永磁磁性齒輪的研究現狀及發展前景

王雙全

摘要:本文簡要介紹了永磁磁性齒輪的工作原理和應用現狀,通過對比機械嚙合齒輪和非接觸磁耦合磁性齒輪在機械傳動應用和環境保護方面的優缺點,重點突出了磁性齒輪在未來科技前沿中廣闊的應用前景,尤其是在航空、和諧號動車組等對震動、磨損和環保要求較高的科技領域。

關鍵詞:磁阻-永磁磁性齒輪非接觸磁耦合

中圖分類號:TM359.9 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0012-01

1 概述

機械齒輪傳動的應用極為廣泛,幾乎遍及工農業生產、人們日常生活、國防、、和航空航天等各個領域。但長期以來機械齒輪傳動的力矩傳遞基本形式沒有變化,即始終是都是依靠輪齒之間的嚙合進行傳動。這就給齒輪傳動制作了一些不可消除的問題,如發熱、磨損、噪音、潤滑等,尤其是它無法進行非嚙合式的空間上有間隔的傳動。

隨著科學技術的進步和人類研究領域的擴展,現代電驅動系統和動力變速傳動系統面臨著更大的挑戰,非接觸、降噪、減磨逐漸成為未來科技發展的方向,磁性齒輪應運而生[1]。磁性齒輪是利用耦合磁場進行能量和動力傳輸的,它具有以下優點:

(1)磁性傳動能實現無接觸傳動。磁性齒輪傳動可避免了主動軸和從動軸間的直接機械接觸,可以減少噪音和振動,滿足無油污、防塵防水要求。這就是他和其他磁力機械一樣,是依靠磁力傳遞動力的。

(2)磁性齒輪中直接把永磁體安裝在轉子表面,不像機械齒輪那樣要對齒輪進行精加工和熱處理,簡化了生產工藝[2]。

2 磁性齒輪的應用現狀

2.1 傳統永磁齒輪

傳統永磁齒輪的形狀與普通機械齒輪的形狀不同,它沒有輪齒,而是由多個磁極對組成的簡單的圓柱體。它是通過永磁體的同性相吸、異性相斥的特性進行轉矩核和能量傳遞的,永磁齒輪常見的基本結構形態為兩種:(1)采用燒結型磁鋼的凸極型齒輪;(2)采用粘結型磁鋼的環形齒輪。

在齒輪工作時只有少數靠得最近的永磁體參與轉矩傳遞,其余大部分永磁體并不參與轉矩的傳遞;且傳動比越大,永磁體的利用率越低,因此其轉矩密度很低。這些都是這種結構的磁性齒輪最大的缺點。

2.2 新材料永磁齒輪

近年來,隨著高性能釹鐵硼永磁材料的出現,各國學者紛紛把新型永磁材料應用到磁性齒輪的研究中并試圖進一步增加齒輪的轉矩密度。丹麥學者F.T.Jorgensen設計開發了傳動比為4:1的徑向式外嚙合磁性齒輪,在大、小齒輪間隔氣隙為1mm情況下,F.T.Jorgensen的樣機轉矩密度為17.6kNm/m3。

新結構永磁齒輪

(1)磁場調制式磁性齒輪

21世紀初,英國學者D.Howe提出了基于磁場調制原理的新型磁力齒輪,通過在主動輪與從動輪之間的定子調制極的調制作用,實現機械能量在磁極數不相等的轉子之間的變速傳遞,有效提高了永磁體的利用率,轉矩密度可達72kNm/m3,其結構示意圖如(圖1)所示。從結構上看磁場調制式磁性齒輪主要由三部分構成,兩個旋轉部分分別是具有較少磁極的內轉子(高速轉子)和具有較多磁極的外轉子(低速轉子),一個由高導磁材料和非導磁材料交錯組成的調磁環,調磁環固定不動,起到調制內、外轉子磁場的作用[3]。

磁場調制型磁力齒輪的出現為永磁磁性齒輪在功率驅動系統中的應用供了可能,有著較好的應用前景和廣闊的發展空間。

在國內,2005年上海大學和香港大學電動車輛研究中心合作,展開磁場調制式磁性齒輪及其應用方面的研究工作,并且取得了一定的研究成果[4]。

(2)磁阻式磁性齒輪

2008年,東北大學滿永奎教授總結國內外有關永磁齒輪的相關研究方法,結合多年來在磁阻電機以及混合式步進電機方面的研究經驗和研究成果,參考磁阻電機的轉矩產生特點,在轉矩星理論的指導下,采用永久磁鐵和鐵磁性材料的巧妙組合,提出了一種新型的永磁-磁阻式磁性齒輪拓撲結構[5]。(圖2)是該磁阻式永磁齒輪的結構示意圖,其中左、右圖分別表示該永磁齒輪的正向剖面圖和左視剖面圖。該永磁齒輪結構新穎、磁體利用率高、特別適用于大變比場合。該磁性齒輪的內轉子旋轉一個極距,外轉子旋轉一個梳齒,如果按照圖2的結構進行設計,外轉子數N1=50,內轉子有N2=1對磁極,傳動比n=N1/(2*N2)=25,故傳動比可以做的很大,永磁體的利用率也比較高。

3 應用前景

永磁齒輪具有良好的理論基礎和應用可行性。一方面根據磁體本身同性相斥、異性相吸的特性并結合磁阻電機的相關理論可以設計出滿足各種生產條件的磁性齒輪;另一方面磁性齒輪又具有的無油污、無摩擦、防塵防水、減震清潔、加工精度要求低等優點。隨著研究的深入,永磁齒輪的傳動轉矩的進一步提高,其清潔環保、低噪音、低磨耗、非接觸的優勢會進一步凸現出來,相信未來的傳動系統將在磁性齒輪的參與下徹底擺脫磨損、噪音、油污的困擾,齒輪箱也將邁入“免潤滑”“免維護”時代。