CN108512396B - 一种磁吸齿轮传动机构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种磁吸齿轮传动机构设计方法，用于解决磁吸齿轮高效传动的技术问题。它包括磁性主动轮与磁性从动轮；磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁场耦合方向为横向；磁性传递扭矩T按照生成→增大→减小→消失的磁性啮合周期变化；确定磁性传递扭矩T与磁性主动轮和磁性从动轮的磁齿厚度参数L_m、相对转角差θ、相对磁导率μ_r、齿轮半径参数r和耦合气隙L_g之间的关系。发明有益效果：消除了机械式齿轮传动副的接触摩擦缺陷，具有无摩擦能耗、无需润滑，清洁、防尘防水等优点；并且，传动平稳、传递效率高、可靠性高及使用寿命长；在过载情况下，磁性主动轮与磁性从动轮滑转而随时切断传动关系，具有过载保护作用。

Description

一种磁吸齿轮传动机构设计方法

技术领域

本发明涉及磁吸传递方法技术领域，具体地说是一种磁吸齿轮传动机构设计方法。

背景技术

齿轮是一种常见的用于传动的机构，目前90％以上的机械传动使用的齿轮传动，是齿轮机械接触啮合的传动。其具有传动效率高、转矩密度大等优点。虽然经过长时间的齿轮技术参数的优化，机械齿轮以及运用机械齿轮进行传动已经非常成熟。但这种机械传动依然存在振动、噪声、磨损、发热，以及润滑油易吸入粉尘等问题，需要长期维护和保养等这些自身无法克服的缺陷。随着机械工程技术的发展，人们对传动系统的要求也越来越高。现有技术中，通过采取选用高性能材料、对齿轮进行精密加工完成对齿轮的修形，以及通过改变齿轮表面的微观结构来提高润滑等措施，使齿轮机械的传动性能有了很大的提高，但是依旧没有能从根本上解决以上问题。为了解决传统齿轮在机械传动中存在的这些问题，磁吸齿轮由此得到了发展。如果在齿轮非直接接触的情况下靠磁力耦合传递动力，这样就完全克服了上述的问题。磁吸齿轮是利用磁场之间的耦合进行扭矩的传递，与传统的齿轮相比具有独特的优点。比如，(1)磁吸齿轮由于主动轮和从动轮之间是非机械接触性的，可以从根本上消除齿轮机械啮合产生的噪声和振动；(2)磁吸齿轮由于非接触性啮合，所以不需要润滑剂进行润滑，因此可以从根本上降低了长期的维护费用，并且增加传动系统的可靠性；(3)磁吸齿轮具有确定的峰值转矩，其自身具有过载保护能力；(4)磁性主动轮与磁性从动轮之间是非接触性的，这一特点使得它在有毒、有害等流体泵类驱动中具有独特的优势；(5)磁吸齿轮由于机械啮合产生的摩擦损耗，具有较高的传动效率；(6)磁吸齿轮中永磁体直接浇注在相对转动的齿轮部件的表面，不像机械齿轮那样要对齿根进行精加工和热处理，简化了生产工艺，降低了生产成本。对于磁吸齿轮来说，由于永磁体的用量很大，并且稀土材料的成本较高，永磁体的材料成本大约占磁吸齿轮总成本的50％左右，在一些需要节约成本的使用情况下，在保证转矩密度的同时，如何降低磁性齿轮的成本是一个需要解决的问题。现有技术中，存在一些利用磁性方式传动的手段，但是效果不佳，还存在许多缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁吸齿轮传动机构设计方法，用于解决磁吸齿轮高效传动的技术问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种磁吸齿轮传动机构设计方法，包括磁性主动轮与磁性从动轮；

所述磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁场耦合方向为横向；

依据磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁齿耦合区域形成的磁性传递扭矩T，随齿轮组的相对旋转按照生成→增大→减小→消失的磁性啮合变化周期，以确定磁性传递扭矩T与磁性主动轮和磁性从动轮的磁齿厚度参数L_m、相对转角差θ、相对磁导率μ_r、齿轮半径参数r和耦合气隙L_g之间的关系；

根据磁性传递扭矩T大小要求，确定磁性主动轮和磁性从动轮的齿轮厚度参数L_m、齿轮半径参数r、相对转角差θ大小；

确定磁性主动轮与磁性从动轮之间安装耦合气隙距离L_g大小。

进一步的，在磁性主动轮和磁性从动轮的基圆端面上分别安装位移传感器；根据磁性传递扭矩T大小要求，调整磁性主动轮和磁性从动轮之间安装耦合气隙距离L_g。

进一步的，在磁性从动轮的负载传动轴上安装加载器；根据负载大小，以确定磁性传递扭矩T能力的大小；这样当过载时，磁性主动轮和磁性从动轮滑转而随时切断传动关系，不会导致原动机过载而损坏。

进一步的，磁性传递扭矩T与磁性主动轮和磁性从动轮的磁齿厚度参数L_m、磁性主动轮和磁性从动轮相对转角差θ、磁介质相对磁导率μ_r、齿轮半径参数r和耦合气隙L_g之间的关系为：

式中，B_r永磁体剩磁量，V_m为齿轮单位磁齿的体积，μ₀为真空磁导率为(μ₀＝4π×10^-7)。

进一步的，所述磁性主动轮和磁性从动轮上对应耦合磁齿的磁性相反，磁性主动轮和磁性从动轮上相邻磁齿的磁性按照N、S、N、S……排列；根据磁场同极相斥，异极相吸原理，磁性主动轮和磁性从动轮产生磁性传递扭矩T；所述磁性主动轮和磁性从动轮的齿数为偶数。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、通过磁吸齿轮传动能够消除普通机械式齿轮传动副的接触摩擦。

2、由于消除了普通机械式齿轮传动副的接触摩擦，传动损耗仅仅包括一些永磁体铁心损耗,理论上最高传动效率可达到98％，比机械齿轮传动普遍提高10％。

3、磁性主动轮与磁性从动轮横向磁场结构使单位磁性材料体积传送的转矩密度高，同时可以通过改变其齿数或改变齿增系数减少相对转角差来增大磁齿的耦合面积，提高承载能力。

4、在过载时因磁性主动轮与磁性从动轮滑转而随时切断传动关系，不会损坏负载或者原动机。

5、调节磁性主动轮与磁性从动轮之间的耦合气隙，即可调节磁性扭矩大小，从而在一定转速范围实现无级变速的传动要求。

6、磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁场方向为横向，实现齿轮单面两侧耦合，可以实现正、反转，起到转换器作用。

7、由于无机械齿轮传动的机械接触摩损，无需润滑，清洁、无油污、防尘防水等，转速传动比恒定，转速的动态瞬时稳定度高，运行平稳。不存在机械齿轮在设计加工上常常需要变位修正的设计加工繁琐，结构简单、紧凑，体积小、重量轻，比机械式齿轮副减轻重量可以达到35％以上。

附图说明

图1为本发明实施例的左上整体结构示意图；

图2为本发明实施例的右上整体结构示意图；

图3为图1中A处局部放大图；

图中：1.磁性主动轮；2.磁性从动轮；3.负载转动轴；4.齿轮箱；5.交流电机；6.加载器；7.位移传感器。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和技术描述以避免不必要地限制本发明。

如图1至3所示，一种磁吸齿轮传动机构设计方法，该设计中包括有稀土材料铝铁硼制成的磁性从动轮2和磁性主动轮1；磁性从动轮2和磁性主动轮1上的磁齿分别按照异性磁极间隔排布，即相邻磁齿的磁性相反(按照N极、S极、N极……S极方式排列)。所述磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁场耦合方向为横向，能够使单位磁性材料体积传送的转矩密度高。磁性主动轮与磁性从动轮之间齿轮单面两侧耦合，可以实现正、反转，起到转换器作用。所述磁性从动轮2和磁性主动轮1上的磁齿数目均为偶数。

所述磁性从动轮2通过负载转动轴3可转动的安装在齿轮箱4上，负载转动轴3上设有加载器6，加载器6用于测量负载转动轴3所受到的负载扭矩。所述磁性主动轮1通过驱动转动轴可转动的安装在齿轮箱4上，驱动转动轴的动力输入端连接交流电机5。所述的磁性从动轮2和磁性主动轮1相对分离安装，磁性从动轮2和磁性主动轮1的相对面之间设有一定耦合气隙。由于磁性从动轮2和磁性主动轮1之间的磁力扭矩受到耦合气隙的影响，为了满足传递负载扭矩要求，因此需要调节耦合气隙大小。在本设计中，在磁性从动轮2和磁性主动轮1的外端面上分别设置位移传感器7，用于测量彼此间耦合气隙大小。

在本设计中，磁吸齿轮传动机中磁性传递扭矩能力大小的影响因素，是关键研究目的。依据磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁齿耦合区域形成的磁性传递扭矩，随齿轮组的相对旋转按照生成→增大→减小→消失的磁性啮合变化周期，确定磁齿齿轮的磁性传递扭矩T与其结构参数以及配合参数之间的关系。

永磁体的退磁曲线的磁感应强度为B，磁性从动轮2和磁性主动轮1相对转动时的漏磁系数为K_f；磁性从动轮2和磁性主动轮1相对转动时的磁阻系数为K_r；磁介质相对磁导率为μ_r；磁性从动轮2和磁性主动轮1耦合时的磁感应强度为B＝B_r＝μ₀H，此时磁性主动轮1磁感应强度B₁与磁性从动轮2磁感应强度B₂磁感应强度分别为：

式中，H为静态磁场中齿轮耦合时磁场强度，H₁、H₂分别为磁性主动轮1和磁性从动轮2磁场强度，μ₀为真空磁导率为(μ₀＝4π×10^-7)，B_r永磁体剩磁量。

在静态磁场中，磁通量Φ和磁场力F的计算公式：

式中，L_g为磁性从动轮2和磁性主动轮1的耦合气隙，B_m为磁性主动轮1和磁性从动轮2发生偏转时，齿轮耦合时的磁感应强度；H_m为磁性主动轮1和磁性从动轮2发生偏转时，齿轮耦合时的磁场强度；L_m为齿轮的厚度；S_m为磁场与导磁材料作用面的面积；S_g为磁吸齿轮耦合面；式中F、B_m、H_m、S_m单位分别为N、T、A/m、m²。

当磁性主动轮1和磁性从动轮2相对转角差θ，轮齿经过的路径为L

当齿轮驱动时，各齿轮磁感应强度和磁性传递扭矩的计算公式：

式中，W为磁性主动轮1和磁性从动轮2耦合时磁场所做的功，V_m为齿轮单位磁齿的体积；r为齿轮的半径参数；θ为主、从动轮相对转角差；μ_r为磁介质相对磁导率；L为轮齿经过的路径；

有上述结论式可知，磁力扭矩T大小与齿轮厚度L_m、相对转角差θ、相对磁导率μ_r、齿轮半径参数r和耦合气隙L_g之间存在必然的关系。

根据磁性传递扭矩T大小要求，即可确定磁吸齿轮组的各齿轮厚度参数L_m、齿轮半径参数r、相对转角差θ大小；确定磁吸齿轮组的磁性主动轮与磁性从动轮之间安装耦合气隙距离L_g大小。

优选，磁性主动轮1和磁性从动轮2上的磁吸齿轮相邻齿的磁性分别按照N、S、N、S……排列时，磁性主动轮1的齿数Z₁和磁性从动轮2的齿数Z₂以偶数为佳。当磁性主动轮1的齿数Z₁和磁性从动轮2的齿数Z₂为奇数时，这时会产生相邻磁齿极性相同的情况，会导致磁性传递扭矩T较小。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种磁吸齿轮传动机构设计方法，其特征是，包括磁性主动轮与磁性从动轮；

所述磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁场耦合方向为横向；

依据磁性主动轮与磁性从动轮之间的磁齿耦合区域形成的磁性传递扭矩T，随齿轮组的相对旋转按照生成→增大→减小→消失的磁性啮合变化周期，确定磁性传递扭矩T与磁性主动轮和磁性从动轮的磁齿厚度参数L_m、相对转角差θ、相对磁导率μ_r、齿轮半径参数r和耦合气隙L_g之间的关系；

根据磁性传递扭矩T大小要求，确定磁性主动轮和磁性从动轮的齿轮厚度参数L_m、齿轮半径参数r、相对转角差θ大小；

确定磁性主动轮与磁性从动轮之间安装耦合气隙距离L_g大小；

磁性传递扭矩T与磁性主动轮和磁性从动轮的磁齿厚度参数L_m、相对转角差θ、相对磁导率μ_r、齿轮半径参数r和耦合气隙L_g之间的关系为：

式中，B_r永磁体剩磁量，V_m为齿轮单位磁齿的体积，μ₀为真空磁导率。

2.根据权利要求1所述的一种磁吸齿轮传动机构设计方法，其特征是，在磁性主动轮和磁性从动轮的基圆端面上分别安装位移传感器；根据磁性传递扭矩T大小要求，调整磁性主动轮和磁性从动轮之间安装耦合气隙距离L_g。

3.根据权利要求1所述的一种磁吸齿轮传动机构设计方法，其特征是，在磁性从动轮的负载传动轴上安装加载器；根据负载大小，以确定磁性传递扭矩T能力的大小；这样当过载时，磁性主动轮和磁性从动轮滑转而随时切断传动关系，不会导致原动机过载而损坏。

4.根据权利要求1所述的一种磁吸齿轮传动机构设计方法，其特征是，所述磁性主动轮和磁性从动轮上对应耦合磁齿的磁性相反，磁性主动轮和磁性从动轮上相邻磁齿的磁性按照N、S、N、S……排列；根据磁场同极相互排斥，异极相互吸引原理，磁性主动轮和磁性从动轮产生磁性传递扭矩T；所述磁性主动轮和磁性从动轮的齿数为偶数。