一种转子轮盘式电磁水密转矩传动轴的制作方法

本发明涉及一种传动装置，特别是涉及一种水密传动装置，具体是涉及转子轮盘式电磁水密转矩传动轴。

背景技术：

伴随着海洋科学与工程领域的发展，人们对于水下作业装备的需求也不断增大。顾名思义，水下作业装备需长期工作于水下环境中，而这对水下作业装备内部安装的零部件，尤其是电子电器部件的可靠性和安全性是极大的威胁与考验。一旦水进入装备内部，轻则造成部分零件损坏，重则导致整个装备报废，甚至危及工作人员的生命安全。通过总结实际作业经验我们可以发现，设备进水多发生在部件之间的接缝处与设备部件外露处。接缝处可通过防水胶，防水圈等手段进行处理而满足防水要求，而对于外露部件，特别是传动轴等处的工况，之前的手段难以满足其防水要求，因此如何在密封条件下完成转矩的传递成为一个急需解决的问题。

为解决这一问题，人们首先使用了填料密封的方法，但是效果并不理想，而且随着使用效果会逐渐变差，而传动轴处的转动、振动等会加剧这一过程；后来有人使用了机械密封的手段，虽然防水性能较好，但是过高的成本和复杂的结构不利于大规模应用；此外还有一种动力密封的方法，为了满足防水要求牺牲转矩传递效率，也不是很理想。由此得出传递装置在密封条件下还应该保证低成本、高效的传递转矩。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现阶段密封传动装置所遇到的技术问题，提出一种成本低廉、结构简单、便于更换和维修、且具有良好防水性能可以高效传递转矩的转子轮盘式电磁水密转矩传动轴。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种转子轮盘式电磁水密转矩传动轴，包括主壳体尾封板、从动轴、从动转子密封壳体、从动转子、轴托板、主壳体、动力装置、主壳体首封板、主动轴、主动转子和主动转子永磁体；

所述主壳体为中空且两端开放的圆筒结构，圆筒结构两端分别设有主壳体首封板和主壳体尾封板，主壳体首封板中心开有小孔，小孔用防水胶密封；主壳体的中空中设有动力装置；轴托板为一端开口的圆筒型结构，封闭端竖向板朝向主壳体首封板，竖向板中心内外两侧均设有凹槽；轴托板的开口端与主壳体尾封板密封连接；主动轴一端与动力装置相连，另一端穿过主动转子中心的通孔安装于轴托板的密封端竖向板中心内侧凹槽；主动轴与主动转子连接，在主动轴的周向，主动转子与轴托板之间安装有主动转子陶瓷轴承；

所述从动转子密封壳体为一封闭的空心轮盘，固定在从动轴上；从动转子密封壳体内设有从动转子，从动转子为一铜质轮盘，其上均匀开有多条细缝；从动轴一端安装在轴托板的密封端竖向板中心外侧凹槽，另一端穿过从动转子中心通孔、从动转子密封壳体、主壳体尾封板封闭端通孔并伸出，从动轴与从动转子连接，在主壳体尾封板通孔与从动轴之间安装有防水轴承；

沿从动轴的轴向，主动转子在从动转子密封壳体外周向主壳体尾封板方向伸出，沿主动转子的伸出部分周向间隔设有多个凹槽，凹槽内安装主动转子永磁体。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述从动轴收到转矩t与磁传动装置各部件参数有如下关系式：

式中，n1为从动轴收到的转速；n为动力装置的转速，b为主动转子与从动转子之间的磁感应强度，取值范围为1.32t-1.33t，l为从动转子切割磁场的长度，即从动转子的厚度；r1为从动转子的半径，ρ为从动转子的电阻率，为微元线圈圆心角，α为有效半径系数；2θ为主动转子上凹槽的宽度；d为电流深度；设从动转子的一份微元为一匝微元线圈，对微元线圈的功率进行积分，积分范围为0-2θ，微元线圈的等效长度为2(l+αr1)，截面积为从动轴收到的转矩功率通过下式计算：

优选地，所述b取值为1.32t-1.33t；l取值为1cm-5cm；r1取值为2.5cm-5cm；ρ取值为0.0172μω·m；α取值为0.8-0.9；d取值选为6mm；2θ为取值为50°-60°

优选地，所述主动转子的内径为6cm-11.5cm。

优选地，所述主动轴与主动转子通过键连接；所述从动轴与从动转子采用键连接。

优选地，所述轴托板的开口端与主壳体尾封板密封连接的方式是主壳体尾封板与轴托板的的结合面处设有圆槽，圆槽内设有小橡胶密封圈，主壳体尾封板通过紧固螺丝与轴托板连接。

优选地，所述从动转子的直径为5cm-10cm，厚度为1cm-5cm；所述从动转子上的细缝的宽度为2mm，长度为从动转子半径的1/3-2/3，设置在从动转子的中间；细缝的个数为5-20个。

优选地，所述凹槽数为4个，每个凹槽的宽度为50°-60°。

优选地，所述主动转子永磁体的轴向长度为4cm-8cm。

优选地，所述动力装置为电动机或柴油机；所述主动转子永磁体采用钕铁硼材料制成；所述从动转子密封壳体、主动转子、主壳体、轴托板、主壳体首封板和主壳体尾封板均由铝合金材料制成。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1)密封防水效果好。动力装置与传动机构各自密封，且通过磁力传动的方式避免了机械结合处，从而提高了防水性能。

2)具有过载保护功能。由于动力装置与传动机构之间没有直接的机械连接，且磁力所能传递的载荷是固定的，因此在过载时，根据电磁感应原理，会产生缓和的电磁阻尼效应，从而保护动力装置。

3)传动机构可靠性高。由于传动部分采用了电磁感应原理，不需要复杂的传动结构，且可在绝大多数工况下满足随时启动或停止传递工作的要求。

4)相比于现有的磁传动方式，本发明中采用的布置形式结构更加紧凑，可以满足水下装置内部空间狭小的布置要求。

5)从动转子盘面上开有适量细缝，可以有效减少铜质从动转子轮盘面上不利涡流的产生，提高传动效率。

6)结构简单，便于安装、维修、更换相应部件。

附图说明

图1是转子轮盘式电磁水密转矩传动轴的结构示意图。

图2是图1中传动部分的示意图。

图3是图1中主动转子示意图。

图4是图1中从动转子密封体示意图。

图5是本发明磁传动工作原理图。

图中示出：主壳体尾封板1、防水轴承2、从动轴3、从动转子密封壳体4、从动转子5、小橡胶防水圈6、轴托板7、主动转子陶瓷轴承8、主壳体9、紧固螺丝10、大橡胶防水圈11、动力装置12、动力装置能源通道13、主壳体首封板14、主动轴15、主动转子16、主动转子永磁体17、微元线圈18

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1所示，一种转子轮盘式电磁水密转矩传动轴，包括主壳体尾封板1、从动轴3、从动转子密封壳体4、从动转子5、轴托板7、主壳体9、动力装置12、主壳体首封板14、主动轴15、主动转子16和主动转子永磁体17。

主壳体9为中空且两端开放的圆筒结构，圆筒结构两端分别设有主壳体首封板14和主壳体尾封板1，在主壳体9与主壳体首封板14、主壳体9与主壳体尾封板1的结合面处设有圆槽，圆槽中安装大橡胶密封圈11；主壳体首封板14和主壳体尾封板1通过紧固螺丝10分别固定安装于主壳体9的首尾端；主壳体首封板14中心开有小孔，供动力装置能量通道13通过，小孔用防水胶密封。主壳体9的中空中设有动力装置12；轴托板7为一端开口的圆筒型结构，封闭端竖向板朝向主壳体首封板14，竖向板中心内外两侧均设有凹槽；轴托板7的开口端与主壳体尾封板1密封连接；主动轴15一端与动力装置12相连，另一端穿过主动转子16中心的通孔安装于轴托板7的密封端竖向板中心内侧凹槽；主动轴15与主动转子16通过键连接，在主动轴15的周向，主动转子16与轴托板7之间安装有主动转子陶瓷轴承8，用于固定主动转子16的位置并减少主动转子16转动时的摩擦阻力。

轴托板7的开口端与主壳体尾封板1密封连接的方式是主壳体尾封板1与轴托板7的的结合面处设有圆槽，圆槽内设有小橡胶密封圈6，主壳体尾封板1通过紧固螺丝10与轴托板7连接。

如图4所示，从动转子密封壳体4为一封闭的空心轮盘，焊接在从动轴3上。从动转子密封壳体4内设有从动转子5，从动转子5为一铜质轮盘，其上均匀开有15个宽度为2mm，长度为从动转子5半径一半并贯穿从动转子5的细缝19，可以在不影响从动转子5上感应电流的情况下最大限度的用来减少不利涡流的产生，其直径优选为5cm-10cm，厚度优选为1cm-5cm；从动轴3一端安装在轴托板7的密封端竖向板中心外侧凹槽，另一端穿过从动转子5中心通孔、从动转子密封壳体4、主壳体尾封板1封闭端通孔并伸出，从动轴3与从动转子5采用键连接，在主壳体尾封板1通孔与从动轴3之间安装有防水轴承2，起到防水密封、降低摩擦阻力的作用。

如图1-3所示，沿从动轴3的轴向，主动转子16上下都端向主壳体尾封板1方向伸出，沿主动转子16的伸出部分周向间隔设有多个凹槽，凹槽内安装主动转子永磁体17，具体是将主动转子永磁体17加工成凹槽相应形状从而安装在凹槽中，优选凹槽数为4个，每个凹槽的宽度优选50°-60°。

从动转子5在安装时需保证完全处在主动转子永磁体17所产生的磁场中，二者之间的距离反映在陶瓷轴承8、从动转子密封壳体4和轴托板7厚度之和，而从动转子密封壳体4与轴托板7之间仅有极小的装配间隙可以忽略，因此该厚度之和优选为1cm-1.5cm，根据该配合关系可知，主动转子16的内径优选为6cm-11.5cm。

动力装置12优选为电动机或柴油机，电动机或柴油机根据实际情况选用相应的型号规格。主动转子永磁体17采用钕铁硼材料制成，其牌号优选为n48，为保证从动转子5被主动转子永磁体17的磁场包围，主动转子永磁体17的轴向长度优选为4cm-8cm；从动转子密封壳体4、主动转子16、主壳体9、轴托板7、主壳体首封板14和主壳体尾封板1优选均由铝合金材料制成。

磁传动部分的转矩功率为：

w＝2πn1t

式中，t为从动轴3收到的转矩，n1为从动轴3收到的转速。

如图5所示，为方便计算从动转子5的电磁学特性，对从动转子5进行微元化处理。设从动转子5的一份微元为一匝微元线圈18，由于从动转子5的工作原理和特性与微元线圈18基本相同，因此可以通过分析微元线圈18的电磁学特性，而后积分得到从动转子5的转矩及转矩功率。

根据切割磁场发电的原理可知，微元线圈18的电动势为：

e＝2π(n-n1)bl

式中，n为动力装置12的转速，b为主动转子16与从动转子5之间的磁感应强度，取值范围为1.32t-1.33t，l为从动转子5切割磁场的长度，即从动转子5的厚度，取值范围为1cm-5cm。

根据电阻计算公式，由实验数据拟合出微元线圈的等效长度为2(l+αr1)，截面积为因此微元线圈18的电阻为：

式中，r1为从动转子5的半径，如取值2.5cm-5cm，ρ为从动转子5的电阻率，如大小为0.0172μω·m，为微元线圈18圆心角，α为有效半径系数，其取值范围可选0.8-0.9，d为电流深度，取值可选为6mm。

微元线圈18中流过的电流为：

微元线圈18受到的磁场力为：

微元线圈18磁场力功率为：

根据结构特征可知，在同一时刻共有4匝微元线圈18上有转矩功率产生，对微元线圈18的功率进行积分，积分范围为0-2θ，所以从动轴3收到的转矩功率可通过下式计算：

式中，2θ为主动转子16上凹槽的宽度，取值范围为50°-60°。

从动轴3收到转矩t与磁传动装置各部件参数有如下关系式：

根据电机电路热损耗定律，磁传动的热损耗由下式估算：

w铜＝sw

根据金属薄板涡流损耗公式，从动转子5的涡流损耗可以通过以下经验式计算：

磁传动部分的效率为：

动力装置12的功率由下式估算：

上述式子中,w铜为线圈热损耗,σ为功率裕度系数，取0.8，f为磁场变化频率,取75hz，s为从动转子5与主动转子16的转差率，s＝(n-n1)/n。

现阶段，磁传动装置被广泛应用于真空、航天、医药、食品、科学实验和石油化工等特殊或高危领域，用来处理高纯度，剧毒，高腐蚀性工作介质的反应及输送，保证现场工作人员的安全，并减少对环境的不利影响。现有磁传动机构的结构形式与工作原理与本发明中的磁传动部分有所不同，多将两盘面沿轴向布置，将两盘面的径向剖面相对。在工作过程中，随着主动转子的转动，安装在主动转子盘面上的永磁体跟随盘面转动产生旋转磁场。该旋转磁场作用于从动转子盘面上，导致从动转子盘面上磁场分布随时间发生变化，这一随时间变化的分布不均的磁场使得从动转子盘面上发生电磁感应现象形成大量自闭电流即涡流，而涡流的产生则会使从动转子盘面产生一个新的磁场，在这个新磁场与原有旋转磁场的相互作用之下，完成转矩的传递。

由于涡流是一种感生电流，因此其热损耗大小与磁通量大小成正比，而磁通量大小又与受磁面积大小成正比。在本发明的设计情况下，如采用现有磁传动形式，则其受磁面积为θr1²，采用本发明图1-5的设计，磁传动部分的受磁面积为θr1l。比较可知，现有磁传动形式与本发明中的磁传动形式的涡流热损耗之比为r1/l。根据上述公式及设计参数计算可知，在本发明的设计情况下，采用现有磁传动形式将会比本发明中采用的磁传动形式产生更大的涡流，二者的涡流损耗的差距最大可以达到5倍。在本发明的设计情况下，本发明中所采用的磁传动形式相较于现有磁传动形式提高的效率可以通过下式计算：

由此计算，在涡流损耗差距最大时，效率可以提高18.5％。

如果将本发明中磁传动形式改为现有传动盘面对面形式，则磁传动部分以相较于本发明更大的盘面积面对磁场，因此其受磁面积和磁通量也随之增大，进而导致从动转子5上产生的涡流损耗增大，使得传动效率降低。随着传动效率减少，就需要选用更大的动力装置12，这对于整个密封箱的小型化及密封处理又是不利的。而采用本发明中的磁传动形式则可以更高效的利用动力装置12的输出功率，从而选用更小的动力装置12，有利于密封箱的小型化和水密处理。

而且根据转矩功率公式和涡流损耗公式可以得到，转矩功率w∝r1³，涡流损耗w涡∝r1²，增大从动转子5的半径r1，转矩功率增大的幅度比涡流损耗增大的幅度要大，所以适当增大从动转子5半径r1可以获得更高的传递效率；转矩功率w∝l²，涡流损∝l³，减小从动转子5的厚度l，转矩功率减少的幅度要比涡流损耗减少的幅度要少，所以适当减少从动转子5的厚度有利于传递效率的提高。

下面结合图5说明转子轮盘式电磁水密转矩传动轴的工作方式。

为方便分析，可以将从动转子5物理模型化，看做由无数微元线圈18组合而成，从动转子5的工作原理和特性与微元线圈18基本相同，因此只取其中一匝微元线圈18进行分析。

当动力装置12处于关闭状态时，主动转子16没有外来转矩输入时，主动转子16与从动转子5均处于静止状态，主动转子永磁体17与微元线圈18之间没有相对速度，因此在微元线圈18上没有感应电流，也就没有转矩。

当动力装置12处于启动状态时，主动转子16接收到来自动力装置12通过主动轴15传递过来的转矩后，主动转子16开始转动，主动转子永磁体17跟随主动转子16转动，与微元线圈18之间有相对速度产生。根据电磁感应原理，此时在微元线圈18上感应电流产生，通过右手定则判断，产生的电流方向为微元线圈18上端指向纸面外，微元线圈18下端指向纸面内。再通过左手定则判定，得到微元线圈18受到和主动转子16转动方向相同方向的磁场力的作用，从而跟随主动转子16一同转动，完成转矩的传递。该转矩也可以通过楞次定律加以解释，即主动转子永磁体17跟随主动转子16转动造成微元线圈18处磁通量的变化，只能通过微元线圈18的跟随运动来阻碍。

从动转子5所接受的转矩即为组成它的微元线圈18的转矩之和，之后通过从动轴3传递给后续部件。

作为主要防水保护目的的主壳体9内部空间的各个接触面处，即主壳体首封板14与主壳体9，主壳体尾封板1与主壳体9，主壳体尾封板1与轴托板7接触面处，分别有大橡胶防水圈11、小橡胶防水圈6进行密封。由于在这些接触面处不参与运动，因此防水圈可以满足防水要求。动力装置能源通道13所穿过的主壳体首封板14的开孔由防水胶封死，由于开孔较小，因此由于防水胶老化而引起的防水性能的退化不足以影响对主壳体空间的密封。从动转子5外有从动转子密封壳体4、防水轴承2两重防水机制。即使防水轴承2透水，从动转子密封壳体4也可以保证从动转子5不与水接触继续正常工作。因此，该水密转矩传动轴可以满足水下工作的防水要求。

由于动力装置12的密封形式使得传统的接触式转矩传递方式失效，因此采用主动转子永磁体17与从动转子5的设置方式来利用磁传动的方式完成转矩从内到外的传递。而如果从动转子密封壳体4直接暴露在水中，虽然不会对从动转子5的工作机制产生影响，但是在旋转时会使从动转子密封壳体4受到周围水的影响，产生极大的阻力，降低转矩的传递效率，因此将从动转子5与从动转子密封壳体4布置于主壳体尾封板1与轴托板7形成的密封空间内来避免水对从动转子密封壳体4的影响，保证传递效率的高效。

本发明中从动转子5与主动转子16的内外布置形式利用从动转子5外缘切割磁场产生感应电流，通过感应电流在磁场中受到的安培力完成转矩的传递。而现有磁传动机构布置形式多采用相对盘面在磁场中产生涡流，进而通过涡流产生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用完成转矩的传递。由于涡流所能产生的磁场强度较小，导致涡流磁场与永磁体磁场的相互作用也不会很强，因此转矩传递的效果也会大打折扣。相比之下，本发明中的布置形式具有更好的转矩传递效果。与此同时，本发明中为了方便在主动转子16与从动转子5之间布置主动转子陶瓷轴承8与轴托板7，选取的主动转子永磁体17与从动转子5之间的相对气隙较大，该磁间隙表现为陶瓷轴承8厚度与轴托板7厚度之和，从动转子5由铜制成，其上开有细缝19等设计，分别从降低磁导率和破坏涡流回路两方面入手减少了不利涡流的产生，进一步提升的整个传递部分的转矩传递效率。而现有的磁传动形式，由于其采用变化磁场产生的涡流，进而产生涡流磁场与原磁场相互作用完成转矩的传递，因此在这一过程中感应产生的涡流是实现传动的关键。但是涡流的多少、强弱对磁间隙的大小极为敏感，当增大磁间隙时，磁导率减小，会使得涡流减少，强度减小，这与现有磁传动机构的高效传动是矛盾的。

由于水下作业装备在工作时普遍对转矩功率要求不是很高，因此这种设计可以满足水下作业装备的需求，并且还可以进一步从轴向和径向两个方向进行小型化处理，所谓小型化处理分为主动转子16与从动转子5之间轴向距离的减小、主动转子16和从动转子5的径向尺寸减小。可实现这种小型化处理的原因是，主动转子永磁体17与从动转子5之间的磁间隙已通过陶瓷轴承8与轴托板7的尺寸固定下来，采用切割磁场产生感应电流的从动转子5的切割长度同样已经固定，因此在从动转子5处于主动转子永磁体17的磁场中时，减小主动转子16与从动转子5的尺寸，调整主动转子16与从动转子5的轴向距离并没有改变磁传动部分的磁场参数，对于整个装置的传动效果也是没有影响的。对主动转子16与从动转子6进行小型化处理可以更好的适应水下作业装备内部狭小的空间，并节约材料，降低制造成本。而现有磁传动机构布置形式为了满足磁气隙参数，即使进行小型化处理也只能从径向这一个方向来完成，在此过程中还需要考虑盘面减小对于涡流数量的影响，因此本发明所采用的布置形式可以更方便的进行小型化处理。