永磁磁性齿轮的研究现状及发展前景

王双全

摘要:本文简要介绍了永磁磁性齿轮的工作原理和应用现状,通过对比机械啮合齿轮和非接触磁耦合磁性齿轮在机械传动应用和环境保护方面的优缺点,重点突出了磁性齿轮在未来科技前沿中广阔的应用前景,尤其是在航空、和谐号动车组等对震动、磨损和环保要求较高的科技领域。

关键词:磁阻-永磁磁性齿轮非接触磁耦合

中图分类号:TM359.9 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(c)-0012-01

1 概述

机械齿轮传动的应用极为广泛,几乎遍及工农业生产、人们日常生活、国防、、和航空航天等各个领域。但长期以来机械齿轮传动的力矩传递基本形式没有变化,即始终是都是依靠轮齿之间的啮合进行传动。这就给齿轮传动制作了一些不可消除的问题,如发热、磨损、噪音、润滑等,尤其是它无法进行非啮合式的空间上有间隔的传动。

随着科学技术的进步和人类研究领域的扩展,现代电驱动系统和动力变速传动系统面临着更大的挑战,非接触、降噪、减磨逐渐成为未来科技发展的方向,磁性齿轮应运而生[1]。磁性齿轮是利用耦合磁场进行能量和动力传输的,它具有以下优点:

(1)磁性传动能实现无接触传动。磁性齿轮传动可避免了主动轴和从动轴间的直接机械接触,可以减少噪音和振动,满足无油污、防尘防水要求。这就是他和其他磁力机械一样,是依靠磁力传递动力的。

(2)磁性齿轮中直接把永磁体安装在转子表面,不像机械齿轮那样要对齿轮进行精加工和热处理,简化了生产工艺[2]。

2 磁性齿轮的应用现状

2.1 传统永磁齿轮

传统永磁齿轮的形状与普通机械齿轮的形状不同,它没有轮齿,而是由多个磁极对组成的简单的圆柱体。它是通过永磁体的同性相吸、异性相斥的特性进行转矩核和能量传递的,永磁齿轮常见的基本结构形态为两种:(1)采用烧结型磁钢的凸极型齿轮;(2)采用粘结型磁钢的环形齿轮。

在齿轮工作时只有少数靠得最近的永磁体参与转矩传递,其余大部分永磁体并不参与转矩的传递;且传动比越大,永磁体的利用率越低,因此其转矩密度很低。这些都是这种结构的磁性齿轮最大的缺点。

2.2 新材料永磁齿轮

近年来,随着高性能钕铁硼永磁材料的出现,各国学者纷纷把新型永磁材料应用到磁性齿轮的研究中并试图进一步增加齿轮的转矩密度。丹麦学者F.T.Jorgensen设计开发了传动比为4:1的径向式外啮合磁性齿轮,在大、小齿轮间隔气隙为1mm情况下,F.T.Jorgensen的样机转矩密度为17.6kNm/m3。

新结构永磁齿轮

(1)磁场调制式磁性齿轮

21世纪初,英国学者D.Howe提出了基于磁场调制原理的新型磁力齿轮,通过在主动轮与从动轮之间的定子调制极的调制作用,实现机械能量在磁极数不相等的转子之间的变速传递,有效提高了永磁体的利用率,转矩密度可达72kNm/m3,其结构示意图如(图1)所示。从结构上看磁场调制式磁性齿轮主要由三部分构成,两个旋转部分分别是具有较少磁极的内转子(高速转子)和具有较多磁极的外转子(低速转子),一个由高导磁材料和非导磁材料交错组成的调磁环,调磁环固定不动,起到调制内、外转子磁场的作用[3]。

磁场调制型磁力齿轮的出现为永磁磁性齿轮在功率驱动系统中的应用供了可能,有着较好的应用前景和广阔的发展空间。

在国内,2005年上海大学和香港大学电动车辆研究中心合作,展开磁场调制式磁性齿轮及其应用方面的研究工作,并且取得了一定的研究成果[4]。

(2)磁阻式磁性齿轮

2008年,东北大学满永奎教授总结国内外有关永磁齿轮的相关研究方法,结合多年来在磁阻电机以及混合式步进电机方面的研究经验和研究成果,参考磁阻电机的转矩产生特点,在转矩星理论的指导下,采用永久磁铁和铁磁性材料的巧妙组合,提出了一种新型的永磁-磁阻式磁性齿轮拓扑结构[5]。(图2)是该磁阻式永磁齿轮的结构示意图,其中左、右图分别表示该永磁齿轮的正向剖面图和左视剖面图。该永磁齿轮结构新颖、磁体利用率高、特别适用于大变比场合。该磁性齿轮的内转子旋转一个极距,外转子旋转一个梳齿,如果按照图2的结构进行设计,外转子数N1=50,内转子有N2=1对磁极,传动比n=N1/(2*N2)=25,故传动比可以做的很大,永磁体的利用率也比较高。

3 应用前景

永磁齿轮具有良好的理论基础和应用可行性。一方面根据磁体本身同性相斥、异性相吸的特性并结合磁阻电机的相关理论可以设计出满足各种生产条件的磁性齿轮;另一方面磁性齿轮又具有的无油污、无摩擦、防尘防水、减震清洁、加工精度要求低等优点。随着研究的深入,永磁齿轮的传动转矩的进一步提高,其清洁环保、低噪音、低磨耗、非接触的优势会进一步凸现出来,相信未来的传动系统将在磁性齿轮的参与下彻底摆脱磨损、噪音、油污的困扰,齿轮箱也将迈入“免润滑”“免维护”时代。