本發(fā)明涉及機(jī)電傳動(dòng)領(lǐng)域，特別涉及一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組。

背景技術(shù)：

正交軸的傳動(dòng)目前多采用錐齒輪和面齒輪。錐齒輪的齒面形狀復(fù)雜，加工制造困難，不同品牌的錐齒輪參數(shù)也不同，并且在制作過程中多采用配對(duì)制造，這對(duì)錐齒輪的加工制造、檢修及維修造成很大麻煩。面齒輪由于加工需要的刀具尺寸與實(shí)際嚙合的圓柱齒輪相同，加工不同尺寸和參數(shù)的面齒輪所需要的刀具數(shù)量較多，加工成本較高；另外，面齒輪內(nèi)徑處有根切現(xiàn)象，外徑處有尖角現(xiàn)象，因此齒寬不能設(shè)計(jì)得太長，傳動(dòng)強(qiáng)度受限。

近些年來，依靠磁性力進(jìn)行動(dòng)力傳遞的磁性齒輪有了很大的發(fā)展。磁性齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸傳動(dòng)，避免了主動(dòng)軸和從動(dòng)軸間的直接機(jī)械接觸，可以減小噪音和振動(dòng)，對(duì)工作環(huán)境無污染，并且具有過載保護(hù)等特點(diǎn)。

根據(jù)錐齒輪和面齒輪的特點(diǎn)，有人相應(yīng)地提出了能夠?qū)崿F(xiàn)正交軸傳動(dòng)的永磁平面齒輪和永磁圓錐齒輪。采用多圈磁極耦合的永磁平面齒輪采用了數(shù)量較多的永磁體，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝配麻煩；永磁圓錐齒輪的永磁體充磁方式和裝配都比較困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決目前用于正交軸傳動(dòng)的永磁平面齒輪和錐齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和裝配困難的問題，提供了一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組。

實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，其組成包括兩個(gè)輪，所述的兩個(gè)輪均為磁性齒輪，兩個(gè)輪分別是圓柱輪和平面輪，所述的平面輪水平設(shè)置，所述的圓柱輪設(shè)置在平面輪上方，且圓柱輪和平面輪的輪軸中心線相正交，圓柱輪和平面輪之間留有氣隙；當(dāng)其中一個(gè)輪為主動(dòng)輪時(shí)，另外一個(gè)輪為從動(dòng)輪，所述的主動(dòng)輪通過磁性力帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

1、由于圓柱輪和平面輪沒有直接的機(jī)械接觸，該齒輪組無磨損、噪音小、傳動(dòng)效率高，具有可靠性高、免維護(hù)、過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；

2、由于在每相鄰設(shè)置的第一型瓦片形永磁體和第二型瓦片形永磁體之間的間距內(nèi)緊密設(shè)置有一個(gè)瓦片形填充物體，使得永磁體的用量大幅減少，成本得到降低；

3、采用Halbach陣列式安裝永磁體能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的氣隙磁場，因此對(duì)齒輪組的性能有較大提升。

綜上，該齒輪組的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，方便裝配，適用于對(duì)噪聲、潔凈度和可靠性要求較高以及兩個(gè)軸系相互隔離的場合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組的軸測圖；

圖2是圓柱輪的零件分解圖；

圖3是圓柱輪的主視圖；

圖4是圖3的A-A剖視圖；

圖5是表貼式圓柱輪的多個(gè)瓦片形永磁體及多個(gè)瓦片形填充物體排布在圓柱輪軛部的外圓周面上的主視圖；

圖6是Halbach陣列式圓柱輪的多個(gè)瓦片形永磁體排布在圓柱輪軛部的外圓周面上的主視圖；

圖7是平面輪的零件分解圖；

圖8是平面輪的俯視圖；

圖9是圖8的B-B剖視圖；

圖10是Halbach陣列式平面輪的多個(gè)扇形永磁體排布在平面輪軛部的上表面的外邊緣處的主視圖；

圖11是表貼式平面輪的多個(gè)扇形填充物體及多個(gè)扇形永磁體排布在平面輪軛部的上表面的外邊緣處的主視圖；

圖12是圖1的俯視圖；

圖13是圖1的左視圖。

圖中：圓柱輪1、平面輪2、前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2、圓柱輪軛部4、軸向中心孔一4-1、鍵槽一4-2、瓦片形永磁體5、第一型瓦片形永磁體5-1、第二型瓦片形永磁體5-2、第三型瓦片形永磁體5-3、第四型瓦片形永磁體5-4、瓦片形填充物體6、保護(hù)套體7、上端環(huán)8、扇形永磁體9、第一型扇形永磁體9-1、第二型扇形永磁體9-2、第三型扇形永磁體9-3、第四型扇形永磁體9-4、外保護(hù)套10、平面輪軛部11、軸向中心孔二11-1、鍵槽二11-2、內(nèi)保護(hù)套12、平面輪軛部13、軸向中心孔二13-1、軸向中心孔二13-1、扇形填充物體14。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：如圖1、圖12及圖13所示，一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，其組成包括兩個(gè)輪，所述的兩個(gè)輪均為磁性齒輪，兩個(gè)輪分別是圓柱輪1和平面輪2，所述的平面輪2水平設(shè)置，所述的圓柱輪1設(shè)置在平面輪2上方，且圓柱輪1和平面輪2的輪軸中心線相正交，圓柱輪1和平面輪2之間留有氣隙（理論上，氣隙越小，能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩越大，但應(yīng)結(jié)合實(shí)際安裝空間和所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小綜合決定）；當(dāng)其中一個(gè)輪為主動(dòng)輪時(shí)，另外一個(gè)輪為從動(dòng)輪，所述的主動(dòng)輪通過磁性力帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

兩個(gè)輪均安裝有永磁體，根據(jù)永磁體的安裝方式不同，分為表貼式和Halbach陣列式兩種。根據(jù)永磁體的安裝方式進(jìn)行組合，本發(fā)明可有兩種組合結(jié)構(gòu)形式：表貼式圓柱輪配合Halbach陣列式平面輪結(jié)構(gòu)以及Halbach陣列式圓柱輪配合表貼式平面輪結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式二：如圖1~圖5及圖10所示，具體實(shí)施方式一所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1為表貼式圓柱輪，所述的平面輪2為Halbach陣列式平面輪；

所述的表貼式圓柱輪包括圓柱輪軛部4、多個(gè)瓦片形永磁體5及多個(gè)瓦片形填充物體6；

所述的圓柱輪軛部4采用導(dǎo)磁性鐵磁材料（如純鐵或低碳鋼）制成（為相鄰?fù)咂斡来朋w5提供磁路），所述的圓柱輪軛部4設(shè)有軸向中心孔一4-1，圓柱輪軛部4的軸向中心孔一4-1的內(nèi)壁上沿軸向開設(shè)有用于與軸系一配合的鍵槽一4-2；所述的多個(gè)瓦片形永磁體5包括多個(gè)第一型瓦片形永磁體5-1和多個(gè)第二型瓦片形永磁體5-2，所述的多個(gè)第一型瓦片形永磁體5-1和多個(gè)第二型瓦片形永磁體5-2依次交替且等間距設(shè)置并均通過粘結(jié)方式固定在圓柱輪軛部4的外圓周面上（形成磁鋼），每相鄰設(shè)置的第一型瓦片形永磁體5-1和第二型瓦片形永磁體5-2之間的間距內(nèi)緊密設(shè)置有一個(gè)瓦片形填充物體6，所述的多個(gè)瓦片形填充物體6均采用非導(dǎo)磁性材料（如塑料）制成，所述的多個(gè)瓦片形填充物體6均通過粘結(jié)方式固定在圓柱輪軛部4的外圓周面上，多個(gè)第一型瓦片形永磁體5-1和多個(gè)第二型瓦片形永磁體5-2均采用徑向充磁或平行充磁，且每相鄰設(shè)置的第一型瓦片形永磁體5-1及第二型瓦片形永磁體5-2的充磁方向相反；

所述的Halbach陣列式平面輪包括平面輪軛部11和多個(gè)扇形永磁體9；所述的平面輪軛部11設(shè)有軸向中心孔二11-1，平面輪軛部11的軸向中心孔二11-1的內(nèi)壁上沿軸向開設(shè)有用于與軸系二配合的鍵槽二11-2；所述的多個(gè)扇形永磁體9包括多個(gè)第一型扇形永磁體9-1、多個(gè)第二型扇形永磁體9-2、多個(gè)第三型扇形永磁體9-3及多個(gè)第四型扇形永磁體9-4；所述的多個(gè)第一型扇形永磁體9-1、多個(gè)第二型扇形永磁體9-2、多個(gè)第三型扇形永磁體9-3及多個(gè)第四型扇形永磁體9-4均豎直設(shè)置并通過粘結(jié)方式固定在平面輪軛部11的上表面的外邊緣處，且多個(gè)第一型扇形永磁體9-1、多個(gè)第二型扇形永磁體9-2、多個(gè)第三型扇形永磁體9-3及多個(gè)第四型扇形永磁體9-4依次按照第一型扇形永磁體9-1、第二型扇形永磁體9-2、第三型扇形永磁體9-3及第四型扇形永磁體9-4的排列順序循環(huán)排列設(shè)置（即采用Halbach陣列形式）形成圓筒狀的永磁體，多個(gè)第一型扇形永磁體9-1和多個(gè)第三型扇形永磁體9-3均采用切向充磁且二者充磁方向相反，每相鄰設(shè)置的第二型扇形永磁體9-2和第四型扇形永磁體9-4充磁方向與Halbach陣列式平面輪的軸向平行且二者充磁方向相反（由于永磁體采用Halbach陣列，形成單邊磁場分布），平面輪軛部11采用非導(dǎo)磁性材料（如塑料）制成。

具體實(shí)施方式三：如圖1~圖5、圖7及圖10所示，具體實(shí)施方式二所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的表貼式圓柱輪還包括前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體7；所述的前端環(huán)3-1和后端環(huán)3-2均通過粘結(jié)方式固定設(shè)置在多個(gè)瓦片形永磁體5及多個(gè)瓦片形填充物體6的前后兩個(gè)端面上，所述的保護(hù)套體7固套裝在多個(gè)瓦片形永磁體5及多個(gè)瓦片形填充物體6的外側(cè)，前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體7均采用非導(dǎo)磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使瓦片形永磁體5能夠避免結(jié)構(gòu)損壞、氧化，對(duì)瓦片形永磁體5形成有效保護(hù)）；

所述的Halbach陣列式平面輪還包括上端環(huán)8、外保護(hù)套10及內(nèi)保護(hù)套12；所述的外保護(hù)套10和內(nèi)保護(hù)套12分別設(shè)置在多個(gè)扇形永磁體9的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，所述的上端環(huán)8通過粘結(jié)方式固定在多個(gè)扇形永磁體9的上端面，上端環(huán)8、外保護(hù)套10及內(nèi)保護(hù)套12均采用非導(dǎo)磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使扇形永磁體9能夠避免結(jié)構(gòu)損壞、氧化，對(duì)扇形永磁體9形成有效保護(hù)）。

上端環(huán)8、內(nèi)保護(hù)套12和外保護(hù)套10的作用都是對(duì)Halbach陣列式平面輪的主體部分（包括平面輪軛部11和多個(gè)扇形永磁體9）進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)Halbach陣列式平面輪的主體部分的保護(hù)結(jié)構(gòu)也并不局限于這種結(jié)構(gòu)，可以多種多樣。

具體實(shí)施方式四：如圖5及圖10所示，具體實(shí)施方式二或三所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的表貼式圓柱輪的瓦片形永磁體5極對(duì)數(shù)與Halbach陣列式平面輪的扇形永磁體9極對(duì)數(shù)，應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

式中，和分別為表貼式圓柱輪和Halbach陣列式平面輪的轉(zhuǎn)速，為傳動(dòng)比。

本實(shí)施方式的有益效果是：可使齒輪組在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)比保持恒定，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)傳遞。

具體實(shí)施方式五：如圖2及圖6所示，具體實(shí)施方式二所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的多個(gè)瓦片形永磁體5及多個(gè)瓦片形填充物體6與多個(gè)扇形永磁體9的厚度均相等，多個(gè)瓦片形永磁體5及多個(gè)瓦片形填充物體6的軸向長度與多個(gè)扇形永磁體9的徑向長度均相等。

具體實(shí)施方式六：如圖1~4、圖6~圖9及圖11所示，具體實(shí)施方式一所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1為Halbach陣列式圓柱輪，所述的平面輪為表貼式平面輪；

所述的Halbach陣列式圓柱輪包括圓柱輪軛部4和多個(gè)瓦片形永磁體5；所述的圓柱輪軛部4設(shè)有軸向中心孔一4-1，圓柱輪軛部4的軸向中心孔一4-1的內(nèi)壁上沿軸向開設(shè)有用于與軸系一配合的鍵槽一4-2；

所述的多個(gè)瓦片形永磁體5包括多個(gè)第一型瓦片形永磁體5-1、多個(gè)第二型瓦片形永磁體5-2、多個(gè)第三型瓦片形永磁體5-3及多個(gè)第四型瓦片形永磁體5-4，所述的多個(gè)第一型瓦片形永磁體5-1、多個(gè)第二型瓦片形永磁體5-2、多個(gè)第三型瓦片形永磁體5-3及多個(gè)第四型瓦片形永磁體5-4均通過粘結(jié)方式固定在圓柱輪軛部4的外圓周面上，且多個(gè)第一型瓦片形永磁體5-1、多個(gè)第二型瓦片形永磁體5-2、多個(gè)第三型瓦片形永磁體5-3及多個(gè)第四型瓦片形永磁體5-4依次按照第一型瓦片形永磁體5-1、第二型瓦片形永磁體5-2、第三型瓦片形永磁體5-3及第四型瓦片形永磁體5-4的排列順序循環(huán)排列設(shè)置（即采用Halbach陣列形式）形成圓環(huán)狀的永磁體，多個(gè)第一型瓦片形永磁體5-1及多個(gè)第三型瓦片形永磁體5-3均采用切向充磁，且每相鄰設(shè)置的第一型瓦片形永磁體5-1與第三型瓦片形永磁體5-3的充磁方向相反，所述的多個(gè)第二型瓦片形永磁體5-2及第四型瓦片形永磁體5-4均采用徑向或平行充磁，且每相鄰設(shè)置的第二型瓦片形永磁體5-2與第四型瓦片形永磁體5-4的充磁方向相反（由于永磁體采用Halbach陣列，形成單邊磁場分布）；

所述的表貼式平面輪包括平面輪軛部13、多個(gè)扇形填充物體14和多個(gè)扇形永磁體9；所述的平面輪軛部13采用導(dǎo)磁性材料（如純鐵或低碳鋼）制成（為相鄰扇形永磁體9提供磁路），平面輪軛部13設(shè)有軸向中心孔二13-1，平面輪軛部13的軸向中心孔二13-1的內(nèi)壁上沿軸向開設(shè)有用于與軸系二配合的鍵槽二13-2；所述的多個(gè)扇形永磁體9包括多個(gè)第一型扇形永磁體9-1和多個(gè)第二型扇形永磁體9-2，所述的多個(gè)第一型扇形永磁體9-1和多個(gè)第二型扇形永磁體9-2均依次交替且等間距豎直設(shè)置并通過粘結(jié)方式固定在平面輪軛部13的上表面的外周邊緣處，每相鄰設(shè)置的第一型扇形永磁體9-1和第二型扇形永磁體9-2之間的間距內(nèi)緊密設(shè)置有一個(gè)扇形填充物體14，所述的多個(gè)扇形填充物體14均采用非導(dǎo)磁性材料（如塑料等）制成，所述的多個(gè)扇形填充物體14均通過粘結(jié)方式固定在平面輪軛部13的上表面的外周邊緣處，多個(gè)第一型扇形永磁體9-1和多個(gè)第二型扇形永磁體9-2的充磁方向與表貼式平面輪的軸向平行，且每相鄰設(shè)置的第一型扇形永磁體9-1和第二型扇形永磁體9-2的充磁方向相反，每個(gè)扇形填充物體14和與其相鄰設(shè)置的第一型扇形永磁體9-1或第二型扇形永磁體9-2構(gòu)成一個(gè)極距，多個(gè)瓦片形永磁體5的極弧系數(shù)在0.3-0.5之間，多個(gè)扇形永磁體9的極弧系數(shù)與多個(gè)瓦片形填充物體6的極弧系數(shù)保持一致。

具體實(shí)施方式七：如圖2、圖4、圖7及圖9所示，具體實(shí)施方式六所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的Halbach陣列式圓柱輪還包括前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體7；所述的前端環(huán)3-1和后端環(huán)3-2均通過粘結(jié)方式固定設(shè)置在多個(gè)瓦片形永磁體5的前后兩個(gè)端面上，所述的保護(hù)套體7固套裝在多個(gè)瓦片形永磁體5的外側(cè)，前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體7均采用非導(dǎo)磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使瓦片形永磁體5能夠避免結(jié)構(gòu)損壞、氧化，對(duì)瓦片形永磁體5形成有效保護(hù)）；

所述的表貼式平面輪還包括上端環(huán)8、外保護(hù)套10及內(nèi)保護(hù)套12；所述的外保護(hù)套10和內(nèi)保護(hù)套12分別設(shè)置在多個(gè)扇形填充物體14和多個(gè)扇形永磁體9的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，所述的上端環(huán)8通過粘結(jié)方式固定在多個(gè)扇形填充物體14和多個(gè)扇形永磁體9的上端面，上端環(huán)8、外保護(hù)套10及內(nèi)保護(hù)套12均采用非導(dǎo)磁性材料（如不銹鋼或玻璃絲帶）制成（使扇形永磁體9能夠避免結(jié)構(gòu)損壞、氧化，對(duì)扇形永磁體9形成有效保護(hù)）。

具體實(shí)施方式八：如圖6及圖11所示，具體實(shí)施方式六或七所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的Halbach陣列式圓柱輪的瓦片形永磁體5極對(duì)數(shù)與表貼式平面輪的扇形永磁體9極對(duì)數(shù)，應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

式中，和分別為Halbach陣列式圓柱輪和表貼式平面輪的轉(zhuǎn)速，為傳動(dòng)比。

本實(shí)施方式的有益效果是：可使齒輪組在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)比保持恒定，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)傳遞。

具體實(shí)施方式九：如圖2及圖7所示，具體實(shí)施方式六所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的多個(gè)瓦片形永磁體5與多個(gè)扇形永磁體9以及多個(gè)扇形填充物體14的厚度均相等，多個(gè)瓦片形永磁體5的軸向長度與多個(gè)扇形永磁體9及多個(gè)扇形填充物體14的徑向長度均相等。

具體實(shí)施方式十：如圖12及圖13所示，具體實(shí)施方式一所述的一種用于正交軸傳動(dòng)的表貼-Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1的前后兩個(gè)端面與平面輪2的內(nèi)外兩條圓弧線對(duì)齊（相切）設(shè)置。

本實(shí)施方式的有益效果是：確保耦合區(qū)域盡量大，能傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。

工作原理：此種結(jié)構(gòu)兩個(gè)輪子均由永磁體直接產(chǎn)生氣隙磁通，表貼式結(jié)構(gòu)直接由瓦片形永磁體5產(chǎn)生氣隙磁通，而Halbach陣列式結(jié)構(gòu)的扇形永磁體9將相鄰磁極的切向磁通集中在一個(gè)扇形永磁體然后進(jìn)入氣隙。所以工作時(shí)，上下輪直接產(chǎn)生氣隙磁通的兩個(gè)永磁體相對(duì)，產(chǎn)生磁性力。

由于兩輪之間產(chǎn)生的磁性力，主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)從動(dòng)輪上有負(fù)載時(shí)，耦合區(qū)域內(nèi)，對(duì)于表貼式圓柱輪配合Halbach陣列式平面輪結(jié)構(gòu)，其瓦片形永磁體5與多個(gè)扇形永磁體9中心并不是正對(duì)的，會(huì)錯(cuò)開一定的角度，負(fù)載越大，錯(cuò)開的角度也越大。當(dāng)錯(cuò)開90°電角度時(shí)，能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，當(dāng)負(fù)載超過此時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，兩輪將產(chǎn)生“相對(duì)滑動(dòng)”，齒輪組不能正常工作，也即發(fā)生了過載保護(hù)。

而對(duì)于表貼式圓柱輪配合Halbach陣列式平面輪結(jié)構(gòu)，其扇形永磁體9與瓦片形永磁體5的中心并不是正對(duì)的，會(huì)錯(cuò)開一定的角度，負(fù)載越大，錯(cuò)開的角度也越大。當(dāng)錯(cuò)開90°電角度時(shí)，能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，當(dāng)負(fù)載超過此時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，兩輪將產(chǎn)生“相對(duì)滑動(dòng)”，齒輪組不能正常工作，也即發(fā)生了過載保護(hù)。