一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组的制作方法

本发明涉及机电传动领域，特别涉及一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组。

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。但是由于永磁平面齿轮和锥齿轮结构复杂、制造和装配均较困难，且永磁平面齿轮和锥齿轮上均使用永磁体产生磁场，永磁体的用量较多，成本较高。

技术实现要素：

本发明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存在成本高、结构复杂、制造和装配困难的问题，提供了一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组。

实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，其组成包括两个轮，所述的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阻力带动从动轮转动；当其中一个轮为永磁式轮时，另外一个轮为机械式轮。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、由于圆柱轮和平面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、该齿轮组的两个轮子中只有一个轮子装配有永磁体，成本得到极大地降低；

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制成，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，该齿轮组的结构简单、紧凑，方便装配，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是本发明一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组总体结构示意图；

图2是永磁式圆柱轮的零件分解图；

图3是圆柱轮的主视图；

图4是磁通集中式圆柱轮的主视图；

图5是表贴式圆柱轮结构的主视图；

图6是Halbach阵列式圆柱轮的主视图；

图7是永磁体内置式圆柱轮的主视图；

图8是圆柱轮中心体的主视图；

图9是机械式平面轮的零件分解图；

图10是机械式平面齿轮的俯视图；

图11是图10的左视图；

图12是机械式圆柱轮的零件分解图；

图13是圆柱齿轮的主视图；

图14是图13的左视图；

图15是永磁式平面轮的零件分解图；

图16是永磁式平面轮的俯视图；

图17是磁通集中式平面轮的俯视图；

图18是表贴式平面轮的俯视图；

图19是Halbach阵列式平面轮的俯视图；

图20是图1的俯视图；

图21是图1的左视图。

图中：圆柱轮1、平面轮2、前端环3-1、后端环3-2、圆柱轮主体4、外部保护套5、瓦片形永磁体6、第一型瓦片形永磁体6-1、第二型瓦片形永磁体6-2、第三型瓦片形永磁体6-3、第四型瓦片形永磁体6-4、瓦片形铁心7、胶体8、圆柱轮轭部9、轴向中心孔一9-1、键槽一9-2、圆柱轮中心体10、中心轴孔一10-1、键连接槽一10-2、通槽10-3、上端环11、外保护套12、胶块13、内保护套14、机械式平面齿轮15、圆柱齿轮16、平面轮主体17、扇形永磁体18、第一型扇形永磁体18-1、第二型扇形永磁体18-2、第三型扇形永磁体18-3、第四型扇形永磁体18-4、扇形铁心19、平面轮轭部20、矩形永磁体21、第一型矩形永磁体21-1、第二型矩形永磁体21-2。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图20及图21所示，本实施方式的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，其组成包括两个轮，所述的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阻力带动从动轮转动；当其中一个轮为永磁式轮时，另外一个轮为机械式轮（这样的结构大大减少了永磁体的用量，能使成本得到降低。两个轮子间的磁性力的本质是磁阻力）。

具体实施方式二：如图1、图2、图3、图9、图20及图21所示，具体实施方式一所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，当所述的圆柱轮1为永磁式圆柱轮（采用磁通集中式、表贴式、Halbach阵列式、内置式四种结构中的任意一种）时，所述的平面轮2为机械式平面轮；

所述的永磁式圆柱轮包括前端环3-1、后端环3-2、圆柱轮主体4及外部保护套5；所述的前端环3-1、后端环3-2和外部保护套5均采用非导磁性材料制成（例如不锈钢或玻璃丝带），前端环3-1和后端环3-2均通过粘结方式固定在圆柱轮主体4的前端面和后端面上，所述的外部保护套5通过粘结方式固定套装在圆柱轮主体4的外部；

所述的机械式平面轮包括上端环11、外保护套12、内保护套14、机械式平面齿轮15及多个胶块13；所述的外保护套12和内保护套14分别固定套装在机械式平面齿轮15的齿外侧和内侧，所述的上端环11通过粘结方式固定在机械式平面齿轮15的齿上表面，上端环11、外保护套12及内保护套14均采用非导磁性材料（例如不锈钢或玻璃丝带）制成，机械式平面齿轮15的每相邻两个齿之间的空间采用胶块13进行填充；机械式平面齿轮15采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成（因为机械式平面齿轮15作为系统磁路的一部分）。

上端环11、外保护套12、内保护套14以及胶块13的作用都是对机械式平面齿轮15形成有效保护。对机械式平面齿轮15的保护结构并不局限于这种结构，可以多种多样。因为机械式平面齿轮15并不参与实际的机械啮合，机械式平面齿轮15的形状可以做成简单的扇形直齿。前端环3-1、后端环3-2和外部保护套5的作用是保护圆柱轮主体4，防止圆柱轮主体4中的瓦片形永磁体6被氧化和结构受损。胶块13为环氧树脂胶块。

本实施方式的效果是：通过机械齿轮构造系统完整磁路，产生磁阻力，并对机械齿轮进行保护。

具体实施方式三：如图4所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，所述的圆柱轮主体4采用磁通集中式结构，圆柱轮主体4包括圆柱轮轭部9、多个瓦片形永磁体6及多个瓦片形铁心7；所述的多个瓦片形永磁体6包括多个第一型瓦片形永磁体6-1及多个第二型瓦片形永磁体6-2；所述的圆柱轮轭部9设有轴向中心孔一9-1，圆柱轮轭部9的轴向中心孔一9-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系一配合的键槽一9-2；

所述的多个第一型瓦片形永磁体6-1、多个瓦片形铁心7及多个第二型瓦片形永磁体6-2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6-1、多个瓦片形铁心7及多个第二型瓦片形永磁体6-2依次按照第一型瓦片形永磁体6-1、瓦片形铁心7及第二型瓦片形永磁体6-2的排列顺序循环排列设置围成一个圆环形状，多个第一型瓦片形永磁体6-1及多个第二型瓦片形永磁体6-2均采用切向充磁，且每相邻设置的两个瓦片形永磁体6的充磁方向相反，所述的多个瓦片形铁心7均采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成；每个瓦片形铁心7与相邻设置的第一型瓦片形永磁体6-1或第二型瓦片形永磁体6-2构成一个极距一。

瓦片形铁心7采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成，使瓦片形铁心7两侧的瓦片形永磁体6的磁通能够通过瓦片形铁心7变为径向磁通。由于磁通集中，瓦片形铁心7产生“聚磁”效应，形成单边磁场分布。圆柱轮轭部9可以采用非导磁性材料制成（如不锈钢）。

本实施方式的效果是：构成磁通集中式永磁圆柱轮。

具体实施方式四：如图5所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，所述的圆柱轮主体4采用表贴式结构，圆柱轮主体4包括圆柱轮轭部9、多个胶体8及多个瓦片形永磁体6；所述的多个瓦片形永磁体6包括多个第一型瓦片形永磁体6-1及多个第二型瓦片形永磁体6-2；所述的圆柱轮轭部9设有轴向中心孔一9-1，圆柱轮轭部9的轴向中心孔一9-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系一配合的键槽一9-2；

所述的多个第一型瓦片形永磁体6-1及多个第二型瓦片形永磁体6-2依次交替且等间距设置并均通过粘结方式固定在圆柱轮轭部9的外圆周面上，多个第一型瓦片形永磁体6-1及多个第二型瓦片形永磁体6-2的充磁方向一致，并均采用径向充磁或平行充磁；每相邻两个瓦片形永磁体6的充磁方向相反，每相邻两个瓦片形永磁体6之间的空间均采用胶体8进行填充，多个瓦片形永磁体6的极弧系数均小于1，圆柱轮轭部9采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成（为相邻瓦片形永磁体6提供磁路）。

每相邻两个瓦片形永磁体6之间的空间采用胶体8进行填充，一方面可以用来限定瓦片形永磁体6的位置，防止沿圆柱轮轭部9的圆周移动，另一方面使瓦片形永磁体6的侧面与空气隔绝，防止被氧化。所述的胶体8为环氧树脂胶体。

本实施方式的效果是：构成表贴式永磁圆柱轮。

具体实施方式五：如图6所示：具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，所述的圆柱轮主体4采用Halbach阵列式结构，圆柱轮主体4包括圆柱轮轭部9及多个瓦片形永磁体6；所述的多个瓦片形永磁体6包括多个第一型瓦片形永磁体6-1、多个第二型瓦片形永磁体6-2、多个第三型瓦片形永磁体6-3及多个第四型瓦片形永磁体6-4；

所述的圆柱轮轭部9设有轴向中心孔一9-1，圆柱轮轭部9的轴向中心孔一9-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系一配合的键槽一9-2；所述的多个第一型瓦片形永磁体6-1、多个第二型瓦片形永磁体6-2、多个第三型瓦片形永磁体6-3及多个第四型瓦片形永磁体6-4均通过粘结方式固定在圆柱轮轭部9的外圆周面上，且多个第一型瓦片形永磁体6-1、多个第二型瓦片形永磁体6-2、多个第三型瓦片形永磁体6-3及多个第四型瓦片形永磁体6-4依次按照第一型瓦片形永磁体6-1、第二型瓦片形永磁体6-2、第三型瓦片形永磁体6-3及第四型瓦片形永磁体6-4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6-1及多个第三型瓦片形永磁体6-3均采用切向充磁，且每相邻设置的第一型瓦片形永磁体6-1与第三型瓦片形永磁体6-3的充磁方向相反，所述的多个第二型瓦片形永磁体6-2及第四型瓦片形永磁体6-4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6-2与第四型瓦片形永磁体6-4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）。圆柱轮轭部9采用非导磁性材料（如不锈钢）制成。

本实施方式的效果是：构成Halbach阵列式永磁圆柱轮。

具体实施方式六：如图7、图8、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磁阻式磁性面齿轮组，所述的圆柱轮主体4采用永磁体内置式结构，圆柱轮主体4包括多个硅钢片、多个胶体8及多个矩形永磁体21；所述的多个矩形永磁体21包括多个第一型矩形永磁体21-1及第二型矩形永磁体21-2；

所述的多个硅钢片叠压成型为一体构成圆柱轮中心体10（圆柱轮中心体10采用多个硅钢片10叠压的方式成型，使矩形永磁体21的安装变得简单可靠，另一方面能在减少矩形永磁体21用量的情况下进一步降低成本），所述的圆柱轮中心体10设有中心轴孔一10-1，圆柱轮中心体10的中心轴孔一10-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系一配合的键连接槽一10-2；圆柱轮中心体10的外圆周面沿轴向开设有多个通槽10-3，所述的多个通槽10-3沿圆柱轮中心体10的外圆周面均布设置，多个第一型矩形永磁体21-1及第二型矩形永磁体21-2依次交替设置在所对应的通槽10-3内，每个通槽10-3的槽口处采用胶体8进行填充（使矩形永磁体21侧面与空气隔绝，防止被氧化），多个矩形永磁体21均沿各自的宽度方向充磁，每相邻两个矩形永磁体21的充磁方向相反。

圆柱轮中心体10的齿部（即两个通槽之间的实体部分）能够把相邻的矩形永磁体21的磁通聚集形成径向磁通，与磁通集中式结构类似。圆柱轮中心体10的保护结构也并不局限于这种结构，可以多种多样。胶体8为环氧树脂胶体。

本实施方式的效果是：构成内置式永磁圆柱轮。

具体实施方式七：如图1、图12、图15、图13、图14、图16、图20及图21所示，具体实施方式一所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，当所述的平面轮1为永磁式平面轮（采用磁通集中式、表贴式、Halbach阵列式三种结构中的任意一种）时，所述的圆柱轮2为机械式圆柱轮；

所述的永磁式平面轮包括上固定环11、外保护套12、内保护套14和平面轮主体17；所述的上端环11通过粘结方式固定在平面轮主体17的上端面，所述的外保护套12和内保护套14分别通过粘结方式固定在平面轮主体17的外部和内部（上端环11、外保护套12及内保护套14的作用是：保护平面轮主体17，防止永磁体被氧化和结构受损）；

所述机械式圆柱轮包括前端环3-1、后端环3-2、外部保护套5、圆柱齿轮16及多个胶体8；所述的前端环3-1和后端环3-2分别通过环氧树脂胶粘结固定在圆柱齿轮16的前后两个端面上，所述的外部保护套5套装在圆柱齿轮16的外侧，外部保护套5通过环氧树脂胶与圆柱齿轮16粘结，前端环3-1、后端环3-2及外部保护套5均采用非导磁性材料（如不锈钢或玻璃丝带）制成，前端环3-1、后端环3-2及外部保护套5的作用都是对圆柱齿轮16进行保护，对圆柱齿轮16的保护结构并不局限于这种结构，可以多种多样，因为圆柱齿轮16并不参与实际的机械啮合，齿的形状可以做成简单的扇形直齿），圆柱齿轮16的每相邻两个齿之间的空间采用胶体8进行填充，圆柱齿轮16采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成（因为圆柱齿轮16是系统磁路的一部分）。胶体8为环氧树脂胶体。

本实施方式的效果是：通过机械圆柱齿轮构造系统完整磁路，产生磁阻力，并对机械齿轮进行保护。

具体实施方式八：如图17所示，具体实施方式七所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，所述的平面轮主体17采用磁通集中式结构，平面轮主体17包括平面轮轭部20、多个扇形永磁体18及多个扇形铁心19；所述的多个扇形永磁体18包括多个第一型扇形永磁体18-1及多个第二型扇形永磁体18-2；所述的平面轮轭部20设有轴向中心孔二20-1，平面轮轭部20的轴向中心孔二20-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二20-2；所述的多个第一型扇形永磁体18-1、多个扇形铁心19及多个第二型扇形永磁体18-2均竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部20的上表面的外边缘处，且多个第一型扇形永磁体18-1、多个扇形铁心19及多个第二型扇形永磁体18-2依次按照第一型扇形永磁体18-1、扇形铁心19及第二型扇形永磁体18-2的排列顺序循环排列设置形成圆筒形状，多个第一型扇形永磁体18-1和多个第二型扇形永磁体18-2均采用切向充磁，且每相邻设置的第一型扇形永磁体18-1与第二型扇形永磁体18-2充磁方向相反，每个扇形铁心19与相邻设置的第一型扇形永磁体18-1或第二型扇形永磁体18-2构成一个极距二（由于采用磁通集中，通过扇形铁心19产生“聚磁”效应，形成单边磁场分布）；多个扇形铁心19均采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成（使两侧的扇形永磁体18的磁通能够通过扇形铁心19变为轴向磁通）。平面轮轭部20采用非导磁性材料（如不锈钢）制成。

本实施方式的效果是：构成磁通集中式平面轮结构。

具体实施方式九：如图18所示，具体实施方式七所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，所述的平面轮主体17采用表贴式结构，平面轮主体17包括平面轮轭部20、多个扇形永磁体18及多个胶块13；所述的多个扇形永磁体18包括多个第一型扇形永磁体18-1及多个第二型扇形永磁体18-2；

所述的平面轮轭部20设有轴向中心孔二20-1，平面轮轭部20的轴向中心孔二20-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二20-2；所述的多个第一型扇形永磁体18-1及多个第二型扇形永磁体18-2均依次交替等间距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形成圆筒形状，多个扇形永磁体18的充磁方向与平面轮主体17的轴向平行，每相邻两个扇形永磁体18的充磁方向相反，多个扇形永磁体18的极弧系数均小于1，每相邻两个扇形永磁体18之间的空间均采用胶块13填充（一方面可以用来限定扇形永磁体18的位置，防止沿平面轮轭部20表面移动，另一方面使扇形永磁体18侧面与空气隔绝，防止被氧化），所述的平面轮轭部20采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成（为相邻扇形永磁体18提供磁路）。

本实施方式的效果是：构成磁通表贴式平面轮结构。

具体实施方式十：如图19所示，具体实施方式七所述的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，所述的平面轮主体17采用Halbach阵列式结构，平面轮主体17包括平面轮轭部20和多个扇形永磁体18；所述的多个扇形永磁体18包括多个第一型扇形永磁体18-1、多个第二型扇形永磁体18-2、多个第三型扇形永磁体18-3及多个第四型扇形永磁体18-4；

所述的平面轮轭部20设有轴向中心孔二20-1，平面轮轭部20的轴向中心孔二20-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二20-2；所述的多个第一型扇形永磁体18-1、多个第二型扇形永磁体18-2、多个第三型扇形永磁体18-3及多个第四型扇形永磁体18-4均竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部20的上表面的外边缘处，且多个第一型扇形永磁体18-1、多个第二型扇形永磁体18-2、多个第三型扇形永磁体18-3及多个第四型扇形永磁体18-4依次按照第一型扇形永磁体18-1、第二型扇形永磁体18-2、第三型扇形永磁体18-3及第四型扇形永磁体18-4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18-1和多个第三型扇形永磁体18-3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18-2和第四型扇形永磁体18-4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）。

平面轮轭部20采用非导磁性材料（如不锈钢）制成。

本实施方式的效果是：构成磁通Halbach阵列式平面轮结构。

具体实施方式十一：如图1、图4、图5、图6及图17~图19所示，本实施方式的一种用于正交轴传动的磁阻式磁性面齿轮组，所述圆柱轮1的瓦片形永磁体6的极数或齿数与平面轮2的扇形永磁体18的齿数或极数，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，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。

所述的圆柱轮1的瓦片形永磁体6、瓦片形铁心7及齿的轴向长度相等，并均与平面轮2的扇形永磁体18、扇形铁心19及齿的径向长度相等。

具体实施方式十二：如图20及图21所示，具体实施方式一所述的一种用于正交轴传动的磁通集中式永磁面齿轮组，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。

本发明中，机械式圆柱轮的圆柱齿轮16或机械式平面齿轮15由于没有与永磁式平面轮或永磁式圆柱轮实际的机械啮合，所以齿部可以做成简单的直齿。

工作原理：相邻的永磁体（包括瓦片形永磁体5及扇形永磁体18）主磁通通过气隙以及齿轮上的相邻的两个齿进行闭合，两个轮子间会产生磁阻性质的力，主动轮的旋转会带动从动轮旋转。当从动轮上有负载时，耦合区域的永磁体和齿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。当两个磁极（是指永磁体和齿）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。