一种用于正交轴传动的磁通集中‑Halbach阵列式永磁面齿轮组的制作方法

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磁通集中- 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。采用多圈磁极耦合的永磁平面齿轮采用了数量较多的永磁体，结构比较复杂，装配麻烦；永磁圆锥齿轮的永磁体充磁方式和装配都比较困难。

技术实现要素：

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通集中- 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磁通集中- 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、采用Halbach阵列式安装永磁体能够产生更强的气隙磁场，因此对齿轮组的性能有较大提升；

3、采用磁通集中式安装永磁体能够通过铁心产生更强的气隙磁场，因此对永磁体的性能要求可适当降低，在尺寸较大的轮子上采用磁通集中式安装方法，在保证齿轮组性能的同时能够大大降低成本。

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是本实用新型一种用于正交轴传动的磁通集中- Halbach阵列式永磁面齿轮组的轴测图；

图2是磁通集中式圆柱轮的零件分解图；

图3是磁通集中式圆柱轮或者Halbach阵列式圆柱轮的主视图；

图4是磁通集中式圆柱轮左剖视图；

图5是磁通集中式圆柱轮的多个瓦片形永磁体及多个瓦片形填充物体排布在圆柱轮轭部4的外圆周面上的主视图；

图6是Halbach阵列式圆柱轮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7是Halbach阵列式平面轮的零件分解图；

图8是磁通集中式平面轮或者Halbach阵列式平面轮的俯视图；

图9是磁通集中式平面轮的左剖视图；

图10是Halbach阵列式平面轮的多个扇形永磁体排布在平面轮轭部的上表面的外周边缘处的主视图；

图11是磁通集中式平面轮的多个扇形铁心及多个扇形永磁体排布在平面轮轭部的上表面的外周边缘处的主视图；

图12是图1的俯视图；

图13是图1的左视图；

图14是Halbach阵列式圆柱轮的左剖视图。

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、瓦片形填充物体6、保护套体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、上端环12、平面轮轭部13、扇形铁心14。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图12及图13所示，一种用于正交轴传动的磁通集中- 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。

两个轮均安装有永磁体，根据永磁体的安装方式不同，分为磁通集中式和Halbach阵列式两种。根据永磁体的安装方式进行组合，本实用新型可有两种组合结构形式：磁通集中式圆柱轮配合Halbach阵列式平面轮结构以及Halbach阵列式圆柱轮配合磁通集中式平面轮结构。

具体实施方式二：如图1~图5、图7及图10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- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1为磁通集中式圆柱轮，所述的平面轮2为Halbach阵列式平面轮；

所述的磁通集中式圆柱轮包括圆柱轮轭部4、多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形填充物体6；所述的圆柱轮轭部4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5提供磁路），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和多个第二型瓦片形永磁体5-2，所述的多个第一型瓦片形永磁体5-1和多个第二型瓦片形永磁体5-2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4的外圆周面上（形成磁钢），每相邻设置的第一型瓦片形永磁体5-1和第二型瓦片形永磁体5-2之间的间距内紧密设置有一个瓦片形填充物体6，所述的多个瓦片形填充物体6均通过粘结方式固定在圆柱轮轭部4的外圆周面上，多个瓦片形填充物体6均采用导磁性铁磁材料（如纯铁或低碳钢）制成，多个第一型瓦片形永磁体5-1和多个第二型瓦片形永磁体5-2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和第二型瓦片形永磁体5-2的充磁方向相反；每个瓦片形填充物体6与其相邻设置的第一型瓦片形永磁体5-1或第二型瓦片形永磁体5-2构成一个极距（由于采用磁通集中，通过瓦片形填充物体6产生“聚磁”效应，形成单边磁场分布），圆柱轮轭部4采用非导磁性材料（如不锈钢）制成；

所述的Halbach阵列式平面轮包括平面轮轭部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的排列顺序循环紧密排列设置（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1~图5、图7及图10所示，具体实施方式二所述的一种用于正交轴传动的磁通集中- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的磁通集中式圆柱轮还包括前端环3-1、后端环3-2和保护套体7；所述的前端环3-1和后端环3-2均通过粘结方式固定设置在多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形填充物体6的前后两个端面上，所述的保护套体7固套装在多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形填充物体6的外侧，前端环3-1、后端环3-2和保护套体7均采用非导磁性材料（如不锈钢或玻璃丝带）制成（使瓦片形永磁体5能够避免结构损坏、氧化，对瓦片形永磁体5形成有效保护）；

所述的Halbach阵列式平面轮还包括上端环12、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12通过粘结方式固定在圆筒状的永磁体的上端面，上端环12、外保护套8、内保护套10均采用非导磁性材料（如不锈钢或玻璃丝带）制成（使扇形永磁体9能够避免结构损坏、氧化，对扇形永磁体9形成有效保护）。

设置前端环3-1、后端环3-2和保护套体7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。

设置上端环12、外保护套8、内保护套10的作用都是对Halbach阵列式平面轮主体（包括平面轮轭部11和多个扇形永磁体9）进行保护。对磁通集中式圆柱轮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。

具体实施方式四：如图5及图10所示，具体实施方式二或三所述的一种用于正交轴传动的磁通集中- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的磁通集中式圆柱轮的瓦片形永磁体5极对数与Halbach阵列式平面轮的扇形永磁体9极对数，应满足如下关系式：

式中，和分别为磁通集中式圆柱轮和Halbach阵列式平面轮的转速，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。

具体实施方式五：如图2及图7所示，具体实施方式二所述所述的一种用于正交轴传动的磁通集中- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形填充物体6与多个扇形永磁体9的厚度均相等，多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形填充物体6的轴向长度与多个扇形永磁体9的径向长度均相等。

具体实施方式六：如图1、图3、图6、图8、图9及图11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- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的圆柱轮1为Halbach阵列式圆柱轮，所述的平面轮2为磁通集中式平面轮；

所述的Halbach阵列式圆柱轮包括圆柱轮轭部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（由于永磁体采用Halbach阵列，形成单边磁场分布）；

所述的磁通集中式平面轮包括平面轮轭部13、多个扇形铁心14和多个扇形永磁体9；所述的平面轮轭部13采用平非导磁性材料（如塑料）制成，平面轮轭部13设有轴向中心孔二13-1，平面轮轭部13的轴向中心孔二13-1的内壁上沿轴向开设有用于与轴系二配合的键槽二13-2；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和多个第二型扇形永磁体9-2，所述的多个第一型扇形永磁体9-1和多个第二型扇形永磁体9-2均依次交替且等间距竖直设置并通过粘结方式固定在平面轮轭部13的上表面的外周边缘处，每相邻设置的第一型扇形永磁体9-1和第二型扇形永磁体9-2之间的间距内紧密设置有一个扇形铁心14，所述的多个扇形铁心14均通过粘结方式固定在平面轮轭部13的上表面的外周边缘处，多个第一型扇形永磁体9-1和多个第二型扇形永磁体9-2均采用切向充磁，且每相邻设置的第一型扇形永磁体9-1和第二型扇形永磁体9-2的充磁方向相反，每个扇形铁心14和与其相邻设置的第一型扇形永磁体9-1或第二型扇形永磁体9-2构成一个极距（由于采用磁通集中，通过扇形铁心14产生“聚磁”效应，形成单边磁场分布），多个扇形永磁体9的极弧系数均在0.3-0.5之间，多个瓦片形永磁体5的极弧系数与多个扇形铁心14的极弧系数保持一致。

具体实施方式七：如图9及图14所示，具体实施方式六所述的一种用于正交轴传动的磁通集中- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的Halbach阵列式圆柱轮还包括前端环3-1、后端环3-2和保护套体7；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7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7均采用非导磁性材料（如不锈钢或玻璃丝带）制成（使瓦片形永磁体5能够避免结构损坏、氧化，对瓦片形永磁体5形成有效保护）；

设置前端环3-1、后端环3-2和保护套体7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。

所述的磁通集中式平面轮还包括上端环12、外保护套8及内保护套10；所述的外保护套8和内保护套10分别设置在多个扇形铁心14和多个扇形永磁体9的外侧和内侧，所述的上端环12通过粘结方式固定在多个扇形铁心14和多个扇形永磁体9的上端面，上端环12、外保护套8及内保护套10均采用非导磁性材料（如不锈钢或玻璃丝带）制成（使扇形永磁体9能够避免结构损坏、氧化，对扇形永磁体9形成有效保护）。

上端环12、内保护套10和外保护套8的作用都是对磁通集中式平面轮的主体部分（包括平面轮轭部13、多个扇形铁心14和多个扇形永磁体9）进行保护。同时磁通集中式平面轮的主体部分的保护结构也并不局限于这种结构，可以多种多样。

具体实施方式八：如图6及图11所示，具体实施方式六或七所述的一种用于正交轴传动的磁通集中- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的Halbach阵列式圆柱轮的瓦片形永磁体5极对数与磁通集中式平面轮的扇形永磁体9极对数，应满足如下关系式：

式中，和分别为Halbach阵列式圆柱轮和磁通集中式平面轮的转速，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。

具体实施方式九：如图2及图9所示，具体实施方式六所述的一种用于正交轴传动的磁通集中- Halbach阵列式永磁面齿轮组，所述的多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形填充物体6与多个扇形永磁体9的厚度均相等，多个瓦片形永磁体5及多个瓦片形填充物体6的轴向长度与多个扇形永磁体9的径向长度均相等。

具体实施方式十：如图12及图13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- 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：此种结构两个轮子产生气隙磁场的方式有所不同，Halbach阵列式结构直接由瓦片形永磁体5产生气隙磁通，而磁通集中式平面轮结构的永磁体将相邻磁极的磁通集中在铁心然后进入气隙。所以工作时，上下两个轮子直接产生气隙磁通的部位相对，产生磁性力。

由于两轮之间产生的磁性力，主动轮的旋转会带动从动轮旋转。当从动轮上有负载时，耦合区域内，对于磁通集中式圆柱轮配合Halbach阵列式平面轮结构，其瓦片形永磁体5与扇形铁心14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。

而对于Halbach阵列式圆柱轮配合磁通集中式平面轮结构，其瓦片形永磁体5与扇形铁心14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。