本實(shí)用新型涉及機(jī)電傳動領(lǐng)域，特別涉及一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組。

背景技術(shù)：

正交軸的傳動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制造，這對錐齒輪的加工制造、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，傳動強(qiáng)度受限。

近些年來，依靠磁性力進(jìn)行動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，避免了主動軸和從動軸間的直接機(jī)械接觸，可以減小噪音和振動，對工作環(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)正交軸傳動的永磁平面齒輪和永磁圓錐齒輪。由于齒輪結(jié)構(gòu)因素，處于嚙合區(qū)域的磁極數(shù)量比較少，因此能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩受到了很大限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決目前用于正交軸傳動的永磁平面齒輪和錐齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩受限的問題，提供了一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組。

實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是：

一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，其組成包括兩個輪，所述的兩個輪均為磁性齒輪，兩個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)其中一個輪為主動輪時，另外一個輪為從動輪，所述的主動輪通過磁性力帶動從動輪轉(zhuǎn)動。

本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

1、由于主動齒輪和從動齒輪沒有直接的機(jī)械接觸，該齒輪組無磨損、噪音小、傳動效率高，具有可靠性高、免維護(hù)、過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；

2、Halbach陣列的永磁體能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的氣隙磁密，能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩更大；

3、該齒輪組的軛部（包括圓柱輪軛部和平面輪軛部）可以采用非導(dǎo)磁性材料，使齒輪組有較低的轉(zhuǎn)動慣量和較好的快速響應(yīng)能力，而且有利于降低成本。

綜上，本實(shí)用新型適用于對噪聲、潔凈度和可靠性要求較高以及兩個軸系相互隔離的場合。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圓柱輪的部件分解圖；

圖3是圓柱輪的主視圖；

圖4是圖3的A-A剖視圖；

圖5是圓柱輪中的多個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6是平面輪的部件分解圖；

圖7是平面輪的俯視圖；

圖8是圖7的B-B剖視圖；

圖9是平面輪中的多個扇形永磁體排布在平面輪軛部的上表面外邊緣處的俯視圖；

圖10是圖1的俯視圖；

圖11是圖1的左視圖；

圖12是瓦片形永磁體采用平行充磁的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是瓦片形永磁體采用徑向充磁的結(jié)構(gòu)示意圖。

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、保護(hù)套體6、上端環(huán)7、外保護(hù)套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、內(nèi)保護(hù)套10、平面輪軛部11、軸向中心孔二11-1、鍵槽二11-2。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：如圖1、圖10及圖11所示，本實(shí)施方式的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，其組成包括兩個輪，所述的兩個輪均為磁性齒輪，兩個輪分別是圓柱輪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)其中一個輪為主動輪時，另外一個輪為從動輪，所述的主動輪通過磁性力帶動從動輪轉(zhuǎn)動。

具體實(shí)施方式二：如圖1~圖13所示，具體實(shí)施方式一所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1包括圓柱輪軛部4和多個瓦片形永磁體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；

所述的多個瓦片形永磁體5包括多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第二型瓦片形永磁體5-2、多個第三型瓦片形永磁體5-3及多個第四型瓦片形永磁體5-4，所述的多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第二型瓦片形永磁體5-2、多個第三型瓦片形永磁體5-3及多個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，且多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第二型瓦片形永磁體5-2、多個第三型瓦片形永磁體5-3及多個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，多個第一型瓦片形永磁體5-1及多個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（如圖13所示）或平行（如圖12所示）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）；

所述的平面輪2包括平面輪軛部11和多個扇形永磁體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；所述的多個扇形永磁體9包括多個第一型扇形永磁體9-1、多個第二型扇形永磁體9-2、多個第三型扇形永磁體9-3及多個第四型扇形永磁體9-4；所述的多個第一型扇形永磁體9-1、多個第二型扇形永磁體9-2、多個第三型扇形永磁體9-3及多個第四型扇形永磁體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，且多個第一型扇形永磁體9-1、多個第二型扇形永磁體9-2、多個第三型扇形永磁體9-3及多個第四型扇形永磁體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，多個第一型扇形永磁體9-1和多個第三型扇形永磁體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充磁方向與平面輪2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）。

具體實(shí)施方式三：如圖2~圖4所示，具體實(shí)施方式一或二所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪軛部4和平面輪軛部11均采用非導(dǎo)磁性材料制成。

具體實(shí)施方式四：如圖2及圖4所示，具體實(shí)施方式二所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1還包括前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體6；所述的前端環(huán)3-1和后端環(huán)3-2分別通過粘結(jié)方式固定在多個瓦片形永磁體5的前后兩個端面上，所述的保護(hù)套體6緊密套裝在多個瓦片形永磁體5的外側(cè)，前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體6均采用非導(dǎo)磁性材料制成。

設(shè)置前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體6的作用都是對圓柱輪1的主體（包括圓柱輪軛部4和多個瓦片形永磁體5）進(jìn)行保護(hù)。對圓柱輪1的主體部分的保護(hù)結(jié)構(gòu)不局限上述結(jié)構(gòu)，可以多種多樣。

具體實(shí)施方式五：如圖2及圖4所示，具體實(shí)施方式四所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的前端環(huán)3-1、后端環(huán)3-2和保護(hù)套體6均采用不銹鋼或玻璃絲帶材料制成。使每個瓦片形永磁體5能夠避免結(jié)構(gòu)損壞、氧化，對每個瓦片形永磁體5形成有效保護(hù)。

具體實(shí)施方式六：如圖6~圖8所示，具體實(shí)施方式二所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的平面輪2還包括上端環(huán)7、外保護(hù)套8和內(nèi)保護(hù)套10；所述的外保護(hù)套8和內(nèi)保護(hù)套10分別緊密套裝在圓筒狀的永磁體的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，所述的上端環(huán)7通過粘結(jié)方式固定在圓筒狀的永磁體的上端面，上端環(huán)7、外保護(hù)套8、內(nèi)保護(hù)套10均采用非導(dǎo)磁性材料制成。

設(shè)置上端環(huán)7、外保護(hù)套8、內(nèi)保護(hù)套10的作用都是對平面輪2主體（包括平面輪軛部11和多個扇形永磁體9）進(jìn)行保護(hù)。對平面輪2的主體部分的保護(hù)結(jié)構(gòu)并不局限于上述結(jié)構(gòu)，可以多種多樣。

具體實(shí)施方式七：如圖6~圖8所示，具體實(shí)施方式六所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的上端環(huán)7、外保護(hù)套8和內(nèi)保護(hù)套10均采用不銹鋼或玻璃絲帶材料制成。使每個扇形永磁體9能夠避免結(jié)構(gòu)損壞、氧化，對每個扇形永磁體9形成有效保護(hù)。

具體實(shí)施方式八：如圖4及圖8所示，具體實(shí)施方式二所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1的多個瓦片形永磁體5的極對數(shù)與平面輪2的多個扇形永磁體9極對數(shù)，應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

式中，和分別為圓柱輪1和平面輪2的轉(zhuǎn)速，rad/s；為傳動比。

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4、圖5、圖8及圖9所示，具體實(shí)施方式二所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的多個瓦片形永磁體5的厚度與多個扇形永磁體9的厚度均相等，多個瓦片形永磁體5的軸向長度與多個扇形永磁體9的徑向長度相等，采用切向充磁的多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第三型瓦片形永磁體5-3、多個第一型扇形永磁體9-1及多個第三型扇形永磁體9-3的極弧系數(shù)均在0.3-0.5之間，且多個第一型瓦片形永磁體5-1、多個第三型瓦片形永磁體5-3、多個第一型扇形永磁體9-1及多個第三型扇形永磁體9-3的極弧系數(shù)相同。

本實(shí)施方式的有益效果是：避免永磁體在運(yùn)行過程中被退磁，防止齒輪組失效。

具體實(shí)施方式十：如圖10及圖11所示，具體實(shí)施方式二所述的一種用于正交軸傳動的Halbach陣列式永磁面齒輪組，所述的圓柱輪1的前后兩個端面與平面輪2的內(nèi)外兩條圓弧線對齊（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：如圖4、圖5、圖8及圖9所示，圓柱輪1上的多個第二型瓦片形永磁體5-2及多個第四型瓦片形永磁體5-4產(chǎn)生的磁場與平面輪2上的多個第二型扇形永磁體9-2和多個第四型扇形永磁體9-4產(chǎn)生的磁場耦合，主磁通依次經(jīng)過第二型瓦片形永磁體5-2→第一型瓦片形永磁體5-1（或第三型瓦片形永磁體5-3）→第四型瓦片形永磁體5-4→氣隙→第二型扇形永磁體9-2→第一型扇形永磁體9-1（或第三型扇形永磁體9-3）→第四型扇形永磁體9-4→第二型瓦片形永磁體5-2形成閉合回路。Halbach陣列的永磁體主磁通幾乎不通過軛部（包括圓柱輪軛部4和平面輪軛部11）形成單邊磁場分布，氣隙磁場得到明顯增強(qiáng)，能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩變大。

由于永磁體（包括多個瓦片形永磁體5和多個扇形永磁體9）之間產(chǎn)生的磁性力，主動輪的旋轉(zhuǎn)會帶動從動輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)從動輪上有負(fù)載時，兩個輪子在耦合區(qū)域，固定在圓柱輪軛部4的外圓周面上的多個瓦片形永磁體5的外圓周面的中心與由多個扇形永磁體9組成的圓筒狀的永磁體的外圓周面的中心并不是正對的，會錯開一定的角度，負(fù)載越大，錯開的角度也越大。當(dāng)圓環(huán)狀的永磁體的外圓周面的中心與圓筒狀的永磁體的外圓周面的中心錯開90°電角度時，能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，當(dāng)負(fù)載超過此時的最大轉(zhuǎn)矩時，兩個輪將產(chǎn)生“相對滑動”，齒輪組不能正常工作，也即發(fā)生了過載保護(hù)。