专利名称：新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的制作方法
技术领域：
本发明是一种新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，是一种利用磁性齿轮传动技术来实现高转速低力矩机械能与低转速大力矩机械能相互转换的变速传动装置，可直接取代常规的机械齿轮传动变速系统，广泛应用于风力发电、水力发电、电动汽车、 船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。
背景技术：
在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与高转速低力矩机械能的相互转换，比如风力发电和水力发电领域需要将极低转速且可变的风能、水的势能转换成高转速的发电用机械动能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将驱动电机的高速机械功率变换成转速很低而力矩很大的机械功率。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，现有公知的普遍方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，长期以来机械齿轮传动技术的基本形式没有变化，即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进行传动。这就给齿轮传动带来了一些不可消除的问题，如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音等，尽管可以采用油脂润滑技术，但以上问题依旧无法根除，导致使用维护极其繁琐，而且机械式齿轮传动的理论效率最多也只能达到85%，而常规高变速比的机械齿轮变速系统传动效率更低、噪声更大、可靠性很差，整个传动系统体积大。固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需要在更宽转速范围的多级、分档调速机构结构复杂，无法适应越来越多的无级变速的传动技术要求。我国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，大力发展稀土材料的应用对我国有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁材料在电驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的各类电机产品，其单位体积材料传送的力矩密度大，能源利用效率高而能耗小， 显示出其稀土材料巨大的优越性。近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破，2004年英国工程师从理论和样机的具体实践上完成了一种新型径向磁场磁性齿轮的设计工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点，这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域；但是，英国人提出的磁性齿轮结构采用传递力矩相对较小的径向磁场结构，这种径向磁场结构的磁性齿轮所传递的功率密度和力矩密度都不及横向磁场结构的磁性齿轮。本案发明人在之前的多项专利申请案(201110142746. 2,201120177813. X,201110170001. 7,201120210494. 8 及 201120327120. 4)中也分别首次提出了新型横向磁场结构和斜向磁场结构的磁性传动齿轮副新结构以及其具体应用结构。以上提出的关于磁性齿轮各种新结构方案都有一个共同特点，即都是采用磁场调制原理来对主动轮和从动轮的不同极数的永久磁场进行调制，具体在结构上的方法就是在主动轮和从动轮之间加设了一个具有定向定数的导磁栅铁心做导磁极，从而有目的地隔离两个不同极数的传动轮。以上几种基于磁场调制技术而设计的磁性齿轮从理论原理到结构方案上存在两大致命的不足第一，从理论上看，起磁场调制作用的导磁栅铁心极(齿)数必须满足约束条件，从而导致磁性齿轮在运转传动的任意时刻都只有不到一半的永磁体处于相互磁场耦合的工作状态，有一半以上的永磁体磁极处于闲置的非耦合状态，即稀土永磁体的利用率理论上就低于50% ;第二，从结构上看，加设导磁栅铁心必然使磁性齿轮副具有了两个气隙，将必然消耗稀土永磁体的大量磁动势，根据稀土磁材的退磁特性可知如果不加厚磁极厚度则必然导致处于耦合工作状态的永磁体磁通量降低，从而影响所传递的扭矩大小。这两大缺陷导致基于磁场调制技术的磁性齿轮所耗用的昂贵稀土材料的量相对比较大。所以，要降低磁性齿轮传动技术的成本，就必须从原理上突破磁场调制技术的理论约束，并且从结构设计上跳出双气隙的结构制约。
发明内容针对现有机械式齿轮传动技术存在的问题以及目前公知的、基于磁场调制技术的磁性传动齿轮副的两大致命缺陷，本技术发明的目的在于提供一种新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副新结构。本发明的基本构思是，借鉴机械齿轮传动领域的新型少齿差行星齿轮传动的原理，将输入给偏心结构的行星轮的公转通过永磁材料N极与S极异极性相吸引的原理来实现行星轮的自转，经孔销式输出结构将行星轮自转输出，从而实现了无机械接触、无摩擦的动力变速传动。以下结合图2、图3来说明这种新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的原理及结构特征，图中项1为大磁盘永磁体，项2为行星磁盘永磁体，项3为偏心输入轴，项4为大磁盘盖，项5为行星轮盘，项6为机壳，项7为销轴套，项8为转动盘，项9为轴承一，项10为输出轴，项11为后端盖，项12为轴承二，项13为轴承三；图中符号标识N表不极性为N的永磁体,S表不极性为S的永磁体,a表不行星轮盘5与大磁盘盖4的偏心距， Dj表不大磁盘永磁体1的外径，D2表不行星磁盘永磁体2的外径，叫、表不偏心输入轴3 的输入转速和输入力矩，n2、T2表示输出轴10的输出转速和输出力矩,2Pi表示大磁盘永磁体1的分布极数，2p2表示行星磁盘永磁体2的分布极数，d。表示销轴套7的外径，dH表示行星轮盘5上的销轴孔的内径，A表示A向视图代号。从图2的工作原理拓扑图可知，新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的工作原理与机械式的K-H-V型少齿差行星齿轮类似偏心输入轴3带动行星轮盘5绕旋转轴线公转，偏心公转的行星轮盘上的行星磁盘永磁体2与大磁盘永磁体1通过磁场耦合驱使行星轮盘绕自身轴线反向自转，再通过孔销式输出结构或图中虚线所示的双万向节机构将行星轮盘的低速自转输出。从图2与图3可知第一，从理论上突破了磁场调制技术的约束，取消了导磁栅铁心，两磁盘上的永磁体呈少极差特征，通过少极差耦合把基于磁场调制技术的磁性齿轮小于50%的磁极耦合面积提高到了 70%左右，理论上可以达到75%，图 3所示的A向视图阴影斜线遮盖部分展示出两磁盘上永磁体耦合的区域大小；第二，采用平面的横向磁场单气隙结构，比磁场调制技术的磁性齿轮减少一个气隙，从而在达到相同磁通量的条件下可大大减小永磁体的厚度。新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的结构特征是(一 )、新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由其上分布有2Pl个大磁盘永磁体1的圆盘形大磁盘、其上分布有2p2个行星磁盘永磁体2的圆盘形行星磁盘、以及偏心输入轴3、轴承二 12、轴承三13构成一对磁性传动齿轮副,两磁盘上的永久磁场穿过两磁盘之间的平面气隙而相互稱合，形成磁性传动齿轮副的横向磁场；大磁盘永磁体1的分布极数2Pl与行星磁盘永磁体2的分布极数2p2之间极数差较小，极对数Pl和p2为正整数对，并满足以下关系约束Pi > p2,且 1 < P「P2 < 4 ；( 二)、新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘与行星磁盘呈偏心分布结构，由套装有轴承二 12、轴承三13的偏心输入轴3将少极差的两磁盘连接成偏心结构；其中，行星轮盘5与大磁盘盖4的偏心距a、大磁盘永磁体1外径Di、行星磁盘永磁体2外径D2、以及极对数Pl和p2满足以下结构关系式约束Di + D2 = Pi + P2 且 a = 0. 5X (DfD2)；(三)、绕偏心输入轴(3)与中心轴线公转的行星轮盘5后端通过孔销式输出结构与销轴套7、转动盘8、输出轴10连接，将偏心距为a的行星轮盘5的自转转换到输出轴10 旋转中心转动的孔销式结构尺寸，即销轴套7的外径d。、行星轮盘5销轴孔的内径dH，必须满足以下结构关系约束dH = d0+2a ；(四)、新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由螺栓将大磁盘盖4、后端盖11与机壳6紧固装配为整体结构,其输出方式分为两种一为机壳6固定而输出轴10 旋转输出力矩'和转速n2，二为输出轴10固定而机壳6旋转输出力矩T2和转速n2，其输入和输出的旋转方向彼此相反，传动关系满足以下关系约束
权利要求1.新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，其特征是一、新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由其上分布有如工个大磁盘永磁体(1)的圆盘形大磁盘、其上分布有2p2个行星磁盘永磁体(2)的圆盘形行星磁盘、以及偏心输入轴(3)、轴承二(12)、轴承三(13)构成一对磁性传动齿轮副,两磁盘上的永久磁场穿过两磁盘之间的平面气隙而相互耦合，形成磁性传动齿轮副的横向磁场；大磁盘永磁体(1)的分布极数2Pl与行星磁盘永磁体(2)的分布极数2巧之间极数差较小，极对数？1和巧为正整数对，并满足以下关系约束Pi > P2，且 1≤ P「P2 < 4 ；二、新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副的大磁盘与行星磁盘呈偏心分布结构，由套装有轴承二(12)、轴承三(13)的偏心输入轴(3)将少极差的两磁盘连接成偏心结构；其中，行星轮盘(5)与大磁盘盖(4)的偏心距a、大磁盘永磁体(1)外径Di、行星磁盘永磁体(2)外径D2、以及极对数Pl和p2满足以下结构关系式约束Di + D2 = Pi + P2 且 a = 0. 5X (D「D2)；三、绕偏心输入轴(3)与中心轴线公转的行星轮盘(5)后端通过孔销式输出结构与销轴套(7)、转动盘(8)、输出轴(10)连接，将偏心距为a的行星轮盘(5)的自转转换到输出轴(10)旋转中心转动的孔销式结构尺寸，即销轴套(7)的外径d。、行星轮盘(5)销轴孔的内径dH，必须满足以下结构关系约束dH = d0+2a ；四、新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副由螺栓将大磁盘盖(4)、后端盖(11)与机壳(6)紧固装配为整体结构，其输出方式分为两种一为机壳(6)固定而输出轴(10)旋转输出力矩T2和转速n2，二为输出轴(10)固定而机壳(6)旋转输出力矩T2和转速 n2,其输入和输出的旋转方向彼此相反，传动关系满足以下关系约束 。
2.根据权利要求1所述的一种新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，其特征是偏心且绕旋转中心轴线公转的圆盘形行星磁盘是主动轮，它由2p2个行星磁盘永磁体(2)、行星轮盘(5)组成；行星磁盘永磁体(2)用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式， 且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于行星轮盘(5)的圆环平面上，行星轮盘(5) 由导磁的钢板经常规的机械切削加工制成，在行星轮盘(5)的背面加工有将其自转转换到输出轴(10)旋转中心转动的孔销式结构所需要的圆周均布销孔。
3.根据权利要求1所述的一种新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，其特征是驱使偏心且绕旋转中心轴线公转的圆盘形行星磁盘同时产生自转的从动机构是圆盘形大磁盘，它由大磁盘永磁体(1)、大磁盘盖(4)组成；大磁盘永磁体(1)用公知的永磁材料制成扇形的平面磁体形式，且按N极S极间隔排列分布的方式安装紧固于大磁盘盖(4)的圆环平面上，大磁盘盖(4)由导磁的钢板经常规的机械切削加工制成，大磁盘盖(4) 同时兼作为端盖与机壳(6)紧固装配为一体。
专利摘要新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，可广泛应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。其特征是由其上分布有2p1个大磁盘永磁体1的圆盘形大磁盘、其上分布有2p2个行星磁盘永磁体2的圆盘形行星磁盘构成一对磁性传动齿轮副，极数2p1与2p2之间极数差较小，两磁盘上的永磁体通过两磁盘间的气隙横向磁场而耦合，并由套装有轴承二12、轴承三13的偏心输入轴3将少极差的两磁盘连接成偏心结构，偏心输入轴3带动行星轮盘5绕旋转轴线公转，偏心公转的行星磁盘永磁体2与大磁盘永磁体1通过磁场耦合驱使行星轮盘绕自身轴线反向自转，再通过孔销式输出结构将行星轮盘的低速自转输出。
文档编号F16H49/00GK202349148SQ20112035089
公开日2012年7月25日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者余虹锦 申请人:余虹锦