永磁磁性齒輪的研究現(xiàn)狀及發(fā)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(yīng)用現(xiàn)狀,通過對比機(jī)械嚙合齒輪和非接觸磁耦合磁性齒輪在機(jī)械傳動應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)方面的優(yōu)缺點,重點突出了磁性齒輪在未來科技前沿中廣闊的應(yīng)用前景,尤其是在航空、和諧號動車組等對震動、磨損和環(huán)保要求較高的科技領(lǐng)域。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0012-01

1 概述

機(jī)械齒輪傳動的應(yīng)用極為廣泛,幾乎遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ?、國防、、和航空航天等各個領(lǐng)域。但長期以來機(jī)械齒輪傳動的力矩傳遞基本形式?jīng)]有變化,即始終是都是依靠輪齒之間的嚙合進(jìn)行傳動。這就給齒輪傳動制作了一些不可消除的問題,如發(fā)熱、磨損、噪音、潤滑等,尤其是它無法進(jìn)行非嚙合式的空間上有間隔的傳動。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類研究領(lǐng)域的擴(kuò)展,現(xiàn)代電驅(qū)動系統(tǒng)和動力變速傳動系統(tǒng)面臨著更大的挑戰(zhàn),非接觸、降噪、減磨逐漸成為未來科技發(fā)展的方向,磁性齒輪應(yīng)運而生[1]。磁性齒輪是利用耦合磁場進(jìn)行能量和動力傳輸?shù)?它具有以下優(yōu)點:

(1)磁性傳動能實現(xiàn)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(jī)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(jī)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(zhuǎn)子表面,不像機(jī)械齒輪那樣要對齒輪進(jìn)行精加工和熱處理,簡化了生產(chǎn)工藝[2]。

2 磁性齒輪的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)永磁齒輪

傳統(tǒng)永磁齒輪的形狀與普通機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)矩核和能量傳遞的,永磁齒輪常見的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)為兩種:(1)采用燒結(jié)型磁鋼的凸極型齒輪;(2)采用粘結(jié)型磁鋼的環(huán)形齒輪。

在齒輪工作時只有少數(shù)靠得最近的永磁體參與轉(zhuǎn)矩傳遞,其余大部分永磁體并不參與轉(zhuǎn)矩的傳遞;且傳動比越大,永磁體的利用率越低,因此其轉(zhuǎn)矩密度很低。這些都是這種結(jié)構(gòu)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(xiàn),各國學(xué)者紛紛把新型永磁材料應(yīng)用到磁性齒輪的研究中并試圖進(jìn)一步增加齒輪的轉(zhuǎn)矩密度。丹麥學(xué)者F.T.Jorgensen設(shè)計開發(fā)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(jī)轉(zhuǎn)矩密度為17.6kNm/m3。

新結(jié)構(gòu)永磁齒輪

(1)磁場調(diào)制式磁性齒輪

21世紀(jì)初,英國學(xué)者D.Howe提出了基于磁場調(diào)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(diào)制極的調(diào)制作用,實現(xiàn)機(jī)械能量在磁極數(shù)不相等的轉(zhuǎn)子之間的變速傳遞,有效提高了永磁體的利用率,轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)72kNm/m3,其結(jié)構(gòu)示意圖如(圖1)所示。從結(jié)構(gòu)上看磁場調(diào)制式磁性齒輪主要由三部分構(gòu)成,兩個旋轉(zhuǎn)部分分別是具有較少磁極的內(nèi)轉(zhuǎn)子(高速轉(zhuǎn)子)和具有較多磁極的外轉(zhuǎn)子(低速轉(zhuǎn)子),一個由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料交錯組成的調(diào)磁環(huán),調(diào)磁環(huán)固定不動,起到調(diào)制內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁場的作用[3]。

磁場調(diào)制型磁力齒輪的出現(xiàn)為永磁磁性齒輪在功率驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用供了可能,有著較好的應(yīng)用前景和廣闊的發(fā)展空間。

在國內(nèi),2005年上海大學(xué)和香港大學(xué)電動車輛研究中心合作,展開磁場調(diào)制式磁性齒輪及其應(yīng)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(xué)滿永奎教授總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)永磁齒輪的相關(guān)研究方法,結(jié)合多年來在磁阻電機(jī)以及混合式步進(jìn)電機(jī)方面的研究經(jīng)驗和研究成果,參考磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生特點,在轉(zhuǎn)矩星理論的指導(dǎo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。(圖2)是該磁阻式永磁齒輪的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個極距,外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個梳齒,如果按照圖2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,外轉(zhuǎn)子數(shù)N1=50,內(nèi)轉(zhuǎn)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(yīng)用前景

永磁齒輪具有良好的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用可行性。一方面根據(jù)磁體本身同性相斥、異性相吸的特性并結(jié)合磁阻電機(jī)的相關(guān)理論可以設(shè)計出滿足各種生產(chǎn)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(yōu)點。隨著研究的深入,永磁齒輪的傳動轉(zhuǎn)矩的進(jìn)一步提高,其清潔環(huán)保、低噪音、低磨耗、非接觸的優(yōu)勢會進(jìn)一步凸現(xiàn)出來,相信未來的傳動系統(tǒng)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(hù)”時代。