CN109139854A - 一种磁吸式行星齿轮的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种磁吸式行星齿轮机构设计方法，用于解决磁吸式行星齿轮传动的技术问题。它包括磁性太阳轮、磁性中心轮、磁性行星轮、小传动轴、大传动轴、套筒，中心轮和磁性行星轮轴向并联，磁性太阳轮分别与磁性中心轮和磁性行星轮轴向串联；轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁极相同产生轴向互斥力，实现自动调心，形成不完全轴向耦合区域；磁齿块之间作用力通过吸引力和互斥力的大小相互补偿，实现稳定的传动扭矩。发明有益效果：从根本上消除了机械啮合产生的噪声和振动，并且增加传动系统的可靠性；转矩密度高和具有固定的峰值，减小了传动的回差，当过载时，自动解耦，切断传动关系，保护原动机。

Description

一种磁吸式行星齿轮的设计方法

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式行星齿轮机构设计方法。

背景技术

传统的机械齿轮传动的特点包含具有固定的传动比、传递效率较高、体积范围小、可靠性高以及传动结构紧凑等多种特点。

其中，机械式行星齿轮的优点包括较大比值的传动比、传动结构更紧凑和同时还具备的过载能力和可靠性以及啮合度。

因此各种形式的齿轮传动机构在各个领域具有普遍的应用，涉及的行业其中包括纺织业、冶金和矿业、国防科技零部件的设计、军工行业、新型能源方向和舰船传动技术领域等。

包含机械式行星齿轮在内的齿轮减速器或变速传动机构装置在以上行业长久以来占有很高的比重，机械式齿轮减速器通过输入轴与输出轴两轮齿的直接接触机械式啮合，实现转矩的传递和改变改变传动轴的转速。虽然机械齿轮传动的技术日益成熟，但是机械是接触式啮合传动，必定存在传统机械传动难以消除的缺陷：首先，普通齿轮之间的传动依靠两齿轮齿面接触为刚性啮合，过载时由于生局部高温使其轮齿粘结在一起发生齿面胶合，甚至破坏齿轮的齿廓形状塑性变形，以及齿轮轮齿折断等导致机构在传动过程中失效或严重损坏。

同时，传动过程中会产生振动、摩擦和噪声等，长时间工作会加快齿轮传动机构的磨损，所以普通机械式齿轮传动系统需要定期的维护保养、添加润滑剂和在一定工作环境下需要进行冷却等相关措施。

其次，由于机械齿轮主动轮和从动轮的传动轴不同心，导致传动机构产生齿轮偏载和轴偏心力，从而又传动机构的摩擦磨损和振动噪音问题加重，一定程度上缩短了机械齿轮的寿命周期。

再次，机械齿轮的转矩主动轮、从动轮轮齿两侧不能完全的形成空间上的隔离和密封，因此关于润滑剂泄漏等问题无法避免。

综上所述，机械式行星齿轮传动机构在材料强度以及设计精度要求以及维修和保养成本较高，使用寿命周期短，特别是当要求在无噪音或无尘以及有毒液体运输的工作环境中，机械行星齿轮传动机构不再适用。

近几十年来，科研人员致力于克服传统机械行星齿轮的缺点和不足，研发出了利用永磁体磁齿块代替机械轮齿的磁吸式行星齿轮，通过永磁体的磁齿块相互作用力达到传递转矩和传动比转换的目的。

永磁齿轮相互之间不需要直接接触，所以不存在机械摩擦，从而在本质上消除了由于机械齿轮相互接触而引发的一系列振动、磨损和噪声等问题。

同时，磁吸式行星齿轮的输入、输出两侧在空间上完全隔离，其主要特点为磁性太阳轮、磁性中心轮通过磁性行星轮与之轴向磁场耦合传动转矩，并具有固定的峰值转矩和较好的密封性和清洁性较好的优势。

最重要的是，磁吸式行星齿轮过载能力强，由于机械齿轮的传递转矩是通过轮齿之间的机械式直接接触啮合进行的，负载过高时，若没有相应的保护措施，容易出现齿轮轮齿折断和塑性变形和损坏传动装置；当采取相应的保护措施时，会使传动机构更加复杂，不便于操控和维护。

而磁吸式行星齿轮传递转矩是依靠轴向空间磁场内的磁场力实现的，传动机构在过载情况下，相互作用永磁体耦合的两磁性轮齿之间会发生相对滑转自动解耦，实现了过载保护。

磁吸式行星齿轮是一种新型无接触式传动机构，其优点不仅是实现齿轮之间的完全隔离、消除噪音、不需特殊维护和润滑，还包括低启动转矩、过载自保护功能，因此，在磁性材料不断发展的今天，磁吸式行星齿轮在航天、军用设备、仪器仪表(医疗器械、食品加工设备)、机器人和半导体等多个领域有很好的应用远景。

而且，密封性好也是非接触式传动的一大特点，为永磁行星齿轮在人工心脏和在极端环境下(如腐蚀性物质环境)的应用创造了可能性。

磁性行星轮与磁性太阳轮通过两齿轮轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，减少齿轮传动的回差，在工业机器人应用方面有更好的前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁吸式行星齿轮机构设计方法，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：

一种磁吸式行星齿轮的设计方法，包括磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3、小传动轴4、大传动轴5、套筒6；

所述磁性太阳轮1与磁性行星轮3之间为轴向磁场耦合，磁性行星轮3与磁性中心轮2为轴向磁场耦合；

依据磁性行星轮3和磁性中心轮2磁齿块的齿廓在基圆内侧，磁性中心轮2轴向耦合面的磁齿块的磁极为N,S,N,S,N……分布,磁性中心轮2与磁性行星轮3通过两齿轮轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，从而通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，形成不完全轴向耦合区域；

依据磁性太阳轮1磁齿块的齿廓在基圆外侧，磁性行星轮3与磁性太阳轮1轴向耦合面的磁齿块的磁极为S,N,S,N,S……分布,磁性行星轮3与磁性太阳轮1通过两齿轮轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，形成不完全轴向耦合区域；

根据磁性中心轮与2磁性行星轮3的轴向耦合关系和磁性行星轮3与磁性太阳轮行1的轴向耦合，确定磁性中心轮与磁性行星以及太阳轮三者之间的位置关系；

确定磁性中心轮2和磁性行星轮3并联，磁性太阳轮1分别与磁性中心轮2和磁性行星轮3串联。

进一步的，磁性中心轮2通过大传动轴5和轴套6与磁性太阳轮1串联，磁性行星轮3通过小传动轴4与磁性太阳轮1串联，连接磁性中心轮2和磁性行星轮3的传动轴分别在磁性太阳轮轴向端面不同轴孔处，磁性中心轮2和磁性行星轮3并联。

进一步的，磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3磁齿块的大小相同，磁性行星轮3的中心距离磁性中心轮2轴心的距离L通过磁性太阳轮1的半径R,磁性中心轮2的半径r₁,磁性行星轮3的半径r₂,磁齿块的高度h，磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3之间的位置关系为：

2h+r₁+r₂＝R (1)

L＝h+r₁ (2)

进一步的，磁性中心轮2与磁性行星轮3轴向磁场耦合之间的相互作用力通过磁齿块的相对旋转按不完全耦合区域中轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力按照生成→增大→减小→消失的变化周期，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力的大小按照消失→减小→增大→生成变化周期，磁齿块之间作用力通过吸引力和互斥力的大小相互补偿，从而实现稳定的传动扭矩；

进一步的，磁性中心轮2和磁性行星轮3并联与磁性太阳轮1通过大小相同的磁齿块轴向非接触耦合，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。

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、磁吸式行星齿轮传动能够消除普通机械式行星齿轮传动副的接触摩擦，无需润滑，从根本上消除齿轮机械啮合产生的噪声和振动，并且增加传动系统的可靠性。

2、磁吸式行星齿轮传动机构由于是轴向磁场耦合比径向耦合磁场永磁体传动机构转矩密度高。

3、磁吸式行星齿轮传动机构可以通过增加磁性行星齿轮3的个数来提高转矩密度，增大传动扭矩。

4、轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，从而通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，减小传统机械式行星齿轮的回差。

5、磁吸式行星齿轮是通过磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3三个通过磁极之间相互作用力形成不完全轴向耦合区域，过载时磁性中心轮与磁性行星轮磁齿之间发生相对滑转，然后自动解耦，具有过载保护作用。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构等轴侧示意图；

图2为本发明实施例的右上整体结构主视示意图；

图3为本发明实施例的右上整体结构左视示意图；

图中：1—磁性太阳轮；2—磁性中心轮；3—磁性行星轮；4—小传动轴；5—大传动轴6—套筒

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1-3所示，一种磁吸式行星齿轮的设计方法，该设计包括磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3；磁性太阳轮1与磁性行星轮3之间为轴向磁场耦合，磁性行星轮3与磁性中心轮2为轴向磁场耦合，磁性中心轮轴向耦合面的磁齿块的磁极为N,S,N,S,N……分布,磁性中心轮2与磁性行星轮3通过两齿轮轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，从而通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，形成不完全轴向耦合区域，磁性太阳轮1磁齿块的齿廓在基圆外侧，磁性行星轮3与磁性太阳轮行星1轮轴向耦合面的磁齿块的磁极为S,N,S,N,S……分布,磁性行星轮3与磁性太阳轮1通过两齿轮轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，形成不完全轴向耦合区域。

所述磁性中心轮2通过大传动轴5和轴套6与磁性太阳轮1串联，磁性行星轮3通过小传动轴4与磁性太阳轮1串联，连接磁性中心轮2大传动轴5和磁性行星轮3的小传动轴4分别在磁性太阳轮1轴向端面不同轴孔处，磁性中心轮2和磁性行星轮3并联。

在本设计中，磁吸式行星齿轮传动机中磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3之间的位置关系和传动转矩的方式，是关键研究目的。

所述磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3磁齿块的大小相同，磁性行星轮3的中心距离磁性中心轮2轴心的距离L通过磁性太阳轮1的半径R,磁性中心轮2的半径r₁,磁性行星轮3的半径r₂,磁齿块的高度h，磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3之间的位置关系为：

2h+r₁+r₂＝R (1)

L＝h+r₁ (2)

所述3个磁性行星轮3圆周阵列在磁性太阳轮1圆周内侧和磁性中心轮2圆周外侧，磁性中心轮2通过单向轴向磁齿耦合带动磁性行星轮3转动，磁性行星轮3通过双向轴向磁齿耦合带动磁性太阳轮1轴向转动，达到传递扭矩的目的。

所述磁性太阳轮1和磁性行星轮3轴侧耦合的工作气隙长度与磁性中心轮2和磁性行星轮3的轴侧耦合的工作气隙长度相同，自动调心后，不完耦合区域面积相同，具备确定的转矩峰值。

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 (5)

1.一种磁吸式行星齿轮传动机构的设计方法，其特征是，包括磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3、小传动轴4、大传动轴5、套筒6；

所述磁性行星轮3与磁性中心轮2为轴向磁场耦合，磁性行星轮1和磁性中心轮2磁齿块的齿廓在基圆内侧，磁性中心轮2轴向耦合面的磁齿块的磁极为N,S,N,S,N……分布,磁性中心轮2与磁性行星轮3通过两齿轮轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，从而通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，形成不完全轴向耦合区域；

依据磁性太阳轮1磁齿块的齿廓在基圆外侧，磁性行星轮3与磁性太阳轮2轴向耦合面的磁齿块的磁极为S,N,S,N,S……分布,磁性行星轮3与磁性太阳轮1通过两齿轮轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力，通过磁齿块之间的相互作用力实现自动调心，形成不完全轴向耦合区域；

磁性中心轮2与磁性行星轮3轴向磁场耦合之间的相互作用力通过磁齿块的相对旋转按不完全耦合区域中轴向对立磁齿块磁极不同产生轴向吸引力按照生成→增大→减小→消失的变化周期，偏轴向对立磁齿块磁极相同产生轴向互斥力的大小按照消失→减小→增大→生成变化周期，磁齿块之间作用力通过吸引力和互斥力的大小相互补偿，从而实现稳定的传动扭矩。

2.根据权利要求1所述的一种磁吸式行星齿轮传动机构的设计方法，其特征是，在磁性太阳轮1、磁性中心轮2和磁性行星轮3的基圆径向端面上分别嵌入磁齿块，分别按照N,S,N,S,N……分布；磁性中心轮2通过大传动轴5和轴套6与磁性太阳轮1串联，3个磁性行星轮通过小传动轴4与磁性太阳轮1串联，连接磁性中心轮2和磁性行星轮3的传动轴分别在磁性太阳轮1轴向端面不同轴孔处，磁性中心轮2和磁性行星轮3并联。

3.根据权利要求2所述的一种磁吸式行星齿轮传动机构的设计方法，其特征是，磁性太阳轮1和磁性行星轮3轴侧耦合的工作气隙长度与磁性中心轮2和磁性行星轮3的轴侧耦合的工作气隙长度相同，自动调心后，不完耦合区域面积相同，具有确定的转矩峰值。

4.所述的一种磁吸式行星齿轮传动机构的设计方法，其特征是，磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3磁齿块的大小相同，磁性行星轮3的轴心距离磁性中心轮2轴心的距离L通过磁性太阳轮1的半径R,磁性中心轮2的半径r₁,磁性行星轮3的半径r₂,磁齿块的高度h，磁性太阳轮1、磁性中心轮2、磁性行星轮3之间的位置关系为：

2h+r₁+r₂＝R (1)

L＝h+r₁ (2)

5.根据权利要求4所述的一种磁吸式行星齿轮传动机构的设计方法，其特征是，3个磁性行星轮3圆周阵列在磁性太阳轮1圆周内侧和磁性中心轮2圆周外侧，磁性中心轮2通过单向轴向磁齿耦合带动磁性行星轮3转动，磁性行星轮3通过双向轴向磁齿耦合带动磁性太阳轮1轴向转动，达到传递扭矩的目的。