本發(fā)明涉及機電傳動領域，特別涉及一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組。

背景技術：

正交軸的傳動目前多采用錐齒輪和面齒輪。錐齒輪的齒面形狀復雜，加工制造困難，不同品牌的錐齒輪參數(shù)也不同，并且在制作過程中多采用配對制造，這對錐齒輪的加工制造、檢修及維修造成很大麻煩。面齒輪由于加工需要的刀具尺寸與實際嚙合的圓柱齒輪相同，加工不同尺寸和參數(shù)的面齒輪所需要的刀具數(shù)量較多，加工成本較高；另外，面齒輪內(nèi)徑處有根切現(xiàn)象，外徑處有尖角現(xiàn)象，因此齒寬不能設計得太長，傳動強度受限。

近些年來，依靠磁性力進行動力傳遞的磁性齒輪有了很大的發(fā)展。磁性齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸傳動，避免了主動軸和從動軸間的直接機械接觸，可以減小噪音和振動，對工作環(huán)境無污染，并且具有過載保護等特點。

根據(jù)錐齒輪和面齒輪的特點，有人相應地提出了能夠?qū)崿F(xiàn)正交軸傳動的永磁平面齒輪和永磁圓錐齒輪。采用多圈磁極耦合的永磁平面齒輪采用了數(shù)量較多的永磁體，結構比較復雜，裝配麻煩；永磁圓錐齒輪的永磁體充磁方式和裝配都比較困難。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決目前用于正交軸傳動的永磁平面齒輪和錐齒輪結構復雜、制造和裝配困難的問題，提供了一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組。

實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：

一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，其組成包括兩個輪，所述的兩個輪均為磁性齒輪，兩個輪分別是圓柱輪和平面輪，所述的平面輪水平設置，所述的圓柱輪設置在平面輪上方，且圓柱輪和平面輪的輪軸中心線相正交，圓柱輪和平面輪之間留有氣隙；當其中一個輪為主動輪時，另外一個輪為從動輪，所述的主動輪通過磁性力帶動從動輪轉動。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的有益效果是：

1、由于圓柱輪和平面輪沒有直接的機械接觸，該齒輪組無磨損、噪音小、傳動效率高，具有可靠性高、免維護、過載保護等優(yōu)點；

2、由于在每相鄰設置的第一型瓦片形永磁體和第二型瓦片形永磁體之間的間距內(nèi)緊密設置有一個瓦片形填充物體，使得永磁體的用量大幅減少，成本得到降低；

3、采用Halbach陣列式安裝永磁體能夠產(chǎn)生更強的氣隙磁場，因此對齒輪組的性能有較大提升。

綜上，該齒輪組的結構簡單、緊湊，方便裝配，適用于對噪聲、潔凈度和可靠性要求較高以及兩個軸系相互隔離的場合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組的軸測圖；

圖2是圓柱輪的零件分解圖；

圖3是圓柱輪的主視圖；

圖4是圖3的A-A剖視圖；

圖5是表貼式圓柱輪的多個瓦片形永磁體及多個瓦片形填充物體排布在圓柱輪軛部的外圓周面上的主視圖；

圖6是Halbach陣列式圓柱輪的多個瓦片形永磁體排布在圓柱輪軛部的外圓周面上的主視圖；

圖7是平面輪的零件分解圖；

圖8是平面輪的俯視圖；

圖9是圖8的B-B剖視圖；

圖10是Halbach陣列式平面輪的多個扇形永磁體排布在平面輪軛部的上表面的外邊緣處的主視圖；

圖11是表貼式平面輪的多個扇形填充物體及多個扇形永磁體排布在平面輪軛部的上表面的外邊緣處的主視圖；

圖12是圖1的俯視圖；

圖13是圖1的左視圖。

圖中：圓柱輪1、平面輪2、前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2、圓柱輪軛部4、軸向中心孔一4-1、鍵槽一4-2、瓦片形永磁體5、第一型瓦片形永磁體5-1、第二型瓦片形永磁體5-2、第三型瓦片形永磁體5-3、第四型瓦片形永磁體5-4、瓦片形填充物體6、保護套體7、上端環(huán)8、扇形永磁體9、第一型扇形永磁體9-1、第二型扇形永磁體9-2、第三型扇形永磁體9-3、第四型扇形永磁體9-4、外保護套10、平面輪軛部11、軸向中心孔二11-1、鍵槽二11-2、內(nèi)保護套12、平面輪軛部13、軸向中心孔二13-1、軸向中心孔二13-1、扇形填充物體14。

具體實施方式

具體實施方式一：如圖1、圖12及圖13所示，一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，其組成包括兩個輪，所述的兩個輪均為磁性齒輪，兩個輪分別是圓柱輪1和平面輪2，所述的平面輪2水平設置，所述的圓柱輪1設置在平面輪2上方，且圓柱輪1和平面輪2的輪軸中心線相正交，圓柱輪1和平面輪2之間留有氣隙（理論上，氣隙越小，能夠傳遞的轉矩越大，但應結合實際安裝空間和所需傳遞的轉矩大小綜合決定）；當其中一個輪為主動輪時，另外一個輪為從動輪，所述的主動輪通過磁性力帶動從動輪轉動。

兩個輪均安裝有永磁體，根據(jù)永磁體的安裝方式不同，分為表貼式和Halbach陣列式兩種。根據(jù)永磁體的安裝方式進行組合，本發(fā)明可有兩種組合結構形式：表貼式圓柱輪配合Halbach陣列式平面輪結構以及Halbach陣列式圓柱輪配合表貼式平面輪結構。

具體實施方式二：如圖1~圖5及圖10所示，具體實施方式一所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1為表貼式圓柱輪，所述的平面輪2為Halbach陣列式平面輪；

所述的表貼式圓柱輪包括圓柱輪軛部4、多個瓦片形永磁體5及多個瓦片形填充物體6；

所述的圓柱輪軛部4采用導磁性鐵磁材料（如純鐵或低碳鋼）制成（為相鄰瓦片形永磁體5提供磁路），所述的圓柱輪軛部4設有軸向中心孔一4-1，圓柱輪軛部4的軸向中心孔一4-1的內(nèi)壁上沿軸向開設有用于與軸系一配合的鍵槽一4-2；所述的多個瓦片形永磁體5包括多個第一型瓦片形永磁體5-1和多個第二型瓦片形永磁體5-2，所述的多個第一型瓦片形永磁體5-1和多個第二型瓦片形永磁體5-2依次交替且等間距設置并均通過粘結方式固定在圓柱輪軛部4的外圓周面上（形成磁鋼），每相鄰設置的第一型瓦片形永磁體5-1和第二型瓦片形永磁體5-2之間的間距內(nèi)緊密設置有一個瓦片形填充物體6，所述的多個瓦片形填充物體6均采用非導磁性材料（如塑料）制成，所述的多個瓦片形填充物體6均通過粘結方式固定在圓柱輪軛部4的外圓周面上，多個第一型瓦片形永磁體5-1和多個第二型瓦片形永磁體5-2均采用徑向充磁或平行充磁，且每相鄰設置的第一型瓦片形永磁體5-1及第二型瓦片形永磁體5-2的充磁方向相反；

所述的Halbach陣列式平面輪包括平面輪軛部11和多個扇形永磁體9；所述的平面輪軛部11設有軸向中心孔二11-1，平面輪軛部11的軸向中心孔二11-1的內(nèi)壁上沿軸向開設有用于與軸系二配合的鍵槽二11-2；所述的多個扇形永磁體9包括多個第一型扇形永磁體9-1、多個第二型扇形永磁體9-2、多個第三型扇形永磁體9-3及多個第四型扇形永磁體9-4；所述的多個第一型扇形永磁體9-1、多個第二型扇形永磁體9-2、多個第三型扇形永磁體9-3及多個第四型扇形永磁體9-4均豎直設置并通過粘結方式固定在平面輪軛部11的上表面的外邊緣處，且多個第一型扇形永磁體9-1、多個第二型扇形永磁體9-2、多個第三型扇形永磁體9-3及多個第四型扇形永磁體9-4依次按照第一型扇形永磁體9-1、第二型扇形永磁體9-2、第三型扇形永磁體9-3及第四型扇形永磁體9-4的排列順序循環(huán)排列設置（即采用Halbach陣列形式）形成圓筒狀的永磁體，多個第一型扇形永磁體9-1和多個第三型扇形永磁體9-3均采用切向充磁且二者充磁方向相反，每相鄰設置的第二型扇形永磁體9-2和第四型扇形永磁體9-4充磁方向與Halbach陣列式平面輪的軸向平行且二者充磁方向相反（由于永磁體采用Halbach陣列，形成單邊磁場分布），平面輪軛部11采用非導磁性材料（如塑料）制成。

具體實施方式三：如圖1~圖5、圖7及圖10所示，具體實施方式二所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的表貼式圓柱輪還包括前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護套體7；所述的前端環(huán)3-1和后端環(huán)3-2均通過粘結方式固定設置在多個瓦片形永磁體5及多個瓦片形填充物體6的前后兩個端面上，所述的保護套體7固套裝在多個瓦片形永磁體5及多個瓦片形填充物體6的外側，前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護套體7均采用非導磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使瓦片形永磁體5能夠避免結構損壞、氧化，對瓦片形永磁體5形成有效保護）；

所述的Halbach陣列式平面輪還包括上端環(huán)8、外保護套10及內(nèi)保護套12；所述的外保護套10和內(nèi)保護套12分別設置在多個扇形永磁體9的外側和內(nèi)側，所述的上端環(huán)8通過粘結方式固定在多個扇形永磁體9的上端面，上端環(huán)8、外保護套10及內(nèi)保護套12均采用非導磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使扇形永磁體9能夠避免結構損壞、氧化，對扇形永磁體9形成有效保護）。

上端環(huán)8、內(nèi)保護套12和外保護套10的作用都是對Halbach陣列式平面輪的主體部分（包括平面輪軛部11和多個扇形永磁體9）進行保護。同時Halbach陣列式平面輪的主體部分的保護結構也并不局限于這種結構，可以多種多樣。

具體實施方式四：如圖5及圖10所示，具體實施方式二或三所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的表貼式圓柱輪的瓦片形永磁體5極對數(shù)與Halbach陣列式平面輪的扇形永磁體9極對數(shù)，應滿足如下關系式：

式中，和分別為表貼式圓柱輪和Halbach陣列式平面輪的轉速，為傳動比。

本實施方式的有益效果是：可使齒輪組在運行過程中，轉矩和傳動比保持恒定，實現(xiàn)轉矩的平穩(wěn)傳遞。

具體實施方式五：如圖2及圖6所示，具體實施方式二所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的多個瓦片形永磁體5及多個瓦片形填充物體6與多個扇形永磁體9的厚度均相等，多個瓦片形永磁體5及多個瓦片形填充物體6的軸向長度與多個扇形永磁體9的徑向長度均相等。

具體實施方式六：如圖1~4、圖6~圖9及圖11所示，具體實施方式一所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1為Halbach陣列式圓柱輪，所述的平面輪為表貼式平面輪；

所述的Halbach陣列式圓柱輪包括圓柱輪軛部4和多個瓦片形永磁體5；所述的圓柱輪軛部4設有軸向中心孔一4-1，圓柱輪軛部4的軸向中心孔一4-1的內(nèi)壁上沿軸向開設有用于與軸系一配合的鍵槽一4-2；

所述的多個瓦片形永磁體5包括多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第二型瓦片形永磁體5-2、多個第三型瓦片形永磁體5-3及多個第四型瓦片形永磁體5-4，所述的多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第二型瓦片形永磁體5-2、多個第三型瓦片形永磁體5-3及多個第四型瓦片形永磁體5-4均通過粘結方式固定在圓柱輪軛部4的外圓周面上，且多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第二型瓦片形永磁體5-2、多個第三型瓦片形永磁體5-3及多個第四型瓦片形永磁體5-4依次按照第一型瓦片形永磁體5-1、第二型瓦片形永磁體5-2、第三型瓦片形永磁體5-3及第四型瓦片形永磁體5-4的排列順序循環(huán)排列設置（即采用Halbach陣列形式）形成圓環(huán)狀的永磁體，多個第一型瓦片形永磁體5-1及多個第三型瓦片形永磁體5-3均采用切向充磁，且每相鄰設置的第一型瓦片形永磁體5-1與第三型瓦片形永磁體5-3的充磁方向相反，所述的多個第二型瓦片形永磁體5-2及第四型瓦片形永磁體5-4均采用徑向或平行充磁，且每相鄰設置的第二型瓦片形永磁體5-2與第四型瓦片形永磁體5-4的充磁方向相反（由于永磁體采用Halbach陣列，形成單邊磁場分布）；

所述的表貼式平面輪包括平面輪軛部13、多個扇形填充物體14和多個扇形永磁體9；所述的平面輪軛部13采用導磁性材料（如純鐵或低碳鋼）制成（為相鄰扇形永磁體9提供磁路），平面輪軛部13設有軸向中心孔二13-1，平面輪軛部13的軸向中心孔二13-1的內(nèi)壁上沿軸向開設有用于與軸系二配合的鍵槽二13-2；所述的多個扇形永磁體9包括多個第一型扇形永磁體9-1和多個第二型扇形永磁體9-2，所述的多個第一型扇形永磁體9-1和多個第二型扇形永磁體9-2均依次交替且等間距豎直設置并通過粘結方式固定在平面輪軛部13的上表面的外周邊緣處，每相鄰設置的第一型扇形永磁體9-1和第二型扇形永磁體9-2之間的間距內(nèi)緊密設置有一個扇形填充物體14，所述的多個扇形填充物體14均采用非導磁性材料（如塑料等）制成，所述的多個扇形填充物體14均通過粘結方式固定在平面輪軛部13的上表面的外周邊緣處，多個第一型扇形永磁體9-1和多個第二型扇形永磁體9-2的充磁方向與表貼式平面輪的軸向平行，且每相鄰設置的第一型扇形永磁體9-1和第二型扇形永磁體9-2的充磁方向相反，每個扇形填充物體14和與其相鄰設置的第一型扇形永磁體9-1或第二型扇形永磁體9-2構成一個極距，多個瓦片形永磁體5的極弧系數(shù)在0.3-0.5之間，多個扇形永磁體9的極弧系數(shù)與多個瓦片形填充物體6的極弧系數(shù)保持一致。

具體實施方式七：如圖2、圖4、圖7及圖9所示，具體實施方式六所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的Halbach陣列式圓柱輪還包括前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護套體7；所述的前端環(huán)3-1和后端環(huán)3-2均通過粘結方式固定設置在多個瓦片形永磁體5的前后兩個端面上，所述的保護套體7固套裝在多個瓦片形永磁體5的外側，前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護套體7均采用非導磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使瓦片形永磁體5能夠避免結構損壞、氧化，對瓦片形永磁體5形成有效保護）；

所述的表貼式平面輪還包括上端環(huán)8、外保護套10及內(nèi)保護套12；所述的外保護套10和內(nèi)保護套12分別設置在多個扇形填充物體14和多個扇形永磁體9的外側和內(nèi)側，所述的上端環(huán)8通過粘結方式固定在多個扇形填充物體14和多個扇形永磁體9的上端面，上端環(huán)8、外保護套10及內(nèi)保護套12均采用非導磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使扇形永磁體9能夠避免結構損壞、氧化，對扇形永磁體9形成有效保護）。

具體實施方式八：如圖6及圖11所示，具體實施方式六或七所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的Halbach陣列式圓柱輪的瓦片形永磁體5極對數(shù)與表貼式平面輪的扇形永磁體9極對數(shù)，應滿足如下關系式：

式中，和分別為Halbach陣列式圓柱輪和表貼式平面輪的轉速，為傳動比。

本實施方式的有益效果是：可使齒輪組在運行過程中，轉矩和傳動比保持恒定，實現(xiàn)轉矩的平穩(wěn)傳遞。

具體實施方式九：如圖2及圖7所示，具體實施方式六所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的多個瓦片形永磁體5與多個扇形永磁體9以及多個扇形填充物體14的厚度均相等，多個瓦片形永磁體5的軸向長度與多個扇形永磁體9及多個扇形填充物體14的徑向長度均相等。

具體實施方式十：如圖12及圖13所示，具體實施方式一所述的一種用于正交軸傳動的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1的前后兩個端面與平面輪2的內(nèi)外兩條圓弧線對齊（相切）設置。

本實施方式的有益效果是：確保耦合區(qū)域盡量大，能傳遞更大的轉矩。

工作原理：此種結構兩個輪子均由永磁體直接產(chǎn)生氣隙磁通，表貼式結構直接由瓦片形永磁體5產(chǎn)生氣隙磁通，而Halbach陣列式結構的扇形永磁體9將相鄰磁極的切向磁通集中在一個扇形永磁體然后進入氣隙。所以工作時，上下輪直接產(chǎn)生氣隙磁通的兩個永磁體相對，產(chǎn)生磁性力。

由于兩輪之間產(chǎn)生的磁性力，主動輪的旋轉會帶動從動輪旋轉。當從動輪上有負載時，耦合區(qū)域內(nèi)，對于表貼式圓柱輪配合Halbach陣列式平面輪結構，其瓦片形永磁體5與多個扇形永磁體9中心并不是正對的，會錯開一定的角度，負載越大，錯開的角度也越大。當錯開90°電角度時，能夠傳遞的轉矩達到最大，當負載超過此時的最大轉矩時，兩輪將產(chǎn)生“相對滑動”，齒輪組不能正常工作，也即發(fā)生了過載保護。

而對于表貼式圓柱輪配合Halbach陣列式平面輪結構，其扇形永磁體9與瓦片形永磁體5的中心并不是正對的，會錯開一定的角度，負載越大，錯開的角度也越大。當錯開90°電角度時，能夠傳遞的轉矩達到最大，當負載超過此時的最大轉矩時，兩輪將產(chǎn)生“相對滑動”，齒輪組不能正常工作，也即發(fā)生了過載保護。