CN107579635B

CN107579635B - 一种转子式永磁水密转矩传动轴

Info

Publication number: CN107579635B
Application number: CN201710630601.4A
Authority: CN
Inventors: 吴家鸣; 梁严; 陈宇庆; 李林华
Original assignee: GUANGZHOU SHUNHAI SHIPYARDS Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: GUANGZHOU SHUNHAI SHIPYARDS Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107579635A

Abstract

本发明公开了一种转子式永磁水密转矩传动轴；包括主壳体、主动转子、从动转子、主动轴、从动轴、主动转子永磁体和从动转子永磁体；主壳体为中空且两端开放的圆筒结构，主壳体尾封板中部向内凹进，形成的空间设有从动转子封板；从动轴与从动转子连接；沿从动轴的轴向，主动转子向主壳体尾封板方向伸出，沿主动转子伸出部分的周向间隔设有多个凹槽，凹槽内安装主动转子永磁体；从动转子为圆盘状，沿从动转子的周向上间隔设有多个凹槽，凹槽内安装从动转子永磁体，主动转子永磁体与从动转子永磁体以相异磁极一一对应安装。本发明可在保证良好密封条件的情况下完成转矩的高效传递。

Description

一种转子式永磁水密转矩传动轴

技术领域

本发明涉及一种传动装置，特别是涉及一种水密传动装置，具体是涉及一种转子式永磁水密转矩传动轴。

背景技术

现今，对于海洋的探索与开发不断深入，越来越多的工程机械由被应用于水下作业中。为了完成各种作业技术动作，大量的电子元件，驱动部件，传动部件被安装到了工程机械上，并随着工程机械一起潜入水下空间。但是水和工程机械上所安装的部件具有不可调和的矛盾，一旦这些部件与水接触，轻则腐蚀生锈，减少工程机械的使用寿命；重则短路失效，使得整部工程机械丧失作业能力。特别是工程机械的某些外露结合处，如主机与螺旋桨的连接处，所面临的泄露、渗透问题更加严峻。因此开发一种可在水密条件下完成传动作业，且经济实惠的传动机构具有良好的前景。

现有防漏密封方式分为填料密封、机械密封和动力密封三种。但是由于填料密封效果较差，有功率损失；机械密封结构复杂、价格昂贵；动力密封工作过程中有功率损失，且停机时密封失效，因此如何实现密封传动结构的简单廉价、传动高效、水密性能良好是现在急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现阶段密封传动装置所遇到的技术问题，提出一种结构简单、便于更换和维修、且具有良好防水性能可以高效传递转矩的转子式永磁水密转矩传动轴。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：包括主壳体、主动转子、从动转子、主动轴、从动轴、主动转子永磁体和从动转子永磁体；

所述主壳体为中空且两端开放的圆筒结构，圆筒结构两端分别设有主壳体首封板和主壳体尾封板，主壳体首封板中心开有小孔，小孔用防水胶密封。主壳体11的中空中设有动力装置；主壳体尾封板中心内外两侧对称设有凹槽；主动轴一端与动力装置相连，另一端穿过主动转子中心的通孔安装于主壳体尾封板中心内侧凹槽；主动轴与主动转子连接；

所述主壳体尾封板中部向内凹进，形成的空间设有从动转子封板；从动转子封板为一端封闭的空心圆筒，在其封闭端中心开有通孔，开口端与主壳体尾封板连接，从动轴一端安装于主壳体尾封板中心的外侧凹槽，另一端穿过从动转中心通孔与从动转子封板封闭端通孔，从动轴与从动转子连接；

沿从动轴的轴向，主动转子向主壳体尾封板方向伸出，沿主动转子伸出部分的周向间隔设有多个凹槽，凹槽内安装主动转子永磁体；

所述从动转子为圆盘状，沿从动转子的周向上间隔设有多个凹槽，凹槽内安装从动转子永磁体，主动转子永磁体与从动转子永磁体以相异磁极一一对应安装。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述从动轴收到转矩T与磁传动装置各部件参数有如下关系式：

式中，B为主动转子与从动转子之间的磁感应强度，r₁为从动转子半径，L为从动转子厚度，θ为主动转子凹槽宽度，

为主动转子与从动转子的转动相位差，L_g为磁间隙大小，根据功能换算条件，从动轴收到的转矩功率通过下式计算：

优选地，所述B取值为1.32T-1.33T；L取值为0.5cm-3cm；r₁取值为1cm-5cm；θ取值为40°-60°；L_g取值为1cm-1.5cm。

优选地，所述主动转子上间隔设有四个凹槽，每个凹槽的宽度为40°-60°，每个凹槽内设有一个主动转子永磁体，四个凹槽内的永磁体分别称为第一主动转子永磁体、第二主动转子永磁体、第三主动转子永磁体和第四主动转子永磁体；所述从动转子上间隔设有四个凹槽，每个凹槽的宽度为40°-60°，每个凹槽内设有一个从动转子永磁体，四个凹槽内的永磁体分别称为第一从动转子永磁体、第二从动转子永磁体、第三从动转子永磁体和第四从动转子永磁体。

优选地，所述主动轴与主动转子通过键连接；所述从动轴与从动转子采用键连接。

优选地，在主壳体与主壳体首封板、主壳体与主壳体尾封1的结合面处设有圆槽，圆槽中安装大橡胶密封圈；主壳体首封板和主壳体尾封板通过短紧固螺丝分别固定安装于主壳体的首尾端；

从动转子封板与主壳体尾封板的结合处设置有凹槽，凹槽中安装小橡胶密封圈；从动转子封板开口端通过长紧固螺丝安装于主壳体尾封板上。

优选地，在主动转子与主壳体尾封板之间安装有主动转子陶瓷轴承；在从动转子封板通孔与从动轴之间安装有防水轴承3，起到防水密封、并降低摩擦阻力的作用；在从动轴的周向，从动转子与从动转子封板之间安装有从动转子陶瓷轴承。

优选地，所述从动转子的直径为2cm-10cm，厚度为0.5cm-3cm；所述主动转子的内径为3cm-12cm；主动转子永磁体的轴向长度0.5cm-3cm；从动转子永磁体的轴向长度为0.5cm-3cm。

优选地，主动转子永磁体与从动转子永磁体之间的距离为从动转子陶瓷轴承、主动转子陶瓷轴承、主壳体尾封板和从动转子封板厚度之和，取值为1cm-2cm。

优选地，所述动力装置为电动机或柴油机；所述主动转子永磁体采用钕铁硼材料制成；所述从动转子密封壳体、主动转子、主壳体、轴托板、主壳体首封板和主壳体尾封板均由铝合金材料制成。

相对于现有技术，本发明有以下技术优点：

1)密封防水效果好。动力装置与传动机构各自密封，且通过磁力传动的方式避免了机械结合处，从而提高了防水性能。

2)具有过载保护功能。由于动力装置与传动机构之间没有直接的机械连接，且磁力所能传递的载荷是固定的，因此在过载时，一方面磁极相错，传动机构失效，另一方面滑差转动过程中磁极之间的作用力会起到减速的作用。

3)转子结构工作寿命长，可靠性高。通过对主动转子与从动转子上的磁极进行合理化设计与布置，可以减少工作时从动转子结构所受到的拉应力，提高结构的可靠性与寿命。

5)相较于现有的磁传动机构形式，本发明所提出的结构形式更加紧凑，可以满足水下装置内部空间狭小的要求。

4)结构简单，便于安装、维修、更换相应部件。

附图说明

图1是转子式永磁水密转矩传动轴的结构示意图。

图2是图1中主动转子的结构示意图。

图3是图1中从动转子的结构示意图。

图4是图1中的永磁体布置示意图。

图5-1是静止时单组永磁体受力情况图。

图5-2是运动后单组永磁体受力情况图。

图中示出：主壳体尾封板1、从动转子封板2、防水轴承3、从动轴4、从动转子5、从动转子陶瓷轴承6、长紧固螺丝7、小橡胶密封圈8、主动转子陶瓷轴承9、主动轴10、主壳体11、动力装置12、短紧固螺丝13、大橡胶密封圈14、动力装置能量通道15、主壳体首封板16、主动转子17、主动转子永磁体18、从动转子永磁体19、第一永磁体组20、第二永磁体组21、第三永磁体组22、第四永磁体组23。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1所示，一种转子式永磁水密转矩传动轴，包括主壳体尾封板1，从动转子封板2、从动轴4、从动转子5、主动轴10、主壳体11、动力装置12、主壳体首封板16、主动转子17、主动转子永磁体18和从动转子永磁体19。

主壳体11为中空且两端开放的圆筒结构，圆筒结构两端分别设有主壳体首封板16和主壳体尾封板1，在主壳体11与主壳体首封板16、主壳体11与主壳体尾封板1的结合面处设有圆槽，圆槽中安装大橡胶密封圈14；主壳体首封板16和主壳体尾封板1通过短紧固螺丝13分别固定安装于主壳体11的首尾端；主壳体首封板16中心开有小孔，供动力装置能量通道15通过，小孔用防水胶密封。主壳体11的中空中设有动力装置12；主壳体尾封板1中心内外两侧对称设有凹槽。主动轴10一端与动力装置12相连，另一端穿过主动转子17中心的通孔安装于主壳体尾封板1中心内侧凹槽；主动轴10与主动转子17通过键连接。

主壳体尾封板1中部向内凹进，形成的空间设有从动转子封板2。从动转子封板2为一端封闭的空心圆筒，在其封闭端中心开有通孔，开口端与主壳体尾封板1连接，动转子封板2与主壳体尾封板1的结合处设置有凹槽，凹槽中安装小橡胶密封圈8；从动转子封板2开口端优选通过长紧固螺丝7安装于主壳体尾封板1上。从动轴4一端安装于主壳体尾封板1中心的外侧凹槽，另一端穿过从动转子5中心通孔与从动转子封板2封闭端通孔，从动轴4与从动转子5采用键连接，在从动转子封板2通孔与从动轴4之间安装有防水轴承3，起到防水密封、并降低摩擦阻力的作用。在从动轴4的周向，从动转子5与从动转子封板2之间安装有从动转子陶瓷轴承6，用来固定从动转子5的位置，并降低其转动时的摩擦阻力。

如图2所示，沿从动轴4的轴向，主动转子17向主壳体尾封板1方向伸出，沿主动转子17伸出部分的周向间隔设有多个凹槽，凹槽内安装主动转子永磁体18，具体是将主动转子永磁体18加工成凹槽相应形状从而安装在凹槽中。为保证从动转子5处于主动转子永磁体18磁场的包围中，主动转子永磁体18的轴向长度0.5cm-3cm。在主动转子17与主壳体尾封板1之间安装有主动转子陶瓷轴承9，用于固定主动转子17的位置并减少其转动时的摩擦阻力。优选主动转子17上间隔设有四个凹槽，每个凹槽的宽度优选为40°-60°，凹槽内设有一个主动转子永磁体18，四个凹槽内的永磁体分别称为第一主动转子永磁体、第二主动转子永磁体、第三主动转子永磁体和第四主动转子永磁体。

如图3所示，从动转子5为圆盘状，其直径优选为2cm-10cm，厚度优选为0.5cm-3cm。沿从动转子5的周向上间隔设有多个凹槽，凹槽内安装从动转子永磁体19，优选从动转子5上间隔设有四个凹槽，每个凹槽的宽度为40°-60°，凹槽内设有一个从动转子永磁体19，四个凹槽内的永磁体分别称为第一从动转子永磁体、第二从动转子永磁体、第三从动转子永磁体和第四从动转子永磁体。

主动转子永磁体18与从动转子永磁体19以相异磁极一一对应，即第一主动转子永磁体与第一从动转子永磁体的相异磁极相互对应，以此类推，其具体布置形式如图4所示。二者之间的距离反映在从动转子陶瓷轴承6、主动转子陶瓷轴承9、主壳体尾封板1和从动转子封板2厚度之和，该厚度优选为1cm-2cm。根据配合关系，可以得到主动转子17的内径为3cm-12cm。

第一、第二、第三和第四主动永磁体就是四个相同的主动转子永磁体18。第一、第二、第三和第四从动转子永磁体就是四个相同的从动转子永磁体19。第一永磁体组20是由第一主动转子永磁体和第一从动转子永磁体组成，其余的以此类推。

永磁体布置方案如图4所示。整个磁传动机构均匀布置有四组永磁体，第一永磁体组20和第三永磁体组22布置形式相同，第二永磁体组21和第四永磁体组23布置形式相同。在此以第一永磁体组20和第三永磁体组22为例解释采用图3布置形式的优点：如果第一永磁体组20和第三永磁体组22的布置形式相同，那么第一永磁体组20和第三永磁体组22在从动转子5结构内会出现两个N极或者S极相对应的情况，即第一永磁体组20与第三永磁体组22的从动转子永磁体19的N极或S极相互对应。由于整个结构在工作过程中要高速旋转，所以从动转子5上镶嵌的每组永磁体均有背向从动转子5圆心的运动趋势，但同时从动转子5与主动转子17之间存在着吸力，第一永磁体组20和第三永磁体组22相同磁极之间有斥力，因为第一永磁体20组与第三永磁体组22的从动转子永磁体19的N极或S极相互对应会产生同极斥力，因此在工作过程中从动转子5结构在磁极斥力和离心作用的共同作用下会承受较大拉应力，这对于结构的寿命和安全使用都是不利的。采用图中的布置形式可以利用第一永磁体组20与第三永磁体组22的从动转子永磁体19的相异磁极之间的吸力抵消工作过程中的拉应力，提高结构的寿命和可靠性；主动转子17与从动转子5之间的吸力亦对主动转子17结构产生相同的作用。

动力装置12优选为电动机或柴油机，电动机或柴油机根据实际情况选用相应的型号规格。主动转子永磁体18和从动转子永磁体19选用钕铁硼材料制成，其牌号为N48；从动转子封板2、主动转子17和从动转子5都优选由铝合金材料制成。主壳体11、主壳体首封板16和主壳体尾封板1优选均由铝合金材料制成。

根据磁传动装置的结构特征可知，共有四对永磁体，则每对磁极之间需要的吸引力F为：

式中，T为从动轴4收到的转矩，r₁为从动转子5的半径，取值范围为1cm-5cm，

为从动转子5与主动转子17之间的转动相位差，取值范围为0°-θ。

根据永磁体磁极间作用力计算公式，钕铁硼永磁体之间的作用可以通过以下经验公式计算：

式中，B为从动转子5与主动转子17之间的磁感应强度，取值范围为1.32T-1.33T，L为从动转子5的厚度，取值范围为0.5cm-3cm，θ为主动转子17上的凹槽宽度，取值范围为40°-60°，L_g为磁间隙大小，取值范围为1cm-1.5cm，

从动轴4收到的转矩T与磁传动装置各部件参数有如下关系式：

从动轴4收到的转矩功率为：

式中，n₁为从动轴4收到的转速。

磁传动装置的传动效率为：

式中，W_输为主动轴10收到的转动功率,r₂为主动转子17的内径。

动力装置12的功率及转速可通过下列关系式计算：

现阶段，磁传动装置被广泛应用于真空、航天、医药、食品、科学实验和石油化工等特殊或高危领域，用来处理高纯度，剧毒，高腐蚀性工作介质的反应及输送，保证现场工作人员的安全，并减少对环境的不利影响。现有磁传动机构的结构形式与工作原理与本发明中的磁传动部分有所不同，多将两盘面沿轴向布置，将两盘面的径向剖面相对。在工作过程中，随着主动转子17的转动，安装在主动转子17盘面上的主动转子永磁体18跟随盘面转动产生旋转磁场。该旋转磁场作用于从动转子盘面上，导致从动转子盘面上磁场分布随时间发生变化，这一随时间变化的分布不均的磁场使得从动转子盘面上发生电磁感应现象形成大量自闭电流即涡流，而涡流的产生则会使从动转子盘面产生一个新的磁场，在这个新磁场与原有旋转磁场的相互作用之下，完成转矩的传递。

由于本发明中磁传动部件利用主动转子永磁体18和从动转子永磁体19之间的相互作用来完成转矩的传递，且主动转子17与从动转子5同步转动，因此可以有效的避免不利涡流和滑差损耗的发生，由此根据上述公式及设计参数计算可知，在本发明的设计情况下，本发明中所采用的磁传动形式相较于现有磁传动形式提高的效率可以通过下式计算：

由此计算，本发明中采用的磁传动模式相较于现有磁传动形式可以提高效率为40.6％。

如果将本发明中磁传动形式改为现有传动盘面对面形式，磁传动机构为了保证盘面之间有足够强的磁场力，因此需要在从动转子5盘面产生很大的涡流，造成极大的涡流损耗，使得传动效率降低。由于传递效率降低，所以需要更大的动力装置12来满足转矩功率要求，这对于密封箱的小型化及水密处理是不利的。而本发明中利用永磁体之间的磁场力来完成转矩的传递，且二者主动转子17与从动转子5之间同步转动，没有涡流产生，因此相较于现有磁传动形式具有更高的转矩传递效率，从而可以选用更小的动力装置12，便于缩小密封箱的尺寸及进行水密处理。

根据上面给出的传递效率公式可知，增大r₁，η增大，因此通过适当增大从动转子5的半径来提高磁传动装置的传递效率；减小L_g，η增大，因此可以适当减小磁间隙的大小来提高传动效率。

现结合图如图5-1和5-2说明转子式永磁水密转矩传动轴的工作原理。

当动力装置12关闭时，主动转子17没有外来转矩输入时，主动转子17与从动转子5处于静止状态，主动转子永磁体18与从动转子永磁体19中心相对，吸引力方向垂直于二者表面，没有转矩。

当动力装置12开始工作时，主动转子17接收到来自外界的转矩后，主动转子17开始转动，主动转子永磁体18与从动转子永磁体19之间出现相对位移，造成主动转子永磁体18与从动转子永磁体19不再正对，而主动转子永磁体18与从动转子永磁体19有恢复正对的趋势，吸引力存在切向分力，产生转矩，作用于由从动转子永磁体5上，使其转动起来，完成转矩的传递。

作为主要防水保护目的的主壳体11内部空间的各个接触面处，即主壳体首封板16与主壳体11，主壳体尾封板1与主壳体11接触面处，有大橡胶防水圈14进行密封。由于在这些接触面处不参与运动，因此防水圈可以满足防水要求。动力装置能量通道15所穿过的主壳体首封板16的开孔由防水胶封死，由于开孔较小，因此由于防水胶老化而引起的防水性能的退化不足以影响对主壳体空间的密封。从动转子封板2内的空间由小橡胶防水圈8与防水轴承3进行防水保护。但即使从动转子5与水进行接触也不会影响从动转子5的工作，因此该转子式永磁密封箱可以满足在水下工作防水要求。

由于动力装置12处在全密封结构中，因此传统的接触式机械传动失去功效，采用主动转子永磁体18与从动转子永磁体19的设置方式是要利用磁力在非接触的条件下完成转矩由内到外的传递。如果从动转子5直接与水接触，虽然不会破坏从动转子5的工作条件，但是周围的水会对旋转的从动转子5有影响，产生极大的阻力，降低转矩传递的效果。因此将从动转子5布置于从动转子封板2的密封空间内，可以避免水对从动转子5的影响，保证转矩的传递效率。

本发明中从动转子5与主动转子17的内外布置形式，而现有磁传动机构普遍采用盘面相对的布置形式，虽然二者均是利用永磁体之间的相互作用完成转矩的传递，但相较之下，本发明的布置形式可以利用更小的从动转子5完成相同的转矩传递工作，节约了从动部件的材料。

同时，水下作业装备工作时普遍对转矩功率要求不高，因此整个传动部分部件可以进一步进行轴向与径向的小型化处理，即减小主动转子17与从动转子5的轴向距离、减小主动转子17与从动转子5的径向尺寸，其原因在于主动转子永磁体18与从动转子永磁体19之间的距离已由主动转子陶瓷轴承9、从动转子陶瓷轴承6，主壳体尾封板1和从动转子封板2的尺寸固定下来了，主动转子永磁体18与从动转子永磁体19的规格也已经确定，这使得磁传动的工作性能也相应确定了下来。因此只要从动转子永磁体19完全处于主动转子永磁体18产生的磁场中，无论主动转子17与从动转子5的位置在轴向进行相对调整，还是主动转子17与从动转子5的径向尺寸的变化，对于整个传动装置的传动效果是没有影响的。小型化处理之后不但可以更好的适应水下作业装备内部狭小的布置空间，还可以进一步节约材料，降低制造成本。而现有磁传动布置形式为了满足磁气隙参数的要求，只能进行径向这一单方向的小型化处理，因此本发明中所采用的布置形式更具有优势。

Claims

1.一种转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：包括主壳体、主动转子、从动转子、主动轴、从动轴、主动转子永磁体和从动转子永磁体；

所述主壳体为中空且两端开放的圆筒结构，圆筒结构两端分别设有主壳体首封板和主壳体尾封板，主壳体首封板中心开有小孔，小孔用防水胶密封；主壳体11的中空中设有动力装置；主壳体尾封板中心内外两侧对称设有凹槽；主动轴一端与动力装置相连，另一端穿过主动转子中心的通孔安装于主壳体尾封板中心内侧凹槽；主动轴与主动转子连接；

2.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：所述从动轴收到转矩T与磁传动装置各部件参数有如下关系式：

n₁为从动轴收到的转速。

3.根据权利要求2所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：所述B取值为1.32T-1.33T；L取值为0.5cm-3cm；r₁取值为1cm-5cm；θ取值为40°-60°；L_g取值为1cm-1.5cm。

4.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：所述主动转子上间隔设有四个凹槽，每个凹槽的宽度为40°-60°，每个凹槽内设有一个主动转子永磁体，四个凹槽内的永磁体分别称为第一主动转子永磁体、第二主动转子永磁体、第三主动转子永磁体和第四主动转子永磁体；所述从动转子上间隔设有四个凹槽，每个凹槽的宽度为40°-60°，每个凹槽内设有一个从动转子永磁体，四个凹槽内的永磁体分别称为第一从动转子永磁体、第二从动转子永磁体、第三从动转子永磁体和第四从动转子永磁体。

5.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：所述主动轴与主动转子通过键连接；所述从动轴与从动转子采用键连接。

6.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：在主壳体与主壳体首封板、主壳体与主壳体尾封1的结合面处设有圆槽，圆槽中安装大橡胶密封圈；主壳体首封板和主壳体尾封板通过短紧固螺丝分别固定安装于主壳体的首尾端；

7.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：在主动转子与主壳体尾封板之间安装有主动转子陶瓷轴承；在从动转子封板通孔与从动轴之间安装有防水轴承3，起到防水密封、并降低摩擦阻力的作用；在从动轴的周向，从动转子与从动转子封板之间安装有从动转子陶瓷轴承。

8.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：所述从动转子的直径为2cm-10cm，厚度为0.5cm-3cm；所述主动转子的内径为3cm-12cm；主动转子永磁体的轴向长度0.5cm-3cm；从动转子永磁体的轴向长度为0.5cm-3cm。

9.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：主动转子永磁体与从动转子永磁体之间的距离为从动转子陶瓷轴承、主动转子陶瓷轴承、主壳体尾封板和从动转子封板厚度之和，取值为1cm-2cm。

10.根据权利要求1所述的转子式永磁水密转矩传动轴，其特征在于：所述动力装置为电动机或柴油机；所述主动转子永磁体采用钕铁硼材料制成；所述从动转子密封壳体、主动转子、主壳体、轴托板、主壳体首封板和主壳体尾封板均由铝合金材料制成。