专利名称：基于Halbach阵列的磁耦合传动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于Halbach阵列的磁耦合传动装置。
背景技术：
目前的齿轮传动机构主要是依靠机械齿轮的相互啮合来实现力与速度的传递，其传动比恒定、能实现较大功率的传递；但是它们在传动的过程中，都要求主动部件与从动部件相互接触，从而会有磨损、噪声、振动的产生，需要润滑，制造与转配精度要求高，使得一些机构，尤其是一些特殊用途的传动机构在结构形式上显得较为复杂，而且许多影响系统动态性能的因素也难以避免。一般的永磁齿轮传动装置属于磁耦合传动，可实现动力的无接触传递，它加工容易，非接触传动且无需润滑，因而传动平稳、清洁、无摩擦能耗、无油污、防尘防水，启动转矩较低、具有过载保护作用，结构简便，易于装卸、维修和调试。但是它的显著缺陷是所能够传递的转矩密度和传动比较小、永磁体利用率不高、漏磁现象严重。
发明内容为了克服现有机械齿轮由于接触所产生的缺点和磁耦合传动装置所能够传递的转矩密度和传动比较小的缺陷，本实用新型提供一种结构简单、能够实现较大的转矩密度和传动比的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置。本实用新型采用的技术方案是基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，包括输入轴、轴承、永磁体、定子、转子、输出轴，其特征在于所述输出轴和所述输入轴通过轴承与轴承座分别固定在一支架上，所述转子与所述输入轴通过所述转子内部型腔的轴承传动连接且两者间隙配合，所述转子与所述输出轴采用轴承中偏心放置轴承的连接方式连接；所述定子嵌套在所述转子外面且与所述转子组成偏心机构，所述定子与一基座固定，在所述定子的内表面和所述转子的外表面均设置有可使所述转子自转的所述永磁铁，两个所述永磁体之间设有气隙，所述永磁铁的磁化方向呈Halbach方式排列。进一步，所述输入轴采用偏心轴形式，偏心轴的偏心距与所述定子和转子之间的
偏心距相等。所述转子内部型腔的轴承之间设有一套筒，所述轴承之间的距离通过一套筒来控制且与输入轴之间为过盈配合的关系。进一步，所述转子与输出轴之间采用三组第一滚针轴承中偏心放置第二滚针轴承的连接方式保证所述输出轴的运动是单自由度的转动，且第一、第二滚针轴承之间的偏置距离与所述定子和转子之间的偏心距相等。进一步，所述输出轴由第一轴、圆盘和第二轴组成，三根所述第一轴与所述圆盘一端固定连接，所述圆盘另一端与所述第二轴连接；三根所述第一轴与所述转子相连。进一步，所述转子端部开设有三个均匀分布的盲孔，所述盲孔内设置有所述第一滚针轴承，所述盲孔的深度和直径分别与所述第一滚针轴承的宽度和外径一致；在所述三个第一滚针轴承的内径处各设有带有圆孔的圆柱体，所述圆柱体的高度和直径分别与所述第一滚针轴承的宽度和内径一致；所述圆柱体上的圆孔中心线与所述圆柱体的中心线偏置且偏置的距离与所述定子和转子之间的偏心距相等；在三个所述圆柱体的圆孔上分别设有所述第二滚针轴承，所述第二滚针轴承的外径与所述圆柱体上的圆孔直径一致，三个所述第二滚针轴承分别与三根第一轴连接且两者为过盈配合。进一步，所述转子为一带有型腔的圆柱体基体；所述定子为一圆筒基体。进一步，所述第二轴的直径与所述输入轴的直径相同且与所述定子的轴线共线。本实用新型采用转子与定子相嵌套的偏心机构(定子轴线与转子轴线偏移一定)，它类似摆线齿轮，是一种行星式传动装置，只是本实用新型把摆线齿轮的定子与转子上的轮齿变换成了紧密结合在一起的扇形永磁体且定子同转子上的永磁体是不接触的而是留有工作气隙。采用采用三组第一滚针轴承中偏心放置第二滚针轴承的连接方式是因为三点确定一个平面使得运动更平稳也是为了保证输出轴的运动是单自由度的转动。
·[0014]本实用新型的定子内表面与转子外表面上永磁体排列方式采用Halbach阵列形
式，能够实现的传动比根据公式M") = ^7(Pl、P2分别为定子和转子磁极数且Pl>P2)来
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计算，可知它们的磁极数相差越小其能实现的传动比的绝对值越大。本实用新型在所述转子上的永磁体和定子上的永磁体不相接触的情况下，偏移的距离越大，最小工作气隙值越小，其所能传递的转矩越大。Halbach阵列永磁体技术特征直线型Halbach阵列是最基础的Halbach阵列组成形式，这种阵列磁体可以视为一种径向阵列与切向阵列的结合体，其原理如图1所示。理想的直线型Halbach阵列的磁化矢量是按正弦曲线连续变化，其强磁场一侧的场强大小也是按正弦形式分布，而另一侧几乎为零场强。在实际应用中，由于无法实现永磁体的充磁方向的连续变化，常常采用将离散磁块拼接在一起近似正弦充磁的情况。本实用新型采用圆柱形Halbach阵列形式。圆柱形Halbach阵列可视为将直线型Halbach阵列弯曲首尾相接组合而成的圆环形状，根据磁化方向旋转理论，各永磁体片段的磁化方为0^=(1土p) Θ i ； Qni为永磁体片段磁化方向相对坐标原点的角度，P为磁极对数，Θ i为第i个永磁体中心相对坐标原点的角度，“ + ”号是指永磁体产生向内的磁场，而表不产生向外的磁场。永磁体排列方式米用Halbach阵列，能够用最少量的永磁体产生最强的磁场且能使一边的磁场得到曾强另一边的磁场得到削弱，这样易于得到单边磁场，漏磁得到减少，永磁体的利用率得到提高。定子和转子的磁极数越多它们能传递的转矩越大，每极所含的永磁体数目越多，其所能产生的磁感应强度越正弦化，能够传递的转矩也越大。永磁体越厚其所能传递的转矩越大。圆柱形Halbach阵列每极所含有永磁体数目如图2a-2d。本实用新型在安装时，输入轴需与联轴器相连的一端的轴线与定子轴线共线，另一端的轴线与转子的轴线共线。本实用新型的工作原理开始假设转子和定子上没有永磁体且转子与输入轴是固定在一起的，当输入轴旋转时，转子整体也随之转动，由于输入轴是一偏心轴，转子的旋转中心与输入轴的输入端或定子的轴线共线，此时转子只有公转。若转子与输入轴不是固定连接而是通过在转子内部型腔的轴承连接且认为转子的质量是均匀分布，除了受输入轴的力和自身重力外不受其他任何外力的情况下，转子也只有公转，其转速与输入轴的转速相等。接着当我们在定子和转子的上粘结永磁体且转子与输入轴是通过轴承连接，当输入轴旋转时，由于永磁体间的磁力作用，此时转子既有公转还有绕输入轴旋转的自转，这样摆线永磁齿轮就能像传统机械齿轮那样传递运动和转矩。转子与输出轴采用轴承中偏心放置轴承的连接方式，且轴承的偏置距离与定子中心线和转子中心线的偏移距离一致，采用三个轴承是因为三点确定一个平面使得运动更平稳，这样才能保证输出轴的运动是单自由度的转动。实践证明，摆线齿轮有着高速比和高效率的特点，由于采用了行星传动原理，输入轴输出轴在同一轴心线上，使其机型获得尽可能小的尺寸，运转平稳噪声低。为提高永磁齿轮输出转矩、快速响应和实现小型轻量化，提高转子与定子之间的气隙磁通密度是有效的途径，而提高气隙磁通密度的方法可以采用永磁体呈Halbach阵列的形式。Halbach阵列的磁化矢量是按正弦曲线连续变化，其强磁场一侧的场强大小得到叠加是按正弦形式分布，而另一侧是零场强，这样用最小量永磁体得到最强气隙磁通密度。因此本实用新型采用了摆线永磁齿轮结构和永磁体呈Halbach阵列形式两种相结合的方法，结合两者优点使本实用新型有着很好的使用效益。本实用新型的有益效果体现在1、永磁体的阵列方式采用Halbach阵列能够提供更大的转矩和传动比；2、实现动力的无接触传递，它加工容易，无需润滑，传动平稳、清洁、无摩擦能耗、无油污、防尘防水；3、启动转矩较低、具有过载保护作用；4、结构简便，易于装卸、维修和调试。
图1是直线型永磁体Halbach阵列示意图。图2a是圆柱形Halbach阵列每极一段所含有永磁体数目示意图。图2b是圆柱形Halbach阵列每极二段所含有永磁体数目示意图。图2c是圆柱形Halbach阵列每极三段所含有永磁体数目示意图。图2d是圆柱形Halbach阵列每极四段所含有永磁体数目示意图。图3是本实用新型的整体装配剖面图。图4是本实用新型图3中的A-A方向视图。图5是本实用新型支架的左视图。图6是本实用新型除去支架和基座的轴测图(a)。图7是本实用新型除去支架和基座的轴测图(b)。图8是本实用新型除去支架和基座轴测图的局部剖视图。图9是本实用新型图3中1、21、22、23装配图的轴测图。图10是本实用新型输出轴轴测图。
具体实施方式
参照图3至图10，基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，包括输入轴1、轴承3、永磁体6、定子9、转子8、输出轴，所述输出轴和所述输入轴I通过轴承3与轴承座2分别固定在一支架4上，所述转子8与所述输入轴I通过所述转子8内部型腔的轴承3传动连接且两者间隙配合，所述转子8与所述输出轴采用轴承中偏心放置轴承的连接方式连接；所述定子9嵌套在所述转子8外面且与所述转子8组成偏心机构，所述定子9与一基座5固定，在所述定子9的内表面和所述转子8的外表面均设置有可使所述转子8自转的所述永磁铁6，两个所述永磁体6之间设有气隙,所述永磁铁6的磁化方向呈Halbach方式排列。进一步，所述输入轴I采用偏心轴形式，偏心轴的偏心距与所述定子9和转子8之间的偏心距相等。进一步，所述转子8内部型腔的轴承3之间设有一套筒15，所述轴承3之间的距离通过一套筒15来控制且与输入轴I之间为过盈配合的关系。进一步，所述转子8与输出轴I之间采用三组第一滚针轴承13中偏心放置第二滚针轴承14的连接方式保证所述输出轴的运动是单自由度的转动，且第一、第二滚针轴承13,14之间的偏置距离与所述定子9和转子8之间的偏心距相等。进一步，所述输出轴由第一轴10、圆盘11和第二轴7组成，三根所述第一轴10与所述圆盘11 一端固定连接，所述圆盘11另一端与所述第二轴7连接；三根所述第一轴10与所述转子8相连。进一步，所述转子8端部开设有三个均匀分布的盲孔，所述盲孔内设置有所述第一滚针轴承13，所述盲孔的深度和直径分别与所述第一滚针轴承13的宽度和外径一致；在所述三个第一滚针轴承13的内径处各设有带有圆孔的圆柱体12，所述圆柱体12的高度和直径分别与所述第一滚针轴承13的宽度和内径一致；所述圆柱体12上的圆孔中心线与所述圆柱体12的中心线偏置且偏置的距离与所述定子9和转子8之间的偏心距相等；在三个所述圆柱体12的圆孔上分别设有所述第二滚针轴承14，所述第二滚针轴承14的外径与所述圆孔的直径一致，三个所述第二滚针轴承14分别与三根第一轴10连接且两者为过盈配
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口 ο进一步，所述转子8为一带有型腔的圆柱体基体；所述定子9为一圆筒基体。进一步，所述第二轴7的直径与所述输入轴I的直径相同且与所述定子9的轴线共线。本实用新型采用转子8与定子9相嵌套的偏心机构(定子轴线与转子轴线偏移一定)，它类似摆线齿轮，是一种行星式传动装置，只是本实用新型把摆线齿轮的定子与转子上的轮齿变换成了紧密结合在一起的扇形永磁体且定子同转子上的永磁体是不接触的而是留有工作气隙。采用三组第一滚针轴承13中偏心放置第二滚针轴承14的连接方式是因为三点确定一个平面使得运动更平稳也是为了保证输出轴的运动是单自由度的转动。参照图1、图2a、2b、2c、2d，本实用新型的定子9内表面与转子8外表面上永磁体
排列方式采用Halbach阵列形式，能够实现的传动比根据公式'分别为
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定子和转子磁极数且Pl>P2)来计算，可知它们的磁极数相差越小其能实现的传动比的绝对值越大。本实用新型在所述转子上的永磁体和定子上的永磁体不相接触的情况下，偏移的距离越大，最小工作气隙值越小，其所能传递的转矩越大。Halbach阵列永磁体技术特征[0049]直线型Halbach阵列是最基础的Halbach阵列组成形式，这种阵列磁体可以视为一种径向阵列与切向阵列的结合体，其原理如图1所示。理想的直线型Halbach阵列的磁化矢量是按正弦曲线连续变化，其强磁场一侧的场强大小也是按正弦形式分布，而另一侧几乎为零场强。在实际应用中，由于无法实现永磁体的充磁方向的连续变化，常常采用将离散磁块拼接在一起近似正弦充磁的情况。本实用新型采用圆柱形Halbach阵列形式。圆柱形Halbach阵列可视为将直线型Halbach阵列弯曲首尾相接组合而成的圆环形状，根据磁化方向旋转理论，各永磁体片段的磁化方为Qm= (I土P) Θ i ；匕为永磁体片段磁化方向相对坐标原点的角度，P为磁极对数，θ i为第i个永磁体中心相对坐标原点的角度，“+”号是指永磁体产生向内的磁场，而表不产生向外的磁场。永磁体排列方式米用Halbach阵列，能够用最少量的永磁体产生最强的磁场且能使一边的磁场得到曾强另一边的磁场得到削弱，这样易于得到单边磁场，漏磁得到减少，永磁体的利用率得到提高。定子和转子的磁极数越多它们能传递的转矩越大，每极所含的永磁体数目越多，其所能产生的磁感应强度越正弦化，能够传递的转矩也越大。永磁体越厚其所能传递的转矩越大。圆柱形Halbach阵列每极所含有永磁体数目如图2a-2d。本实用新型在安装时，输入轴I需与联轴器相连的一端的轴线与定子9轴线共线， 另一端的轴线与转子8的轴线共线。本实用新型的工作原理开始假设转子8和定子9上没有永磁体6且转子8与输入轴I是固定在一起的，当输入轴I旋转时，转子8整体也随之转动，由于输入轴I是一偏心轴，转子8的旋转中心与输入轴I的输入端或定子9的轴线共线，此时转子8只有公转。若转子8与输入轴I不是固定连接而是通过在转子8内部型腔的轴承3连接且认为转子8的质量是均匀分布，除了受输入轴I的力和自身重力外不受其他任何外力的情况下，转子8也只有公转，其转速与输入轴I的转速相等。接着当我们在定子9和转子8的上粘结永磁体6且转子8与输入轴I是通过轴承3连接，当输入轴I旋转时，由于永磁体6间的磁力作用，此时转子8既有公转还有绕输入轴I旋转的自转，这样摆线永磁齿轮就能像传统机械齿轮那样传递运动和转矩。转子8与输出轴I采用轴承中偏心放置轴承的连接方式，且轴承的偏置距离与定子中心线和转子中心线的偏移距离一致，采用三个轴承是因为三点确定一个平面使得运动更平稳，这样才能保证输出轴的运动是单自由度的转动。实践证明，摆线齿轮有着高速比和高效率的特点，由于采用了行星传动原理，输入轴输出轴在同一轴心线上，使其机型获得尽可能小的尺寸，运转平稳噪声低。为提高永磁齿轮输出转矩、快速响应和实现小型轻量化，提高转子与定子之间的气隙磁通密度是有效的途径，而提高气隙磁通密度的方法可以采用永磁体呈Halbach阵列的形式。Halbach阵列的磁化矢量是按正弦曲线连续变化，其强磁场一侧的场强大小得到叠加是按正弦形式分布，而另一侧是零场强，这样用最小量永磁体得到最强气隙磁通密度。因此本实用新型采用了摆线永磁齿轮结构和永磁体呈Halbach阵列形式两种相结合的方法，结合两者优点使本实用新型有着很好的使用效益。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
权利要求1.基于Halbach阵列的磁稱合传动装置,包括输入轴、轴承、永磁体、定子、转子、输出轴，其特征在于所述输出轴和所述输入轴通过轴承与轴承座分别固定在一支架上，所述转子与所述输入轴通过所述转子内部型腔的轴承传动连接且两者间隙配合，所述转子与所述输出轴采用轴承中偏心放置轴承的连接方式连接；所述定子嵌套在所述转子外面且与所述转子组成偏心机构，所述定子与一基座固定，在所述定子的内表面和所述转子的外表面均设置有可使所述转子自转的所述永磁铁，两个所述永磁体之间设有气隙，所述永磁铁的磁化方向呈Halbach方式排列。
2.如权利要求1所述的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，其特征在于所述输入轴采用偏心轴形式，偏心轴的偏心距与所述定子和转子之间的偏心距相 等。
3.如权利要求1所述的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，其特征在于所述转子内部型腔的轴承之间设有一套筒，所述轴承之间的距离通过一套筒来控制且与输入轴之间为过盈配合的关系。
4.如权利要求1所述的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，其特征在于所述转子与输出轴之间采用三组第一滚针轴承中偏心放置第二滚针轴承的连接方式保证所述输出轴的运动是单自由度的转动，且第一、第二滚针轴承之间的偏置距离与所述定子和转子之间的偏心距相等。
5.如权利要求1所述的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，其特征在于所述输出轴由第一轴、圆盘和第二轴组成，三根所述第一轴与所述圆盘一端固定连接，所述圆盘另一端与所述第二轴连接；三根所述第一轴与所述转子相连。
6.如权利要求5所述的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，其特征在于所述转子端部开设有三个均匀分布的盲孔，所述盲孔内设置有所述第一滚针轴承，所述盲孔的深度和直径分别与所述第一滚针轴承的宽度和外径一致；在所述三个第一滚针轴承的内径处各设有带有圆孔的圆柱体，所述圆柱体的高度和直径分别与所述第一滚针轴承的宽度和内径一致；所述圆柱体上的圆孔中心线与所述圆柱体的中心线偏置且偏置的距离与所述定子和转子之间的偏心距相等；在三个所述圆柱体的圆孔上分别设有所述第二滚针轴承，所述第二滚针轴承的外径与所述圆柱体上的圆孔的直径一致，三个所述第二滚针轴承分别与三根第一轴连接且两者为过盈配合。
7.如权利要求1所述的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，其特征在于所述转子为一带有型腔的圆柱体基体；所述定子为一圆筒基体。
8.如权利要求1所述的基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，其特征在于所述第二轴的直径与所述输入轴的直径相同且与所述定子的轴线共线。
专利摘要本实用新型公开了一种基于Halbach阵列的磁耦合传动装置，包括输入轴、轴承、永磁体、定子、转子、输出轴，所述输出轴和所述输入轴通过轴承与轴承座分别固定在一支架上，所述转子与所述输入轴通过所述转子内部型腔的轴承传动连接且两者间隙配合，所述转子与所述输出轴采用轴承中偏心放置轴承的连接方式连接；所述定子嵌套在所述转子外面且与所述转子组成偏心机构，所述定子与一基座固定，在所述定子的内表面和所述转子的外表面均设置有可使所述转子自转的所述永磁铁，两个所述永磁体之间设有气隙，所述永磁铁的磁化方向呈Halbach方式排列。本实用新型解决了现有机械齿轮由于接触所产生的缺点和一般的永磁齿轮所能够传递的转矩密度和传动比较小的缺陷。
文档编号H02N11/00GK202856661SQ201220298208
公开日2013年4月3日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者郝伟娜, 朱雪松 申请人:浙江工业大学