專利名稱：永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁齒輪無接觸傳動裝置，特別涉及在永磁齒輪傳動過程中抑制從動齒 輪相對主動齒輪的轉(zhuǎn)速波動的阻尼系統(tǒng)。
技術(shù)背景永磁齒輪是利用永磁體的同極性相斥、異極性相吸的原理來工作的，它與傳統(tǒng)機械齒輪 的形狀不同，沒有輪齒，而是由多個磁體按照N極和S極相間排列的順序圍成的圓柱或圓環(huán) 體，磁體徑向進行磁化。當(dāng)一對永磁齒輪工作時，這對齒輪空間上彼此分離，它們之間的力 矩傳動是依靠這對齒輪所產(chǎn)生的磁場之間的耦合作用。永磁齒輪采用磁場耦合進行傳遞動力，具有很多優(yōu)點-1、 能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸傳動。永磁齒輪的傳動是利用了空間磁場的耦合作用來工作的，因 此它能實現(xiàn)傳統(tǒng)齒輪無法實現(xiàn)的無接觸傳動。2、 結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。主動齒輪和從動齒輪都是簡單的圓柱或圓環(huán)體，不需要加工 輪齒。在微機械領(lǐng)域中，如果加工小直徑的齒輪， 一般需要加工是齒輪直徑幾分之一甚至十 分之一高度的輪齒，這大大增加了加工的難度。同時，輪齒越小，它所能承受的負(fù)載強度越 小。而采用永磁齒輪則只需要加工出簡單的圓柱體就行。因此，永磁齒輪易于實現(xiàn)微小加工。3、 永磁齒輪是無接觸傳動，因此無需潤滑，所以清潔、無摩擦、無油污、防塵防水。4、 永磁齒輪啟動力矩比較低，并且具有過載保護能力。永磁齒輪的這些特點使它在醫(yī)療器械、石油、化工、食品加工、儀器儀表、航空航天、 海洋、核物理、激光等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。但是，相對傳統(tǒng)的機械齒輪而言，永磁齒輪除了存在傳動力矩小等缺點之外，還有一個 十分嚴(yán)重的缺點，它就是永磁齒輪傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性問題。對于永磁齒輪傳動機構(gòu)而言，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性是一個十分重要的性能指標(biāo)。 一般齒輪機構(gòu) 保證了在傳動過程中，主、從動齒輪平均速度上滿足傳動比關(guān)系。但除了漸開線齒輪外，一 般都不能滿足瞬時速度始終保持傳動比的關(guān)系。對依靠磁場耦合的永磁齒輪在傳動中會出現(xiàn) 速度波動進而影響傳動性能的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致從動齒輪失步而永磁齒輪不能工作的情況。永磁齒輪機構(gòu)通過磁力轉(zhuǎn)矩的作用把兩個齒輪聯(lián)系起來，轉(zhuǎn)速波動的一個重要原因在于 在主、從動齒輪同步轉(zhuǎn)動過程中，從動輪所受的力矩不是恒定不變的，而是在一個固定力矩 上下不斷波動。如果從動輪承載一個恒定負(fù)載，則從動齒輪會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速的波動。在恒定負(fù)載下，永磁齒輪的主動齒輪和從動齒輪磁極軸線夾角隨著主動齒輪的旋轉(zhuǎn)而有所波動，夾角時 而增大，時而減小，由于主動齒輪是勻速轉(zhuǎn)動，所以從動輪的轉(zhuǎn)動就將吋而加速，時而減速， 但就平均速度來說，從動齒輪也將以和主動齒輪同樣的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)定傳動比傳動。 如果從動齒輪承載一個非恒定負(fù)載，則從動齒輪的轉(zhuǎn)速波動還有可能會更大。 一旦從動齒輪 的轉(zhuǎn)速波動達到某一數(shù)值，從動齒輪將會與主動齒輪失步，永磁齒輪將不能傳遞轉(zhuǎn)矩。故對 于此種機構(gòu)在傳動過程中的速度波動加以限制非常必要。
雖然永磁磁體本身對其轉(zhuǎn)速的波動有一定的阻尼作用，但是由于磁性材料的導(dǎo)電性較 差，阻尼作用非常微弱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種用于永磁齒輪傳動機構(gòu)的阻尼系統(tǒng)。 本發(fā)明通過在永磁齒輪傳動機構(gòu)上增加阻尼系統(tǒng)來抑制在傳動過程中從動齒輪相對主
動齒輪的轉(zhuǎn)速波動，增加永磁齒輪傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，減少從動齒輪與主動齒輪在正常
傳動時失歩的可能性。
本發(fā)明的阻尼系統(tǒng)由固定在主動齒輪和從動齒輪之間的磁極表面上的導(dǎo)電的非導(dǎo)磁金屬材 料層組成。所述的金屬材料層全部或部分覆蓋主動齒輪和從動齒輪的磁極表面。例如對于 外嚙合永磁齒輪，所述的金屬材料層分別固定在主動齒輪和從動齒輪的圓柱或圓環(huán)體表面。 對于內(nèi)嚙合永磁齒輪，所述的金屬材料層分別固定在外齒輪圓環(huán)體的內(nèi)表面和內(nèi)齒輪的圓柱 或圓環(huán)體的表面。對于永磁齒輪-齒條傳動，所述的金屬材料層分別固定在永磁齒輪的圓柱 或圓環(huán)體的表面和永磁齒條靠近永磁齒輪一側(cè)的平面上。
這些導(dǎo)電的、有一定厚度的非導(dǎo)磁金屬材料層必須與永磁齒輪成為一個整體，它們之間不能 有相對運動。
本發(fā)明的阻尼系統(tǒng)的工作原理以及功能是
當(dāng)主動齒輪旋轉(zhuǎn)時，從動齒輪在主動齒輪所產(chǎn)生的磁場的作用下也開始沿著與主動齒輪 旋轉(zhuǎn)方向相反的方向做旋轉(zhuǎn)運動(對于永磁齒輪-齒條傳動則做直線運動)。如果主動齒輪與 從動齒輪的轉(zhuǎn)速一致，主動齒輪所產(chǎn)生的磁場與從動齒輪以及固定在它表面的金屬材料層沒 有相對運動，因此不會在所述的金屬材料層內(nèi)感應(yīng)渦流；同時，從動齒輪所產(chǎn)生的磁場與主 動齒輪以及固定在它表面的所述的金屬材料層也沒有相對運動，因此也不會在所述的金屬材 料層內(nèi)感應(yīng)渦流。
但是如果主動齒輪與從動齒輪的轉(zhuǎn)速不一致，主動齒輪所產(chǎn)生的磁場與從動齒輪以及固 定在它表面的所述的金屬材料層就會有相對運動，因此它將在所述的金屬材料層內(nèi)感應(yīng)渦 流。這一渦流與上述磁場相互作用將會在所述的金屬材料層產(chǎn)生一個與阻礙上述相對運動的轉(zhuǎn)矩(或力)；同時，從動齒輪所產(chǎn)生的磁場與主動磁體以及固定在它表面的所述的金屬材 料層也就會有相對運動，因此它也將會在所述的金屬材料層內(nèi)感應(yīng)渦流。這一渦流與上述磁 場相互作用將會在所述的金屬材料層產(chǎn)生一個阻礙上述相對運動的轉(zhuǎn)矩。通過上述過程，該 阻尼系統(tǒng)可以抑制在傳動過程中從動齒輪的轉(zhuǎn)速波動，增加永磁齒輪傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定 性，減少從動齒輪與主動輪失步的可能性。
從該阻尼系統(tǒng)的工作原理可知，如果主動齒輪的轉(zhuǎn)速是剛性的，也就是說它的轉(zhuǎn)速不受其負(fù)載的變 化而影響，從動齒輪所產(chǎn)生的磁場與固定在主動齒輪表面的所述的金屬材料層相互作用所產(chǎn)生的阻礙它 們相對運動的轉(zhuǎn)矩將對主動齒輪的轉(zhuǎn)速不產(chǎn)生影響，因此沒有必要在主動齒輪表面的安放所述的金屬材 料層。


圖1帶有阻尼系統(tǒng)的外嚙合永磁齒輪示意圖2帶有阻尼系統(tǒng)的內(nèi)嚙合永磁齒輪示意圖3帶有阻尼系統(tǒng)的永磁齒輪-齒條傳動系統(tǒng)示意圖4從動齒輪帶有阻尼筒的外嚙合永磁齒輪實施例示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。 本發(fā)明的阻尼系統(tǒng)由固定在主動齒輪和從動齒輪之間的磁極表面上的導(dǎo)電的非導(dǎo)磁金屬材 料層組成。所述的金屬材料層全部或部分覆蓋主動齒輪和從動齒輪的磁極表面。 如圖1所示，對于外嚙合永磁齒輪，所述的金屬材料層分別固定在主動齒輪和從動齒輪的圓 柱或圓環(huán)體表面。對于內(nèi)嚙合永磁齒輪，所述的金屬材料層分別固定在外齒輪圓環(huán)體的內(nèi)表 面和內(nèi)齒輪的圓柱或圓環(huán)體的表面，如圖2所示。如圖3所示，對于永磁齒輪-齒條傳動系 統(tǒng)，所述的金屬材料層分別固定在永磁齒輪的圓柱或圓環(huán)體的表面和永磁齒條靠近永磁齒輪 一側(cè)的平面上。
如圖1所示，外嚙合永磁齒輪的主動齒輪和從動齒輪是兩個四極的永磁圓環(huán)體，在主動 齒輪和從動齒輪的外表面上分別固定有金屬材料層，形成金屬薄筒。這兩個金屬薄筒組成該 外嚙合永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)。在外嚙合永磁齒輪工作時，如果主動齒輪和從動齒輪的轉(zhuǎn)速不 一致，主動齒輪和被動齒輪所產(chǎn)生的磁場將會在對方的金屬薄筒內(nèi)感應(yīng)渦流。這一渦流與感 應(yīng)它的磁場相互作用將會在金屬薄筒上產(chǎn)生一個阻礙主動齒輪與從動齒輪相對運動的轉(zhuǎn)矩。 通過這一過程，該阻尼系統(tǒng)可以抑制在傳動過程中從動齒輪相對主動齒輪的轉(zhuǎn)速波動，增加 轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。
如圖2所示，內(nèi)嚙合永磁齒輪的外齒輪是一個六極的永磁圓環(huán)體，內(nèi)齒輪是一個四極的永磁圓環(huán)體，在外齒輪的內(nèi)表面上固定的金屬材料層，形成一個金屬薄筒，在內(nèi)齒輪的外表 面上也固定有金屬材料層，形成一個金屬薄筒，這兩個金屬薄筒組成該外嚙合永磁齒輪的阻 尼系統(tǒng)。在外嚙合永磁齒輪工作時，如果主動齒輪和從動齒輪的轉(zhuǎn)速不一致，主動齒輪和從 動齒輪所產(chǎn)生的磁場將會在對方的金屬薄筒內(nèi)感應(yīng)渦流。這一渦流與感應(yīng)它的磁場相互作用 將會在金屬薄筒上產(chǎn)生一個阻礙外齒輪與內(nèi)齒輪相對運動的轉(zhuǎn)矩。通過這一過程，該阻尼系 統(tǒng)可以抑制在傳動過程中從動齒輪相對主動齒輪的轉(zhuǎn)速波動，增加轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。
如圖3所示，永磁齒輪-齒條傳動系統(tǒng)的永磁齒輪是一個四極的永磁圓環(huán)體，永磁齒條 是--個多極的永磁條，在永磁齒輪的外表面上固定的金屬材料層，形成一個金屬薄筒，在永 磁齒條靠近永磁齒輪的一側(cè)的外表面上固定一層金屬材料，這一金屬薄筒和金屬材料層組成 該永磁齒輪-齒條傳動系統(tǒng)的阻尼系統(tǒng)。在永磁齒輪-齒條傳動系統(tǒng)工作時，如果永磁齒輪外 圓的線速度與永磁齒條的線速度不一致，永磁齒輪和永磁齒條所產(chǎn)生的磁場將會在對方的金 屬薄筒或金屬材料層內(nèi)感應(yīng)渦流。這一渦流與感應(yīng)它的磁場相互作用將會在金屬薄筒或金屬 材料層上產(chǎn)生一個阻礙永磁齒輪外園與永磁齒條相對運動的轉(zhuǎn)矩。通過這一過程，該阻尼系 統(tǒng)可以抑制在傳動過程中永磁齒輪外園的線速度與永磁齒條的線速度不一致，增加傳動的穩(wěn) 定性。
本發(fā)明的一個實施例如圖4所示， 一外嚙合永磁齒輪的主動齒輪和從動齒輪是兩個 相同的兩極永磁圓柱體，在從動齒輪的外表面上固定一個銅質(zhì)薄筒，這個銅質(zhì)薄筒在該外嚙 合永磁齒輪工作時對從動齒輪轉(zhuǎn)速的波動起阻尼作用。主動齒輪和從動齒輪的永磁圓柱磁體
軸向長度均為10厘米，直徑為5厘米，采用釹鐵硼(NdFeB35)永磁材料，它們的轉(zhuǎn)動中心 線之間相隔6厘米。
為了說明本發(fā)明在傳動過程中對從動齒輪的轉(zhuǎn)速波動抑制的作用，我們對它進行了有限 元分析，其結(jié)果是當(dāng)銅質(zhì)薄筒為l毫米厚時，如果主、從動齒輪的外徑上有0.26米/秒的 線速度差，銅質(zhì)薄筒上將有l(wèi). 18牛頓-米的阻尼轉(zhuǎn)矩，如果主、從動齒輪的外徑上有2.6米 /秒的線速度差，銅質(zhì)薄筒上將有4.46牛頓-米的阻尼轉(zhuǎn)矩；當(dāng)銅質(zhì)薄筒為2毫米厚時，如 果主、從動齒輪的外徑上有0.26米/秒的線速度差，銅質(zhì)薄筒上將有1.94牛頓-米的阻尼轉(zhuǎn) 矩，如果主、從動齒輪的外徑上有2.6米/秒的線速度差，銅質(zhì)薄筒上將有5.56牛頓-米的 阻尼轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明所述的金屬材料層可以有其他形狀，例如部分覆蓋主動齒輪和從動齒輪的磁極表面 的金屬網(wǎng)狀物。部分覆蓋磁極表面的金屬網(wǎng)狀物可以有很多不同的形狀，例如在金屬筒上 開各種不同形狀的洞，圓形的，橢圓形的，方形的，長方形的，多邊形的等等。
權(quán)利要求
1、一種永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)，其特征在于，所述的阻尼系統(tǒng)由固定在主動齒輪和從動齒輪之間的磁極表面上的、導(dǎo)電的非導(dǎo)磁金屬材料層組成；所述的金屬材料層全部或部分覆蓋主動齒輪和從動齒輪的磁極表面，所述的金屬材料層與永磁齒輪成為一個整體，所述的金屬材料層與永磁齒輪之間沒有相對運動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)，其特征在于，對于外嚙合永磁齒輪， 所述的外嚙合永磁齒輪金屬材料層分別固定在外嚙合永磁齒輪的主動齒輪和從動齒輪的圓 柱或圓環(huán)體表面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)，其特征在于，對于內(nèi)嚙合永磁齒輪， 所述的金屬材料層分別固定在內(nèi)嚙合永磁齒輪外齒輪圓環(huán)體的內(nèi)表面和內(nèi)齒輪的圓柱或圓 環(huán)體的表面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)，其特征在于，對于永磁齒輪-齒條傳動 系統(tǒng)，所述的金屬材料層分別固定在永磁齒輪的圓柱或圓環(huán)體的表面和永磁齒條靠近永磁齒 輪一側(cè)的平面上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)，其特征在于，永磁齒輪的主動齒輪的 負(fù)載的變化不影響主動齒輪轉(zhuǎn)速時，無須在主動齒輪的表面的安裝所述的金屬材料層。
全文摘要
一種永磁齒輪的阻尼系統(tǒng)，由固定在主動齒輪和從動齒輪之間的磁極表面上的導(dǎo)電的非導(dǎo)磁金屬材料層組成。所述的金屬材料層全部或部分覆蓋主動齒輪和從動齒輪的磁極表面。例如對于外嚙合永磁齒輪，所述的金屬材料層分別固定在主動齒輪和從動齒輪的圓柱或圓環(huán)體表面。對于內(nèi)嚙合永磁齒輪，所述的金屬材料層分別固定在外齒輪圓環(huán)體的內(nèi)表面和內(nèi)齒輪的圓柱或圓環(huán)體的表面。對于永磁齒輪-齒條傳動，所述的金屬材料層分別固定在永磁齒輪的圓柱或圓環(huán)體的表面和永磁齒條靠近永磁齒輪一側(cè)的平面上。
文檔編號F16H49/00GK101629623SQ20091009028
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者東 夏 申請人:中國科學(xué)院電工研究所