CN206135691U - 一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组 - Google Patents

Abstract

一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，属于机电传动领域。为了解决目前用于正交轴传动的永磁平面齿轮和锥齿轮传递的转矩受限的问题。本实用新型的一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，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。本实用新型采用Halbach阵列的永磁体能够产生更强的气隙磁密，能够传递的转矩更大。

Description

一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组

技术领域

本实用新型涉及机电传动领域，特别涉及一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组。

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，处于啮合区域的磁极数量比较少，因此能够传递的转矩受到了很大限制。

发明内容

本实用新型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传递的转矩受限的问题，提供了一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组。

实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，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。

本实用新型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、Halbach阵列的永磁体能够产生更强的气隙磁密，能够传递的转矩更大；

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，本实用新型适用于对噪声、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是本实用新型的用于正交轴传动的Halbach阵列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是圆柱轮中的多个瓦片形永磁体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是平面轮中的多个扇形永磁体排布在平面轮轭部的上表面外边缘处的俯视图；

图10是图1的俯视图；

图11是图1的左视图；

图12是瓦片形永磁体采用平行充磁的结构示意图；

图13是瓦片形永磁体采用径向充磁的结构示意图。

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、第三型瓦片形永磁体5-3、第四型瓦片形永磁体5-4、保护套体6、上端环7、外保护套8、扇形永磁体9、第一型扇形永磁体9-1、第二型扇形永磁体9-2、第三型扇形永磁体9-3、第四型扇形永磁体9-4、内保护套10、平面轮轭部11、轴向中心孔二11-1、键槽二11-2。

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Halbach阵列式永磁面齿轮组，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13所示，具体实施方式一所述的一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1包括圆柱轮轭部4和多个瓦片形永磁体5；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、多个第二型瓦片形永磁体5-2、多个第三型瓦片形永磁体5-3及多个第四型瓦片形永磁体5-4，所述的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、多个第三型瓦片形永磁体5-3及多个第四型瓦片形永磁体5-4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、多个第二型瓦片形永磁体5-2、多个第三型瓦片形永磁体5-3及多个第四型瓦片形永磁体5-4依次按照第一型瓦片形永磁体5-1、第二型瓦片形永磁体5-2、第三型瓦片形永磁体5-3及第四型瓦片形永磁体5-4的排列顺序循环排列设置（即采用Halbach阵列形式）形成圆环状的永磁体，多个第一型瓦片形永磁体5-1及多个第三型瓦片形永磁体5-3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与第三型瓦片形永磁体5-3的充磁方向相反，所述的多个第二型瓦片形永磁体5-2及第四型瓦片形永磁体5-4均采用径向（如图13所示）或平行（如图12所示）充磁，且每相邻设置的第二型瓦片形永磁体5-2与第四型瓦片形永磁体5-4的充磁方向相反（由于永磁体采用Halbach阵列，形成单边磁场分布）；

所述的平面轮2包括平面轮轭部11和多个扇形永磁体9；所述的平面轮轭部11设有轴向中心孔二11-1，平面轮轭部11的轴向中心孔二11-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二11-2；所述的多个扇形永磁体9包括多个第一型扇形永磁体9-1、多个第二型扇形永磁体9-2、多个第三型扇形永磁体9-3及多个第四型扇形永磁体9-4；所述的多个第一型扇形永磁体9-1、多个第二型扇形永磁体9-2、多个第三型扇形永磁体9-3及多个第四型扇形永磁体9-4均竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部11的上表面的外边缘处，且多个第一型扇形永磁体9-1、多个第二型扇形永磁体9-2、多个第三型扇形永磁体9-3及多个第四型扇形永磁体9-4依次按照第一型扇形永磁体9-1、第二型扇形永磁体9-2、第三型扇形永磁体9-3及第四型扇形永磁体9-4的排列顺序循环排列设置（即采用Halbach阵列形式）形成圆筒状的永磁体，多个第一型扇形永磁体9-1和多个第三型扇形永磁体9-3均采用切向充磁且二者充磁方向相反，每相邻设置的第二型扇形永磁体9-2和第四型扇形永磁体9-4充磁方向与平面轮2的轴向平行且二者充磁方向相反（由于永磁体采用Halbach阵列，形成单边磁场分布）。

具体实施方式三：如图2~图4所示，具体实施方式一或二所述的一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮轭部4和平面轮轭部11均采用非导磁性材料制成。

具体实施方式四：如图2及图4所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1还包括前端环3-1、后端环3-2和保护套体6；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的前后两个端面上，所述的保护套体6紧密套装在多个瓦片形永磁体5的外侧，前端环3-1、后端环3-2和保护套体6均采用非导磁性材料制成。

设置前端环3-1、后端环3-2和保护套体6的作用都是对圆柱轮1的主体（包括圆柱轮轭部4和多个瓦片形永磁体5）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及图4所示，具体实施方式四所述的一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的前端环3-1、后端环3-2和保护套体6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Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的平面轮2还包括上端环7、外保护套8和内保护套10；所述的外保护套8和内保护套10分别紧密套装在圆筒状的永磁体的外侧和内侧，所述的上端环7通过粘结方式固定在圆筒状的永磁体的上端面，上端环7、外保护套8、内保护套10均采用非导磁性材料制成。

设置上端环7、外保护套8、内保护套10的作用都是对平面轮2主体（包括平面轮轭部11和多个扇形永磁体9）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Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的上端环7、外保护套8和内保护套10均采用不锈钢或玻璃丝带材料制成。使每个扇形永磁体9能够避免结构损坏、氧化，对每个扇形永磁体9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Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1的多个瓦片形永磁体5的极对数与平面轮2的多个扇形永磁体9极对数，应满足如下关系式：

式中，和分别为圆柱轮1和平面轮2的转速，rad/s；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4、图5、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Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的多个瓦片形永磁体5的厚度与多个扇形永磁体9的厚度均相等，多个瓦片形永磁体5的轴向长度与多个扇形永磁体9的径向长度相等，采用切向充磁的多个第一型瓦片形永磁体5-1、多个第三型瓦片形永磁体5-3、多个第一型扇形永磁体9-1及多个第三型扇形永磁体9-3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、多个第三型瓦片形永磁体5-3、多个第一型扇形永磁体9-1及多个第三型扇形永磁体9-3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Halbach阵列式永磁面齿轮组，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4、图5、图8及图9所示，圆柱轮1上的多个第二型瓦片形永磁体5-2及多个第四型瓦片形永磁体5-4产生的磁场与平面轮2上的多个第二型扇形永磁体9-2和多个第四型扇形永磁体9-4产生的磁场耦合，主磁通依次经过第二型瓦片形永磁体5-2→第一型瓦片形永磁体5-1（或第三型瓦片形永磁体5-3）→第四型瓦片形永磁体5-4→气隙→第二型扇形永磁体9-2→第一型扇形永磁体9-1（或第三型扇形永磁体9-3）→第四型扇形永磁体9-4→第二型瓦片形永磁体5-2形成闭合回路。Halbach阵列的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11）形成单边磁场分布，气隙磁场得到明显增强，能够传递的转矩变大。

由于永磁体（包括多个瓦片形永磁体5和多个扇形永磁体9）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，两个轮子在耦合区域，固定在圆柱轮轭部4的外圆周面上的多个瓦片形永磁体5的外圆周面的中心与由多个扇形永磁体9组成的圆筒状的永磁体的外圆周面的中心并不是正对的，会错开一定的角度，负载越大，错开的角度也越大。当圆环状的永磁体的外圆周面的中心与圆筒状的永磁体的外圆周面的中心错开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，两个轮将产生“相对滑动”，齿轮组不能正常工作，也即发生了过载保护。

Claims (9)

1.一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，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）和多个瓦片形永磁体（5）；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）、多个第二型瓦片形永磁体（5-2）、多个第三型瓦片形永磁体（5-3）及多个第四型瓦片形永磁体（5-4），所述的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）、多个第三型瓦片形永磁体（5-3）及多个第四型瓦片形永磁体（5-4）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）、多个第二型瓦片形永磁体（5-2）、多个第三型瓦片形永磁体（5-3）及多个第四型瓦片形永磁体（5-4）依次按照第一型瓦片形永磁体（5-1）、第二型瓦片形永磁体（5-2）、第三型瓦片形永磁体（5-3）及第四型瓦片形永磁体（5-4）的排列顺序循环排列设置形成圆环状的永磁体，多个第一型瓦片形永磁体（5-1）及多个第三型瓦片形永磁体（5-3）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）与第三型瓦片形永磁体（5-3）的充磁方向相反，所述的多个第二型瓦片形永磁体（5-2）及第四型瓦片形永磁体（5-4）均采用径向或平行充磁，且每相邻设置的第二型瓦片形永磁体（5-2）与第四型瓦片形永磁体（5-4）的充磁方向相反；

所述的平面轮（2）包括平面轮轭部（11）和多个扇形永磁体（9）；所述的平面轮轭部（11）设有轴向中心孔二（11-1），平面轮轭部（11）的轴向中心孔二（11-1）的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二（11-2）；所述的多个扇形永磁体（9）包括多个第一型扇形永磁体（9-1）、多个第二型扇形永磁体（9-2）、多个第三型扇形永磁体（9-3）及多个第四型扇形永磁体（9-4）；所述的多个第一型扇形永磁体（9-1）、多个第二型扇形永磁体（9-2）、多个第三型扇形永磁体（9-3）及多个第四型扇形永磁体（9-4）均竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部（11）的上表面的外边缘处，且多个第一型扇形永磁体（9-1）、多个第二型扇形永磁体（9-2）、多个第三型扇形永磁体（9-3）及多个第四型扇形永磁体（9-4）依次按照第一型扇形永磁体（9-1）、第二型扇形永磁体（9-2）、第三型扇形永磁体（9-3）及第四型扇形永磁体（9-4）的排列顺序循环排列设置形成圆筒状的永磁体，多个第一型扇形永磁体（9-1）和多个第三型扇形永磁体（9-3）均采用切向充磁且二者充磁方向相反，每相邻设置的第二型扇形永磁体（9-2）和第四型扇形永磁体（9-4）充磁方向与平面轮（2）的轴向平行且二者充磁方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的圆柱轮轭部（4）和平面轮轭部（11）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Halbach阵列式永磁面齿轮组，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）和保护套体（6）；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）的前后两个端面上，所述的保护套体（6）紧密套装在多个瓦片形永磁体（5）的外侧，前端环（3-1）、后端环（3-2）和保护套体（6）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Halbach阵列式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的前端环（3-1）、后端环（3-2）和保护套体（6）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Halbach阵列式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的平面轮（2）还包括上端环（7）、外保护套（8）和内保护套（10）；所述的外保护套（8）和内保护套（10）分别紧密套装在圆筒状的永磁体的外侧和内侧，所述的上端环（7）通过粘结方式固定在圆筒状的永磁体的上端面，上端环（7）、外保护套（8）、内保护套（10）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Halbach阵列式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的上端环（7）、外保护套（8）和内保护套（10）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Halbach阵列式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的圆柱轮（1）的多个瓦片形永磁体（5）的极对数与平面轮（2）的多个扇形永磁体（9）极对数，应满足如下关系式：

式中，和分别为圆柱轮1和平面轮2的转速，rad/s；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Halbach阵列式永磁面齿轮组，其特征在于：所述的多个瓦片形永磁体（5）的厚度与多个扇形永磁体（9）的厚度均相等，多个瓦片形永磁体（5）的轴向长度与多个扇形永磁体（9）的径向长度相等，采用切向充磁的多个第一型瓦片形永磁体（5-1）、多个第三型瓦片形永磁体（5-3）、多个第一型扇形永磁体（9-1）及多个第三型扇形永磁体（9-3）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）、多个第三型瓦片形永磁体（5-3）、多个第一型扇形永磁体（9-1）及多个第三型扇形永磁体（9-3）的极弧系数相同。

9.根据权利要求1所述的一种用于正交轴传动的Halbach阵列式永磁面齿轮组，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。