新概念磁性齿轮传动技术

1、新概念的磁性齿轮传动技术新概念的磁性齿轮传动技术卢卢 敏敏 一、现有技术的齿轮变速机构一、现有技术的齿轮变速机构 自动变速器的组成包括行星齿轮机构和换挡执行机构两部分，行星齿轮机构的作用是提供几个不同的传动比供选择，而换挡执行机构的作用是实现档位的变换。 二、新型磁性齿轮传动概念二、新型磁性齿轮传动概念 1991年日本年日本学者学者Koji Ikuta提出了提出了最早期的新型磁性齿轮传动技术最早期的新型磁性齿轮传动技术，如图所示，开创了利用稀土永磁材料于机械传动领域的研究方向，该结构如图所示，开创了利用稀土永磁材料于机械传动领域的研究方向，该结构的磁性传动直接采用常规齿轮的外啮合结构，利用的磁

2、性传动直接采用常规齿轮的外啮合结构，利用N/S极异极性相吸引的极异极性相吸引的原理实现无接触、无摩擦的传动。但该外啮合结构的齿轮存在磁极耦合面原理实现无接触、无摩擦的传动。但该外啮合结构的齿轮存在磁极耦合面积小、藕荷的磁极数少而且气隙曲率变差太大等致命缺点，无法实现工程积小、藕荷的磁极数少而且气隙曲率变差太大等致命缺点，无法实现工程上所需要的大力矩传递。因此，该结构齿轮只能在一些弱信号领域应用。上所需要的大力矩传递。因此，该结构齿轮只能在一些弱信号领域应用。缺陷缺陷1:外啮合结构使磁极外啮合结构使磁极耦合极对数耦合极对数=1，磁藕，磁藕合面积最小合面积最小缺陷缺陷2:外啮合结构使磁轮副气隙外啮

3、合结构使磁轮副气隙曲率变差太大，磁通量小曲率变差太大，磁通量小二、新型磁性齿轮传动概念二、新型磁性齿轮传动概念 2004年年英国和丹麦的学者英国和丹麦的学者K.Atallah、D.Howe 和和S.D.Calverley提出提出了磁场调制理论，并了磁场调制理论，并在在2006年年基于磁场调制技术具体完成了一种新型径向基于磁场调制技术具体完成了一种新型径向磁场磁性齿轮样机的设计工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点磁场磁性齿轮样机的设计工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点，传动比为传动比为10.5的样机传递的扭矩达到了的样机传递的扭矩达到了120N.m，这给永磁材料在机械传动这给永磁材

4、料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域。缺陷缺陷3:导磁栅铁心导磁栅铁心受扭矩强度大受扭矩强度大缺陷缺陷2:内外双气隙，内外双气隙，使耦合磁通量使耦合磁通量减少减少缺陷缺陷1:内外磁极耦合度内外磁极耦合度%=1/(2+1/p1) 50%新型磁性齿轮传动新型磁性齿轮传动+ +永磁复合电机永磁复合电机概念概念 2008年国内的上海大学年国内的上海大学的杜世勤、江建中等老师首次把基于磁场调制技的杜世勤、江建中等老师首次把基于磁场调制技术的英国人发明的径向磁场结构的磁性齿轮新结构介绍到国内，并术的英国人发明的径向磁场结构的磁性齿

5、轮新结构介绍到国内，并在承接在承接的 国 家的 国 家 “ 8 6 3 ” 高 科 技 项 目高 科 技 项 目(2007AA05Z233)中中首次首次提出把磁提出把磁性齿轮传动技术与永磁电机融为性齿轮传动技术与永磁电机融为一体的设计方案并试制出首台复一体的设计方案并试制出首台复合电机的原形样机合电机的原形样机。新型磁性齿轮传动结构的最新发展新型磁性齿轮传动结构的最新发展2011年作者对已知的磁性传动从结构到技术原理进行了革命性的改进对已知的磁性传动从结构到技术原理进行了革命性的改进：1、突破了径向磁场结构，突破了径向磁场结构，首次提出首次提出了横向和斜向磁场结构了横向和斜向磁场结构的磁性传动

6、齿轮副的磁性传动齿轮副，使基于磁场调制技术的磁性传动齿轮副更适合于传递更大的力矩；2 2、突破了磁场调制技术理论制约突破了磁场调制技术理论制约，借鉴少齿差行星齿轮传动的技术原理，在国内外首首次提出少极差磁场耦合的原理和结构次提出少极差磁场耦合的原理和结构，不仅可取消导磁栅铁芯采用单气隙结构，而且使两轮的磁极耦合度比基于磁场调制技术的磁性齿轮大幅度提高，使得磁性材料在单位体积内所传递的力矩密度成倍提高；3、突破了主动轮与从动轮双磁场耦合的理论约束突破了主动轮与从动轮双磁场耦合的理论约束，借鉴感应式异步电机的电磁场理论，在国内外首次提出了两轮间的永久磁场与感应电流磁场相互耦合的原理和结构首次提出了

7、两轮间的永久磁场与感应电流磁场相互耦合的原理和结构，首次首次引入异步转矩来实现磁性传动引入异步转矩来实现磁性传动，可极大地节省稀土材料消耗量。两种基于磁场调制技术的新两种基于磁场调制技术的新型型磁性传动齿轮副磁性传动齿轮副(a) 横向磁场的磁性齿轮副 (b)磁性齿轮传动原理动画 (c) 斜向磁场的磁性齿轮副图5 两种基于磁场调制技术的新概念磁性传动齿轮副Y轴转动一圈，通过导磁栅铁心的磁场旋转7.5圈等效于传动比(a) 双磁场耦合型偏心齿轮副 (b) 单磁场感应式偏心齿轮副 (c) 对称偏心平衡结构的少极差盘形齿轮副图7两种基于少极差磁场耦合技术的异步感应式磁性传动齿轮副两种两种少极差少极差磁场

8、耦合技术的新磁场耦合技术的新型型磁性传动齿轮副磁性传动齿轮副优势优势1：双磁场结构：双磁场结构的磁场耦合度的磁场耦合度60%90%，磁极藕，磁极藕荷面积大大提高荷面积大大提高优势优势2：单气隙结构，：单气隙结构，气隙磁通量大大提高气隙磁通量大大提高优势优势3：首次引入异：首次引入异步感应式转矩，减少步感应式转矩，减少的稀土磁钢消耗的稀土磁钢消耗新新概念概念磁性齿轮传动磁性齿轮传动技术的应用范围与领域技术的应用范围与领域在新能源、电动汽车在新能源、电动汽车及其它工业及其它工业领域的未来应用潜力和空间领域的未来应用潜力和空间无回差、无磨损无回差、无磨损的少极差磁性齿的少极差磁性齿轮减速器是替代轮减

9、速器是替代目前靠进口的工目前靠进口的工业机器人业机器人RV减速减速机构的理想技术机构的理想技术高效节能高效节能：由于消除了普通机械式齿轮传动副的接触摩擦, 传动损耗仅仅包括一些铁心损耗, 理论上最高传动效率可达到98%，比机械齿轮传动普遍提高10%，完全属于高效节能型产品特征，大规模推广应用节能效果十分显著节能效果十分显著；转矩密度高转矩密度高：横向磁场结构使单位磁性材料体积传送的横向磁场结构使单位磁性材料体积传送的转矩密度高转矩密度高，为普通电机的10倍：研究表明，稀土永磁无刷电机在自然冷却、强制风冷、水冷却的条件下，其传送的转矩密度可分别达到10kN.m/m3、20kN.m/m3、30kN

10、.m/m3，横向磁通稀土永磁电机传送的转矩密度可达4080kN.m/m3，本系列新型稀土磁性传动齿轮所传送的转矩密度高于100kN.m/m3；异步感应式少极差磁性齿轮具有恒功率变速变矩能力和手段具有恒功率变速变矩能力和手段：改变调节主动轮盘和从动轮盘之间的气隙长度，即可调节气隙磁场大小从而在一定转速范围实现无级变速的传动要求可调节气隙磁场大小从而在一定转速范围实现无级变速的传动要求，进而可直接取消常规机械变速系统常见的换档离合机构，这对混合动力汽车、电动汽车以及电动摩托车对混合动力汽车、电动汽车以及电动摩托车的无级变速实现具有实用价值的无级变速实现具有实用价值。可靠性高、寿命长、震动小、噪声低

11、、无磨损、无回差可靠性高、寿命长、震动小、噪声低、无磨损、无回差：由于无机械齿轮传动的机械接触摩损，无需润滑，清洁、无油污、防尘防水等；同时，也不存在因齿部啮合接触而产生的震动和噪音，对于长期水下航行的潜舰降低本体噪音具有重要意义，同时是取代工业机器人传统对于长期水下航行的潜舰降低本体噪音具有重要意义，同时是取代工业机器人传统RV伺服减伺服减速机构的理想替代技术速机构的理想替代技术；具有过载保护作用具有过载保护作用：在过载时因主、从动轮滑转而随时切断传动关系，不会损坏负载或者原动不会损坏负载或者原动机机；同时，转速传动比恒定，转速的动态瞬时稳定度高，运行平稳转速的动态瞬时稳定度高，运行平稳；少

12、极差偏心盘形磁性齿轮的传动比可设计得更大传动比可设计得更大，一级磁性齿轮副的传动比就可以达到100以上，两级少极差磁性齿轮副串联可以达到1000以上，没有磁场调制技术的磁性齿轮副的磁场调制导磁栅铁芯的机械强度制约；结构简单、紧凑，体积小、重量轻结构简单、紧凑，体积小、重量轻，比机械式齿轮副减轻重量可以达到35%以上；工艺简单工艺简单：不存在机械齿轮在设计加工上常常需要变位修正的设计加工繁琐，无需昂贵的机械齿轮加工和检测设备，一次性设备投资少，主要为装配作业，对零部件的加工精度等级容忍度比较宽松，便于组织大规模流水线生产。 新新概念概念磁性齿轮传动磁性齿轮传动技术的优势技术的优势三、关于稀土磁性

13、材料三、关于稀土磁性材料三、关于稀土磁性材料三、关于稀土磁性材料全球烧结钕铁硼磁体产量增长图（19842008年）全球粘结钕铁硼磁体产量增长图 （19972007年）三、关于稀土磁性材料三、关于稀土磁性材料三、关于稀土磁性材料三、关于稀土磁性材料3.33.3永磁材料的种类及其特性永磁材料的种类及其特性稀土材料稀土材料: 退磁曲线即回复线，磁性能稳定！退磁曲线即回复线，磁性能稳定！钕钕-铁铁-硼硼铝镍钴铝镍钴铁氧体铁氧体1、铝镍钴、铝镍钴2、铁氧体、铁氧体3、稀土永磁、稀土永磁永磁材料种类永磁材料种类1. 剩余磁感应强度高剩余磁感应强度高2. 热稳定性好热稳定性好3. 机械强度好机械强度好1.

14、剩余磁感应强度高剩余磁感应强度高2. 矫顽磁场强度高矫顽磁场强度高3. 最大磁能积高最大磁能积高4. 价格高价格高5. 机械性能较差机械性能较差1. 剩余磁感应强度小剩余磁感应强度小2. 矫顽磁场强度大矫顽磁场强度大3. 最大磁能积较小最大磁能积较小4. 机械强度差机械强度差5. 价格低廉价格低廉钐钴钐钴3.43.4永磁体磁性能说明永磁体磁性能说明1、保证永磁体温度稳定性进行老化处理，消除磁体不稳定的因素在磁体中添加微量元素，直接提高磁体本身的温度稳定性在设计过程中即严格保证电机运行时的热限制曲线和电气热保护，从根本上解决了温度对退磁的影响2、材料工艺保证时间稳定性永磁体充磁饱和后，只在初始的

15、 12小时内略有下降，其后即使经过 510 年磁性能也基本不变。在常温下复合永磁体 Pc=1 时，磁通随时间的变化所发生的衰减，十年内磁通自然衰减不到1%，二十年磁通自然衰减也可保证小于3% 。3、外磁场结构稳定性在磁路设计时已经考虑到动态退磁的附加影响结构设计确保对称平衡旋转结构，工艺上采取动平衡措施。4、化学稳定性永磁体中添加Co 、Ni 、Al 和Cr Cr，同时在烧结工艺中尽量提高密度、减少气孔对磁体进行电镀、化学镀表面处理（如喷涂、电泳），可使磁体获得实用的耐腐蚀性能，还加强了电机的机械密封防护，以上措施严格杜绝了化学的退磁。结论： 永磁电机使用的永磁体其使用环境条件远比齿轮传动机构

16、复杂许多，在现有电机工艺技术条永磁电机使用的永磁体其使用环境条件远比齿轮传动机构复杂许多，在现有电机工艺技术条件下均可保证永磁电机设计寿命为件下均可保证永磁电机设计寿命为20年。针对热退磁、化学退磁和时间退磁等进行严格防护年。针对热退磁、化学退磁和时间退磁等进行严格防护 ；把影响磁稳定性的因素全部考虑在设计范围之内；把影响磁稳定性的因素全部考虑在设计范围之内 ，充分利用当代电机工业领域的成熟工艺，充分利用当代电机工业领域的成熟工艺经验，则完全可以保障磁性齿轮传动机构有经验，则完全可以保障磁性齿轮传动机构有20年以上的实际使用寿命年以上的实际使用寿命。三、关于稀土磁性材料三、关于稀土磁性材料年份

17、序号专利注册名称专利类型专利申请号发明主要内容备 注2010年1新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机发明ZL201010558832.7永磁+电励磁的混合励磁方式新型ZL201020624321.6已授权证书2一种复合励磁方式的永磁无刷单相同步发电机新结构新型ZL201020624325.4已授权证书3一种新型结构的永磁式交流同步发电机发明ZL201010558835.01双定子+空心转子结构2永磁+电励磁的混合励磁方式 新型ZL201020624307.6已授权证书4一种新型结构的复合励磁无刷单相同步发电机发明ZL201010563229.8新型ZL201020629876.X已授权证

18、书5一种复合励磁方式的永磁有刷交流同步发电机发明ZL201010578049.7混合励磁方式新型ZL201020647085.X已授权证书6一种同步发电机永磁转子的混合式冷却散热结构新型ZL201020647083.0水冷散热结构已授权证书2011年1一种新型横向磁场的磁性传动齿轮副发明ZL201110142746.2ZL201110142746.2基于磁场调制技术基于磁场调制技术的新型结构磁性齿的新型结构磁性齿轮副轮副新型ZL201120177813.XZL201120177813.X已授权证书2一种新型斜向磁场的磁性传动斜齿轮副发明ZL201110170001.7ZL20111017000

19、1.7新型ZL201120210494.8ZL201120210494.82011-12取证3一种双鼠笼结构的气隙磁场调制式永磁电机发明ZL201110196671.6新概念的直驱永磁电机新型ZL201120245151.52012-01取证4直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机发明ZL201110263096.7ZL201110263096.7新概念的直驱永磁电机新型ZL201120327120.4ZL201120327120.42012-03取证5新型径向磁场的感应式异步永磁耦合器新型ZL201120367834.8新型永磁耦合结构6新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器新型ZL2

20、01120339108.52012-04取证7新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副发明ZL201110277432.3ZL201110277432.3少极差磁场耦合的少极差磁场耦合的磁性齿轮副磁性齿轮副新型ZL201120350893.4ZL201120350893.42012-06取证8横向磁场的异步感应式少极差磁性传动偏心齿轮副发明ZL201110280089.8ZL201110280089.8少极差磁场感应式少极差磁场感应式磁性齿轮副磁性齿轮副新型ZL201120353364.XZL201120353364.X2012-06取证9少极差偏心盘形磁齿轮的行星轮平衡对称布置新结构新型Z

21、L201120369245.3ZL201120369245.3少极差磁性齿轮少极差磁性齿轮2012-06取证10新型径向磁场的少极差磁场耦合式磁性传动偏心齿轮副发明ZL201110355864.1ZL201110355864.1少极差磁场耦合的少极差磁场耦合的磁性齿轮副磁性齿轮副新型ZL201120444409.4ZL201120444409.42012-06取证11 径向磁场的少极差磁场感应式磁性传动偏心齿轮副发明ZL201110357874.9ZL201110357874.9少极差磁场感应式少极差磁场感应式磁性齿轮副磁性齿轮副新型ZL201120446815.4ZL201120446815

22、.42012-06取证四、关于作者专利申请及授权情况表：四、关于作者专利申请及授权情况表：五、关于下一阶段的工作任务目标：五、关于下一阶段的工作任务目标：1 1、样机试制、试验论证、成果鉴定阶段：、样机试制、试验论证、成果鉴定阶段：2 2、项目融资、建设及产业化实施阶段：、项目融资、建设及产业化实施阶段：PCTPCT专利申请：专利申请：20122012年年1 1月月样机试制：样机试制：20112011年年1010月月20122012年年3 3月月试验论证：试验论证：20122012年年3 3月月20122012年年4 4月月成果公开：参加成果公开：参加20122012年年4 4月的重庆市高新技术交易会月的重庆市高新技术交易会成果鉴定：成果鉴定：20122012年底申报重庆市科技成果奖年底申报重