CN110094483B - 磁齿轮、磁齿轮传动器及电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁齿轮，其包括轮齿和齿槽。轮齿包含第一接触面、第二接触面和齿顶。第一接触面处设置有第一磁源，第二接触面处设置有第二磁源，齿顶处设置有第三磁源，齿槽处设置有第四磁源。第一磁源和第二磁源用于产生两个磁齿轮啮合时的排斥力。第三磁源和第四磁源用于产生两个磁齿轮啮合时的吸引力。磁齿轮结构内设置磁源，通过磁源的作用力有利于磁齿轮实现高转速传动。磁齿轮与磁齿轮啮合的接触面设置的磁源用于产生排斥力，通过磁源间排斥力有利于降低阻力和磁齿轮的磨损，延长磁齿轮寿命。齿顶与齿槽设置的磁源用于产生吸引力，有利于校准磁齿轮啮合位置，提高磁齿轮传动的精确性。

Description

磁齿轮、磁齿轮传动器及电机

技术领域

本发明涉及一种新型的磁齿轮，及具有该磁齿轮的磁齿轮传动器和电机。

背景技术

磁齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，磁齿轮机构在工业产品中广泛应用，其设计与制造水平直接影响到工业产品的质量。磁齿轮轮齿相互扣住，磁齿轮会带动另一个磁齿轮转动来传送动力。

现今的磁齿轮通过两磁齿轮之间啮合进行传动，存在有硬性接触的接触面，负载大，受到猛烈冲击时易造成磁齿轮的磨损，降低磁齿轮的传动精度，从而降低磁齿轮的传动效率。如今还出现有磁性磁齿轮，是一个不具有传统磁齿轮齿型的传动装置，利用磁耦合力相吸相斥达到传动的目的。但现今的磁性磁齿轮传动精度较低，较高负载或高速传动下，通过磁力耦合作用传动增加磁齿轮磁体的铁损耗，减低磁齿轮的传动效率。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种高转速、低负载的磁齿轮。

本发明的第二目的是提供一种高转速、低负载的磁齿轮传动器。

本发明的第三目的是提供具有高转速、低负载的磁齿轮的电机。

为实现上述的第一目的，本发明提供一种磁齿轮，其包括轮齿和齿槽。轮齿包含第一接触面、第二接触面和齿顶。第一接触面处设置有第一磁源，第二接触面处设置有第二磁源，齿顶处设置有第三磁源，齿槽处设置有第四磁源。第一磁源和第二磁源用于产生两个磁齿轮啮合时的排斥力。第三磁源和第四磁源用于产生两个磁齿轮啮合时的吸引力。

由上述方案可见，磁齿轮结构内设置磁源，通过磁源的作用力有利于磁齿轮实现高转速传动。磁齿轮与磁齿轮啮合的接触面设置的磁源用于产生排斥力，有利于磁齿轮在高速旋转传动时，通过磁源间排斥力削弱磁齿轮传动之间的硬性接触，降低阻力和磁齿轮磨损，延长磁齿轮寿命。齿顶与齿槽设置的磁源用于产生吸引力，有利于校准磁齿轮啮合位置，提高磁齿轮传动的精确性。

进一步方案为，沿磁齿轮轴向，磁齿轮包括上轮齿、下轮齿和中部导向转动部；上轮齿、下轮齿和中部导向转动部沿磁齿轮轴向各占磁齿轮的三分之一。有利于提高磁齿轮传动的结构稳定性，降低负载，进一步适应高速传动。

进一步方案为，中部导向转动部沿磁齿轮周向分布有第一磁源阵列；沿磁齿轮轴向投影，上轮齿的磁源、下轮齿的磁源和第一磁源阵列的磁源的投影沿径向共线分布，且磁极一致。有利于提高磁齿轮与磁齿轮之间啮合的准确性，减少不同磁源之间的相互干扰，进一步提高磁轮传动的稳定性。

进一步方案为，上轮齿和下轮齿具有弧形齿面。有利于进一步减少摩擦，降低传动负载，还有利于增大磁源的工作面，提高磁齿轮传动的稳定性，使磁齿轮适应高速传动。

为实现本发明的第二目的，提供一种磁齿轮传动器，磁齿轮为上述磁齿轮，磁齿轮包括第一磁齿轮和第二磁齿轮；第一磁齿轮的轮齿为凹面齿；第二磁齿轮的轮齿为凸面齿；第一磁齿轮与第二磁齿轮之间的工作面沿磁齿轮周向呈V型分布。凹凸齿面的啮合结构有利于进一步减低磁齿轮之间传动的阻力，减少摩擦。有利于提高磁齿轮传动器的转动惯量，增强磁齿轮转动的惯性，削弱外部因素对磁齿轮转动的干扰。V型的工作面分布，有利于提高磁齿轮传动器的结构可靠性，提高磁齿轮啮合的稳定性。

另一步方案为，提供一种磁齿轮传动器，磁齿轮传动器为行星轮组结构；磁齿轮传动器包括作为太阳轮的第一磁齿轮、作为行星轮的第二磁齿轮和作为齿圈的第三磁齿轮。行星磁齿轮组的设置有利于提高磁齿轮传动器的结构强度，有利于磁齿轮传动器获得更大传动比，有利于磁齿轮传动的运动平稳、提高抗振和抗冲击力的能力，运动可靠。

进一步方案为，第一磁齿轮和第三磁齿轮的轮齿为凹面齿；第二磁齿轮的轮齿为凸面齿。凹凸齿面的啮合结构有利于进一步减低磁齿轮之间传动的阻力，减少摩擦。有利于提高磁齿轮传动器的转动惯量，增强磁齿轮转动的惯性，削弱外部因素对磁齿轮转动的干扰。

进一步方案为，沿磁齿轮周向，第一磁齿轮和第三磁齿轮的中部导向运动部呈凸型面；第二磁齿轮的中部导向运动部呈凹型面；第一磁齿轮与第二磁齿轮之间的工作面沿磁齿轮周向呈V型分布；第二磁齿轮与第三磁齿轮之间的工作面沿磁齿轮周向呈V型分布。。V型的磁齿轮啮合工作面设置，有利于提高磁齿轮传动器的结构可靠性，提高磁齿轮啮合的稳定性。

进一步方案为，第一磁齿轮和第三磁齿轮的轴向厚度大于第二磁齿轮的轴线厚度。有利于增强磁齿轮传动器的结构强度。同时有利于提高磁齿轮传动器的转动惯量，提高磁齿轮传动器的动能，削弱外部对磁齿轮传动的影响。

为实现本发明的第三目的，电机设置有磁齿轮传动器；磁齿轮传动器为上述任一磁齿轮传动器。电机通过具有本发明的磁齿轮的磁齿轮传动器输出动力，利用磁齿轮传动器较高转动的惯性传动并驱动动较大的负载，有利于削弱外部负载变化的影响，减小电机电流波动，降低电机的发热量，降低能耗，保护电机，延长电机的使用寿命。整体提高电机工作效率。

附图说明

图1是磁齿轮实施例的磁齿轮示意图；

图2是磁齿轮实施例的磁齿轮啮合示意图；

图3是磁齿轮实施例的锥形磁齿轮啮合示意图；

图4是磁齿轮实施例的齿条啮合示意图；

图5是磁齿轮实施例的斜磁齿轮啮合示意图；

图6是磁齿轮实施例的涡轮蜗杆啮合示意图；

图7是磁齿轮实施例的行星轮结构示意图；

图8是图7的部分剖视图；

图9是图7的剖视图；

图10是电机实施例示意图。

具体实施例

磁齿轮实施例

如图1、图2所示，图中磁齿轮上标记的磁极N和S为轮齿工作面外侧磁极。磁齿轮100包括轮齿101和齿槽102。轮齿包含第一接触面103、第二接触104和齿顶105。第一接触面103处设置有第一磁源106；第二接触面104处设置有第二磁源107；齿顶105处设置有第三磁源108；齿槽102处设置有第四磁源109。第一磁源106和第二磁源107的磁场强度大于第三磁源108和第四磁源109的磁场强度。

磁齿轮100与磁齿轮200进行啮合使用。第一接触面103的第一磁源106N极和第二接触面204的第二磁源207N极相互啮合时的产生排斥力；第二接触面104的第二磁源107和第一接触面203的第一磁源206相互啮合时的产生排斥力。通过磁源之间的排斥力降低磁齿轮接触面之间的摩擦力，降低负载，提高磁齿轮传动转速。齿顶105的第三磁源108与齿槽202的第四磁源209之间存在气隙，磁源之间产生的吸引力，通过磁源的指向性进行轮齿的位置校准，有利于校准磁齿轮转动啮合的位置，提高传动精度。

磁齿轮磁源的极性不限于上述设置，还可以是第一磁源106的工作磁极设置为S极, 第二磁源107的工作磁极设置为N极, 第三磁源108的工作磁极设置为S极, 第四磁源109的工作磁极设置为N极。

本发明的磁齿轮的传动形式不限于是直磁齿轮传动，还可以是锥形磁齿轮传动，如图3所示，接触面151和接触面152设置的磁源用于产生排斥力，辅助驱动磁齿轮转动；齿顶154和齿槽155之间存在空隙156，两者皆设置有磁源用于产生吸力，通过磁源的指向性进行轮齿的位置校准。还可以是磁齿轮齿条传动，如图4所示，磁齿轮与齿条啮合传动具有接触面161和接触面162，设置有产生排斥力的磁源；齿顶163和齿槽164之间存在空隙165，齿顶163和齿槽164设置有产生吸引力的磁源。还可以是斜磁齿轮，如图5所示，磁齿轮与磁齿轮啮合具有接触面171和接触面172，设置有产生排斥力的磁源；齿顶173和齿槽174之间存在空隙175，齿顶173和齿槽174设置有产生吸引力的磁源。还可以是涡轮蜗杆传动，如图6所示，蜗轮与蜗杆啮合具有接触面181和接触面182，设置有产生排斥力的磁源；齿顶183和齿槽184之间存在空隙185，齿顶183和齿槽184设置有产生吸引力的磁源。本发明的磁齿轮传动形式还可以是其他的磁齿轮传动机构。

优选的，磁齿轮的磁源为由磁性材料与填充材料混合的磁性填充物，磁性填充物通过填充工艺固定在磁齿轮上。

优选的，磁齿轮的啮合齿的弧型齿面设置有具有碳纤、石墨烯和碳炔等至少一种的高强度增强填料的抗磨层110。有利于保护磁源不受碰击而损坏，提高磁齿轮耐磨强度，降低磁齿轮的磨损，进一步地是磁齿轮适应高转速传动。同时还提高磁齿轮的承载能力，从而提高磁齿轮的工作效率。

优选的，本发明的磁齿轮的基体材料为树脂。

优选的，本发明的基体材料填充有阻燃剂。该阻燃剂包括三聚氰胺聚磷酸盐和甲基膦酸二甲酯，其对环氧树脂的阻燃性能优良，有利于提高耐磨预浸料的耐水性和拉伸强度。可选的，该阻燃剂还可以由蒙脱土、三聚氰胺和三聚氰胺聚磷酸盐组成。

优选的，本发明的齿轮的表面通过喷涂石墨烯悬浮液的方式将石墨烯展开在磁齿轮表面上成型石墨烯防护层。石墨烯悬浮液的喷涂初速度大于380m/s，该喷涂速度优选的大于420m/s。石墨烯悬浮液具有较高的喷涂初速度有利于石墨烯悬浮液在喷涂中雾化，有利于石墨烯的均匀喷涂。高速喷出的液滴撞击电磁屏蔽层时，利于将动能转化为热能，促进石墨烯的亲油基团与齿轮的基团建立化学键，还有利于石墨烯的边缘重新接合，形成平滑的防护层。极大地提高复合材料的耐磨强度和抗冲击的能力。

优选的，喷涂石墨烯悬浮液的喷嘴与齿轮之间的距离小于5.5cm。

优选的，喷涂石墨烯悬浮液之前将喷嘴预热到300℃至340℃之间。同时对齿轮进行预热处理。有利于提高石墨烯活性，也有利于提高形成动态喷雾，有利于减少石墨烯悬浮液与齿轮之间的温差，防止热胀冷缩而导致石墨烯防护涂层的脱落。

优选的，在齿轮凝胶后且完全固化前完成石墨烯悬浮液喷涂。

优选的，石墨烯锚固甲基、乙基、丙基、丁基、苯基、环己基、乙烯基、丙烯基、氨基、氨丙基、氨乙基氨丙基、巯基丙基和苯胺甲基胺基中至少一种亲油基团。石墨烯悬浮液的液体由甲醇、乙醇、丙酮、丁酮和DMF中的至少一种混合而成，石墨烯与石墨烯悬浮液的质量比在7%至9.5%之间。有利于降低石墨烯涂层的重叠度，增加石墨烯与齿轮表面的边缘接触，同时易于实现石墨烯的单一薄层，有利于提高复合材料的抗冲击能力。形成的石墨烯防护涂层上的石墨烯片层结构层层叠加、交错排列，通过形成弯曲的通道构成迷宫式的屏蔽架构，实现曲路密封。有利于提高石墨烯防护涂层致密性，从而其防水性能，有效地抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散。

优选的，根据图7至图9综合分析，磁齿轮传动器400为行星轮组结构,该磁齿轮传动器400包括作为太阳轮的第一磁齿轮401、作为行星轮的第二磁齿轮402和作为齿圈的第三磁齿轮403。三个第二磁齿轮402沿第一磁齿轮401周向均匀分布。沿磁齿轮轴向，磁齿轮皆包括上轮齿411、下轮齿412和中部导向转动部413。上轮齿411、下轮齿412和中部导向转动部413沿磁齿轮轴向各占磁齿轮的三分之一。上轮齿411和下轮齿412具有弧形齿面。其中第一磁齿轮401和第三磁齿轮403的轮齿为凹面齿404，第二磁齿轮402的轮齿为凸面齿405。通过凹面齿404与凸面齿405的啮合，弧形齿面的设置有利于磁齿轮工作面的平稳过渡，降低震动与噪音，有利于减小磁齿轮之间的接触阻力，有效降低磁齿轮的传动负载，使磁齿轮传动器适应高速传动。

弧形齿面的磁齿轮在上轮齿或下轮齿啮合的时候，存在接触面406和接触面407并设置有产生排斥力的磁源；在磁齿轮的两接触面之间的位置408处存在空隙409，并设置有产生吸引力的磁源。轮齿啮合时磁源之间产生的排斥力驱使第二磁齿轮倾向磁悬浮状态，通过磁源的吸引力进行磁带动以辅助磁齿轮转动。有利于提高磁齿轮件啮合的平滑性，降低轮的之间的摩擦，减小传动阻力，提高磁齿轮的传动转速，使磁齿轮适应高速传动。轮齿啮合时产生的吸引力，通过磁源的指向性进行轮齿的位置校准，有利于磁齿轮的相位校准，降低磁齿轮传动错位时的磨损，进一步提高磁齿轮传动精度，延长磁齿轮寿命。产生吸力的磁源的磁场强度小于产生排斥力的磁源的磁场强度。

沿磁齿轮周向，第一磁齿轮401和第三磁齿轮403的中部导向运动部呈凸型面4131；第二磁齿轮402的中部导向运动部呈凹型面4032；第一磁齿轮401与第二磁齿轮402之间的工作面呈V型分布、第二磁齿轮402与第三磁齿轮403之间的工作面沿磁齿轮周向呈V型分布。第一磁齿轮401、第二磁齿轮402和第三磁齿轮403的中部导向转动部沿磁齿轮周向分布有第一磁源阵列4133。沿磁齿轮轴向投影，上轮齿411的磁源、下轮齿412的磁源和第一磁源阵列4133的磁源的投影沿径向共线分布，且磁源的磁极一致。有利于增大磁齿轮磁源排斥力的工作面，进一步降低磁齿轮的摩擦阻力，降低负载，提高磁齿轮转动速度，使磁齿轮适应高速传动。

优选的，沿磁齿轮轴向，第一磁齿轮401和第三磁齿轮403的中部导向运动部两侧设置有倾斜面，倾斜面上设置有第二磁源阵列4134和第三磁源阵列4135。第三磁齿轮403的中部导向运动部两侧设置有倾斜面，倾斜面上设置有第四磁源阵列4136和第五磁源阵列4137。第二磁源阵列4134与第四磁源阵列4136设置的磁源的磁极相反，产生吸力；第三磁源阵列4135与第五磁源阵列4137设置的磁源的磁极相反，产生吸力。当第一磁齿轮401与第二磁齿轮402啮合工作时，磁源阵列之间产生的吸力，有利于磁齿轮转动时的沿轴向的相位对准，提高磁齿轮的啮合精度。当第三磁齿轮403与第二磁齿轮402啮合工作时，磁源阵列之间产生的吸力，有利于磁齿轮转动时的沿轴向的相位对准，提高磁齿轮的啮合精度。

优选的，第一磁齿轮401和第三磁齿轮403的沿磁齿轮轴向的厚度大于第二磁齿轮402的沿磁齿轮轴向的厚度。有利于增强磁齿轮传动器的结构强度。同时有利于提高磁齿轮传动器的转动惯量，提高磁齿轮传动器的动能，削弱外部对磁齿轮传动的影响。

优选的，沿磁齿轮周向，第二磁齿轮402的轮齿具有倾斜度，具有压向轴线中部法面的趋势，磁齿轮上下表面呈锥型结构，有利于提高磁齿轮传动的稳定性。

优选的，作为太阳轮的第一磁齿轮401的工作直径小于作为行星轮的第二磁齿轮402的工作直径。有利于提高磁齿轮传动器的传动扭矩，提高磁齿轮传动器的工作效率。

电机实施例

如图10所示，本发明的磁齿轮传动器500为行星轮结构，包括作为太阳轮的第一磁齿轮501、作为行星轮的第二磁齿轮502和作为齿圈的第三磁齿轮503。第一磁齿轮501通过电机主轴504安装在电机上。第二磁齿轮502通过固定轴505可旋转地安装在电机上，且沿第一磁齿轮501周向均布。第三磁齿轮503通过轴承506可转动地安装在电机上。电机通过主轴504驱动磁齿轮传动器工作，再通过第三磁齿轮503外侧的带轮结构输出动力。

电机通过磁齿轮传动器间接输出动力，首先有电机驱动本发明的磁齿轮传动器转动，该磁齿轮传动器转动存储部分动能。当外部负载增大时，利用磁齿轮传动器内存有动能克服外部负载工作，有利于削弱外部负载变化对电机的影响，减小电机电 流波动，降低电机的发热量，保护电机，延长电机的使用寿命。整体提高电机工作效率。

优选的，电机550的主轴504装载有带轮507。电机550可同时通过磁齿轮传动器500和带轮507输出动能。混合动力输出装置600包括第一带轮601、第二带轮602和传动轴603。第一带轮601固定在传动轴上，且第一带轮601通过皮带与带轮506连接。第二带轮602通过轴承可旋转地安装在传动轴603上，且通过皮带与磁齿轮传动器500的第三磁齿轮503连接；第二带轮602不工作的情况下，可空载转动。第一带轮601与第二带轮602输出转速相同。混合动力输出装置600还包括可滑动地安装在传动轴603上的啮合件604。当混合动力输出装置600的负载增大时，舵机605驱动啮合件604滑动并通过花键与第二带轮602进行啮合，使空载中的第二带轮602开始工作，输出大扭矩。通过第一带轮601和第二带轮602同时工作，由此形成双动力合成输出，实现通过较低输出动力的电机驱动较大负载，有利于提高传动载荷，减少能耗，整体的提高电机的工作效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.磁齿轮 ,包括轮齿和齿槽；

所述轮齿包含第一接触面、第二接触面和齿顶；

其特征在于：

所述第一接触面处设置有第一磁源，所述第二接触面处设置有第二磁源，所述齿顶处设置有第三磁源，所述齿槽处设置有第四磁源；

所述第一磁源和所述第二磁源用于产生两个所述磁齿轮啮合时的排斥力；

所述第三磁源和所述第四磁源用于产生两个所述磁齿轮啮合时的吸引力；

沿磁齿轮轴向，所述磁齿轮包括上轮齿、下轮齿和中部导向转动部；

所述上轮齿、所述下轮齿和所述中部导向转动部沿所述磁齿轮轴向各占该磁齿轮的三分之一；

所述中部导向转动部沿磁齿轮周向分布有第一磁源阵列；

沿磁齿轮轴向投影，所述上轮齿的磁源、所述下轮齿的磁源和所述第一磁源阵列的磁源的经过轮齿中心的投影沿径向共线分布，且磁极一致；

所述上轮齿和所述下轮齿具有弧形齿面。

2.磁齿轮传动器，包括磁齿轮，所述磁齿轮为权利要求1所述磁齿轮，其特征在于：

所述磁齿轮包括第一磁齿轮和第二磁齿轮；

所述第一磁齿轮的轮齿为凹面齿；

所述第二磁齿轮的轮齿为凸面齿；

所述第一磁齿轮与所述第二磁齿轮之间的工作面沿磁齿轮周向呈V型分布。

3.磁齿轮传动器，所述磁齿轮为权利要求1所述磁齿轮，其特征在于：

所述磁齿轮传动器为行星轮组结构；

所述磁齿轮传动器包括作为太阳轮的第一磁齿轮、作为行星轮的第二磁齿轮和作为齿圈的第三磁齿轮。

4.根据权利要求3所述磁齿轮传动器，其特征在于：

所述第一磁齿轮和所述第三磁齿轮的轮齿为凹面齿；

所述第二磁齿轮的轮齿为凸面齿。

5.根据权利要求4所述磁齿轮传动器，其特征在于：

沿磁齿轮周向，所述第一磁齿轮和第三磁齿轮的中部导向运动部呈凸型面；所述第二磁齿轮的中部导向运动部呈凹型面；

所述第一磁齿轮与所述第二磁齿轮之间的工作面沿所述磁齿轮周向呈V型分布；

所述第二磁齿轮与所述第三磁齿轮之间的工作面沿所述磁齿轮周向呈V型分布。

6.根据权利要求5所述磁齿轮传动器，其特征在于：

所述第一磁齿轮和所述第三磁齿轮的轴向厚度大于所述第二磁齿轮的轴线厚度。

7.电机，其特征在于：

所述电机设置有磁齿轮传动器；

所述磁齿轮传动器为权利要求2至6任一所述磁齿轮传动器。

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