多个扇形铁心(10)；所述的平面轮轭部(13)设有轴向中心孔二(13-1)，平面轮轭部(13)的轴向中心孔二(13-1)的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二(13-2)；所述的多个扇形永磁体(11)包括多个第一型扇形永磁体(11-1)及多个第二型扇形永磁体(11-2)；所述的多个第一型扇形永磁体(11-1)、多个扇形铁心(10)及多个第二型扇形永磁体(11-2)均竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部(13)的上表面的外边缘处，且多个第一型扇形永磁体(11-1)、多个扇形铁心(10)及多个第二型扇形永磁体(11-2)依次按照第一型扇形永磁体(11-1)、扇形铁心(10)及第二型扇形永磁体(11-2)的排列顺序循环排列设置形成圆筒形状，多个第一型扇形永磁体(11-1)和多个第二型扇形永磁体(11-2)均采用切向充磁，每相邻设置的第一型扇形永磁体(11-1)与第二型扇形永磁体(11-2)充磁方向相反，每个扇形铁心(10)与相邻设置的第一型扇形永磁体(11-1)或第二型扇形永磁体(11-2)构成一个极距二；
所述的多个瓦片形永磁体(5)、多个瓦片形铁心(6)、多个扇形铁心(10)及多个扇形永磁体(11)的厚度均相等，多个瓦片形永磁体(5)与多个瓦片形铁心(6)的轴向长度均相等，所述的多个扇形铁心(10)与多个扇形永磁体(11)的径向长度均相等，且每个瓦片形永磁体(5)及每个瓦片形铁心(6)的轴向长度均与每个扇形铁心(10)及每个扇形永磁体(11)的径向长度相等，多个第一型瓦片形永磁体(5-1)、多个第二型瓦片形永磁体(5-2)、多个第一型扇形永磁体(11-1)及多个第二型扇形永磁体(11-2)的极弧系数均在0.3-0.5之间，且多个第一型瓦片形永磁体(5-1)、多个第二型瓦片形永磁体(5-2)、多个第一型扇形永磁体(11-1)及多个第二型扇形永磁体(11-2)的极弧系数相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的圆柱轮轭部(4)和平面轮轭部(13)均采用非导磁性材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的圆柱轮(1)还包括前端环(3-1)、后端环(3-2)和外部保护套(7)；所述的前端环(3-1)和后端环(3-2)分别通过粘结方式固定在多个瓦片形永磁体(5)及多个瓦片形铁心(6)的前后两个端面上，所述的外部保护套(7)紧密套装在多个瓦片形永磁体(5)及多个瓦片形铁心(6)的外侧，前端环(3-1)、后端环(3-2)及外部保护套(7)均采用非导磁性材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的前端环(3-1)、后端环(3-2)和外部保护套(7)均采用不锈钢或玻璃丝带材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的平面轮2还包括上端环8、外保护套9和内保护套12；所述的外保护套9和内保护套12分别紧密套装在由多个第一型扇形永磁体11-1、多个扇形铁心10及多个第二型扇形永磁体11-2围成的圆筒的外侧和内侧，所述的上端环8通过粘结方式固定在多个第一型扇形永磁体11-1、多个扇形铁心10及多个第二型扇形永磁体11-2的上端面，上端环8、外保护套9及内保护套12均采用非导磁性材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的上端环(8)、外保护套(9)和内保护套(12)均采用不锈钢或玻璃丝带材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的圆柱轮(1)的多个瓦片形永磁体(5)的极对数p1与平面轮(2)的多个扇形永磁体(11)极对数p2，应满足如下关系式：
式中，ω1和ω2分别为圆柱轮1和平面轮2的转速，rad/s；G为传动比。
8.根据权利要求1所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的圆柱轮(1)的前后两个端面与平面轮(2)的内外两条圆弧线对齐设置。
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| CN206117474U (zh) * | 2016-10-15 | 2017-04-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组 |
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2016
- 2016-10-15 CN CN201610897458.0A patent/CN106300893B/zh active Active
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