专利名称：电磁永磁混合齿轮及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁永磁混合齿轮及其制作方法，属于传动齿轮技术领域。
背景技术：
传统的齿轮装置是靠轮齿间的啮合传递动力，属接触式传动。这种齿轮虽然已经是成熟产品，虽然加工精度和性能随加工设备的进步而不断提高，但这种齿轮的结构形式和传动方式，使其存在一些固有的缺点。如轮齿受到弯曲应力和表面接触应力而引起轮齿疲劳和齿面的磨损，因此工作寿命有限；而且轮齿的啮合面上必须采取润滑，又牵涉到对齿轮的润滑和密封等一系列问题；而且传动的齿轮在工作中还有振动和噪声等问题，在某些环境下使用效果不好。本申请人申请的中国专利电磁齿轮及其制作方法、专利申请号为200610200429.0中公开了一种电磁齿轮，解决了传统齿轮在使用中的这些问题，但是在研究中发现，由于电磁齿轮必须依靠电力维持工作，如果采用的电瓶等供电设备因故障无法供电时，电磁齿轮无法正常启动，这样就大大限制了电磁齿轮的工作范围，使其推广和运用受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁永磁混合齿轮及其制作方法，本发明的传动机理是基于麦克斯韦电磁场理论的电磁学，得到的电磁永磁混合齿轮为非接触式传动，具有无需润滑、无摩擦能耗、无磨损、传动平稳、无振动噪音、清洁无污染等优点，以克服传统齿轮装置的一些固有缺点，并且本发明的齿轮装置可以在零电流的情况下启动，保障了传动系统的正常工作。
本发明是这样实现的电磁永磁混合齿轮制作方法为，在齿轮轴上安装电磁线圈和导磁极杆，导磁极杆分为N极和S极两部分，N极和S极两部分的导磁极杆互相嵌合，围绕在齿轮轴外侧，在齿轮轴上形成沿圆周交错排列的N极、S极，得到电磁齿轮；将2个电磁齿轮平行放置在一起，留出一个间隙，电磁齿轮上磁极相异的导磁极杆靠在一起，其中一个电磁齿轮转动时，通过气隙磁场磁力的耦合作用带动另一个电磁齿轮转动。
上述的电磁永磁混合齿轮制作方法，在电磁齿轮的N极与S极之间安装永磁磁铁，这样，即使在电磁线圈未通电之前，通过2个电磁齿轮上永磁磁铁的磁性，也可启动电磁齿轮传递转矩，当电磁齿轮转动起来后，可带动发电机工作，给电磁线圈通电，电磁线圈通电后，随着通电电流的增大使电磁齿轮磁性增大，并调节电磁线圈的磁场大小，满足不同负载要求。这样，即使电磁线圈电源(如电瓶等)缺电，只要用很小的动力，也可启动电磁齿轮传动，带动发电机工作，同时给电瓶充电，这种装置可用于如汽车上，只要能推动车轮，就可带动电磁齿轮传动。
本发明的电磁永磁混合齿轮，它包括齿轮轴(9)，在齿轮轴(9)上安装有导磁套筒(3)，导磁套筒(3)上设有电磁线圈(5)，导磁套筒(3)与电磁线圈(5)之间具有一个间隙；在电磁线圈(5)两端的齿轮轴(9)上分别安装有右爪极(1)和左爪极(4)，右爪极(1)和左爪极(4)上环形设有作为电磁N极、S极的极杆(12)，这里所称的“极杆”，也可称为“极爪”、“极齿”或“轮齿”，右爪极(1)和左爪极(4)上的两两极杆(12)之间具有一个间隙，并且互相嵌合，在电磁线圈(5)外侧交错排列，形成一个N、S极相间的圆柱体。电磁永磁混合齿轮的N极与S极之间不能接触，否则电磁永磁混合齿轮上磁通将无法正常工作，因此右爪极(1)和左爪极(4)彼此不接触，右爪极(1)和左爪极(4)上极杆(12)之间的间隙大小根据实际电磁永磁混合齿轮的大小、规格来确定，没有特定的要求，但是为减小漏磁，电磁线圈(5)与导磁套筒(3)及右爪极(1)与左爪极(4)间的间隙应该尽量小，但彼此不能触碰在一起。
上述的电磁永磁混合齿轮，在右爪极(1)上安装隔磁环(2)，左爪极(4)的极杆(12)固定在隔磁环(2)上，固定更加牢固。
上述的电磁永磁混合齿轮，在隔磁环(2)上套有环形磁钢(17)，在环形磁钢(17)外套有隔磁的磁钢套圈(18)，在电磁齿轮上安装上永磁的环形磁钢(17)，提高电磁齿轮的使用性能。
上述的电磁永磁混合齿轮，电磁线圈(5)的构造包括导磁架(13)、线圈(14)和线圈架(15)，在导磁架(13)上套有线圈架(15)，线圈架(15)上安装有线圈(14)。
上述的电磁永磁混合齿轮，在齿轮轴(9)外套有箱体(6)，齿轮轴(9)的一端通过轴承(7)安装在箱体(6)上，电磁线圈(5)固定在箱体(6)上，电磁线圈(5)不随齿轮轴(9)转动，可减小转动惯量。
本发明从传动机理到结构形式完全不同于传统的齿轮，克服了传统齿轮的一些固有缺点。本发明的传动机理是基于麦克斯韦电磁场理论的电磁学。申请人在磁性物理学对材料微观理化结构和相互作用机理的研究的基础上，以及在对磁性材料的设计与加工方式的探索的基础上，将新技术、新材料、新工艺应用于磁领域，研究出本发明的电磁永磁混合齿轮。本发明具有许多常规齿轮传动不具备的优点首先是磁力齿轮为圆柱体，不需要加工轮齿，从而也就没有传统齿轮的一些固有缺陷；由于磁力齿轮是非接触传动，故而无需润滑、无摩擦能耗、无磨损、传动平稳、无振动噪音、清洁无污染；此外，它的启动力矩较低、在传动系统中具有过载保护作用、能适应不对称性、使用维护也很方便。因此本发明的电磁永磁混合齿轮是一种无污染的环保型产品。这些优点使磁力齿轮具有很好的应用前景。同时本发明利用通电线圈来产生磁场，即磁场的强弱可以通过改变线圈电流的大小来调节，从而使作用转矩可调，如果采用合适的控制系统，那么，电磁永磁混合齿轮还可随负载的变化自动调节传动转矩，使系统传动平稳，节约能耗。而且在电磁齿轮的基础上加入永磁磁铁，利用永磁磁铁使齿轮恒带有一定的磁性，即使电磁线圈电源(如电瓶等)缺电，只要用很小的动力，也可启动电磁齿轮传动，带动发电机工作，同时给电瓶充电，从而提供电磁线圈的工作电力，适用于汽车等设备上，只要能推动车轮，就可带动电磁齿轮传动。
附图1为本发明的结构示意图；附图2为齿轮轴上右爪极和左爪极的安装示意图；附图3为右爪极的结构示意图；附图4为附图3的右视图；附图5为附图4中B向示意图；附图6为左爪极的结构示意图；附图7为附图6的左视图；附图8为附图7中A向示意图；附图9为电磁线圈的结构示意图；附图10为本发明传动的磁通原理图；附图11为电磁永磁混合齿轮的使用示意图；附图12为电磁永磁混合齿轮的磁极分布图。
具体实施例方式
本发明的实施例1采用完全不导磁的材料制作齿轮轴(9)，齿轮轴(9)在传递动力时要转动，要承受转矩，但不导磁。在齿轮轴(9)上分别安装右爪极(1)和左爪极(4)，右爪极(1)(N极，如图3所示)和左爪极(3)(S极，如图6所示)，它们在结构上有差异，但相同点是一端都为环形设置的数个极杆(12)，沿圆周均布；右爪极(1)的一端为环状，将各自的所有极杆(12)连成一体。右爪极(1)和左爪极(4)上极杆的长度相等、轴向各截面的几何尺寸相同(轴向截面形状可为矩形或梯形等)、数目相等，右爪极(1)和左爪极(4)的极杆(12)互相嵌合，在齿轮外缘平行于轴线交错排列，形成一个N极、S极相间的圆柱体。其中，左爪极(4)的右端通过隔磁环(2)套在右爪极(1)上，如图6～8所示，左爪极(4)的左端为环状，悬空无支承，左爪极(4)极杆(12)的截面形状与几何尺寸与右爪极(1)的相同，所有极杆(12)的一端与一个环圈相连，极杆(12)的另一端弯曲后与另一环圈相连，该环圈套在隔磁环(2)上，并在隔磁环(2)上套有一个永磁的环形磁钢(17)，在环形磁钢(17)外套上不导磁的磁钢套圈(18)。导磁套筒(3)安装在齿轮轴(9)上，随齿轮轴(9)一起转动。在导磁套筒(3)和右爪极(1)、左爪极(4)之间形成一个环形空间，如图2所示，电磁线圈(5)从左爪极(4)的左端安装进上述环形空间，在齿轮轴(9)外套有箱体(6)，齿轮轴(9)的一端通过轴承(7)安装在箱体(6)上，电磁线圈(5)通过螺钉固定在箱体(6)上，不随齿轮轴(9)一起转动，可减小转动惯量，同时，为减小漏磁，电磁线圈(5)与导磁套筒(3)及右爪极(1)、左爪极(4)间的间隙应该尽量小，但彼此不能触碰在一起。其中，右爪极(1)、左爪极(4)、导磁套筒(3)均由导磁性能良好的软磁材料制成；隔磁环(2)、齿轮轴(9)由完全不导磁的材料制成。最后在箱体(6)安装轴承(7)的一端安装好闷盖(8)，箱体(6)另一端安装箱盖(10)和透盖(11)，保证箱体(6)内的密封性。
电磁线圈(5)由导磁架(13)、线圈(14)和线圈架(15)组成。线圈(14)绕在线圈架(15)上，线圈架(15)套在导磁架(13)上。线圈(14)由普通铜线绕制而成，缠绕的圈数根据齿轮传递转矩的大小而定，线圈(14)的两个线头置于同一端经箱体(6)壁上的孔引出，与电源及控制装置相连，根据负载的变化控制电流或电压的大小。线圈架(15)的厚度应很薄，线圈架(15)和导磁架(13)均由导磁性能良好的材料制成。
在电磁齿轮的齿轮轴(9)上安装永磁的环形磁钢(17)，可以在电磁线圈(5)未通电之前，通过2个齿轮上环形磁钢(17)的磁性，启动齿轮装置，并传递一定的转矩，齿轮装置启动后可带动发电装置产生电流输入电磁线圈(5)，随着电磁线圈(5)中的电流增加，极杆(12)的磁通密度也随之增加，齿轮装置的传递转矩相应提高，这样即使在电磁线圈(5)未通电之前，通过2个齿轮上环形磁钢(17)的永磁磁性，也可启动齿轮装置传递转矩，当齿轮装置转动起来后，可带动发电机工作，给电磁线圈(5)通电，电磁线圈(5)通电后，随着电流的增大使电磁齿轮的磁性增大，并调节电磁线圈(5)的磁场大小，即可满足不同负载要求。这样，即使电磁线圈电源(如电瓶等)缺电，只要用很小的动力，也可启动电磁齿轮传动，带动发电机工作，同时给电瓶充电，这种装置可用于如汽车上，只要能推动车轮，就可带动电磁齿轮传动，从而启动电磁齿轮正常的工作。而且在传动结束后，随着电磁线圈(5)中的电流减少，齿轮装置的传递转矩相应减小，由于2个电磁齿轮上永磁磁铁的磁性作用，当齿轮装置过载时主从动齿轮相对打滑，对传动系统起到过载保护作用。
电磁永磁混合齿轮安装好以后，首先转动主动齿轮，带动发电装置产生的电流将电磁线圈(5)通电，在电磁线圈(5)内产生磁通，使其右端为N极，左端为S极。导磁套筒(3)被磁活，磁通沿轴向经右爪极(1)的圆环到右极爪(1)的极杆(12)，使极杆(12)带N极磁性；电磁线圈(5)左端的磁通经导磁架(13)到左爪极(4)的极杆(12)，使极杆(12)带S极性。由于右爪极(1)和左爪极(4)的极杆(12)相互嵌合，所以，在电磁永磁混合齿轮的圆周上形成N、S相间的磁性分布，如图12所示。
工作原理一对电磁永磁混合齿轮工作时构成外啮合齿轮传动如图11所示，由于电磁线圈(5)的作用，两齿轮外缘均匀相间分布着N极和S极，因异性相吸、同性相斥的缘故在静止时保持两个极性靠在一起(不相接触)，当主动齿轮转动时，由于两极性的耦合带动从动齿轮转动。主、从动齿轮的两个异性极杆(12)之间的间隙，构成传递动力的气隙磁场。在其它条件相同时，气隙高度直接影响齿轮传递磁转矩的大小。当电磁线圈(5)通有电流时，导磁套筒(3)被磁活，磁通沿轴向经右爪极(1)的圆环到右极爪(1)的极杆(12)(N极)，然后磁通经气隙磁场到从动齿轮的极杆(12)(S极)，再由气隙磁场返回，经主动齿轮的左爪极(4)的圆环、导磁架(13)，再经导磁套筒(3)，回到右爪极(N极)，从而形成闭合的齿轮主磁通路径，如图10所示。
本发明的实施例2设计一对直齿圆柱齿轮，传动比为1∶1，基本参数如下右爪极(1)、左爪极(4)和导磁套筒(3)的材料均选用10号钢，齿轮轴(9)、隔磁环(2)材料选用不锈钢。主、从动轮的右爪极(1)、左爪极(4)的极杆(12)数均为6，右爪极(1)和左爪极(4)的外径D1＝83mm，内径D2＝66mm，极杆长度L＝39mm，气隙磁场高度tg＝0.5mm，电磁线圈(5)采用的铜线直径d＝0.77mm，缠绕层数m＝4，线圈单位长度匝数n＝20匝/cm。先制作齿轮轴(9)，然后在齿轮轴(9)上分别安装右爪极(1)和左爪极(4)，右爪极(1)和左爪极(4)的极杆(12)互相嵌合，在齿轮外缘平行于轴线交错排列，形成一个N极、S极相间的圆柱体。其中，左爪极(4)的右端通过隔磁环(2)套在右爪极(1)上，左爪极(4)的左端为环状，悬空无支承。将导磁套筒(3)安装在齿轮轴(9)上，在导磁套筒(3)和右爪极(1)、左爪极(4)之间形成一个环形空间，按照现有技术制作好电磁线圈(5)，将电磁线圈(5)从左爪极(4)的左端安装进上述环形空间，然后在齿轮轴(9)外套上一个箱体(6)，将齿轮轴(9)的一端通过轴承(7)安装在箱体(6)上，电磁线圈(5)通过螺钉固定在箱体(6)上，不随齿轮轴(9)一起转动，在箱体(6)安装轴承(7)的一端安装好闷盖(8)，箱体(6)另一端安装箱盖(10)和透盖(11)，齿轮轴(9)穿过箱盖(10)和透盖(11)，保证箱体(6)内的密封性。
权利要求
1.一种电磁永磁混合齿轮制作方法，其特征在于在齿轮轴上安装电磁线圈和导磁极杆，导磁极杆分为N极和S极两部分，N极和S极两部分的导磁极杆互相嵌合，围绕在齿轮轴外侧，在齿轮轴上形成沿圆周交错排列的N极、S极，得到电磁齿轮；将2个电磁齿轮平行放置在一起，留出一个间隙，电磁齿轮上磁极相异的导磁极杆靠在一起，其中一个电磁齿轮转动时，通过气隙磁场磁力的耦合作用带动另一个电磁齿轮转动。
2.根据权利要求1所述的电磁永磁混合齿轮制作方法，其特征在于在电磁齿轮的N极与S极之间安装永磁磁铁，在电磁线圈未通电之前，通过2个电磁齿轮上永磁磁铁的磁性，启动电磁齿轮传递转矩，当电磁齿轮转动起来后，可带动发电机工作，给电磁线圈通电，电磁线圈通电后，随着通电电流的增大使电磁齿轮磁性增大，调节电磁线圈的磁场，满足不同负载要求。
3.如权利要求1所述的电磁永磁混合齿轮，它包括齿轮轴(9)，其特征在于在齿轮轴(9)上安装有导磁套筒(3)，导磁套筒(3)上设有电磁线圈(5)，导磁套筒(3)与电磁线圈(5)之间具有一个间隙；在电磁线圈(5)两端的齿轮轴(9)上分别安装有右爪极(1)和左爪极(4)，右爪极(1)和左爪极(4)上环形设有作为电磁N极、S极的极杆(12)，右爪极(1)和左爪极(4)上的两两极杆(12)之间具有一个间隙，并且互相嵌合，在电磁线圈(5)外侧交错排列，形成一个N、S极相间的圆柱体。
4.根据权利要求3所述的电磁永磁混合齿轮，其特征在于在右爪极(1)上安装隔磁环(2)，左爪极(4)的极杆(12)固定在隔磁环(2)上。
5.根据权利要求4所述的电磁永磁混合齿轮，其特征在于在隔磁环(2)上套有环形磁钢(17)，在环形磁钢(17)外套有隔磁的磁钢套圈(18)。
6.根据权利要求3所述的电磁永磁混合齿轮，其特征在于电磁线圈(5)的构造包括导磁架(13)、线圈(14)和线圈架(15)，在导磁架(13)上套有线圈架(15)，线圈架(15)上安装有线圈(14)。
7.根据权利要求3所述的电磁永磁混合齿轮，其特征在于在齿轮轴(9)外套有箱体(6)，齿轮轴(9)的一端通过轴承(7)安装在箱体(6)上，电磁线圈(5)固定在箱体(6)上。
全文摘要
本发明公开了一种电磁永磁混合齿轮及其制作方法，在齿轮轴上安装电磁线圈和导磁极杆，导磁极杆分为N极和S极两部分，N极和S极两部分的导磁极杆互相嵌合，围绕在齿轮轴外侧，在齿轮轴上形成沿圆周交错排列的N极、S极，得到电磁齿轮；将2个电磁齿轮平行放置在一起，留出一个间隙，一个电磁齿轮转动时，通过气隙磁场磁力的耦合作用带动另一个电磁齿轮转动。本发明具有许多常规齿轮不具备的优点磁力齿轮为圆柱体，不需要加工轮齿，制作简单；非接触传动，无需润滑、无摩擦能耗、无磨损、传动平稳、无振动噪音、清洁无污染；还有启动力矩较低、具有过载保护作用、能适应不对称性、使用维护方便等优点。
文档编号F16H55/00GK1844710SQ200610200480
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月22日 优先权日2006年5月22日
发明者陈海虹, 陈伦军 申请人:贵州大学