磁性齿轮传动领域的最新技术突破_图文

1、磁性齿轮传动领域的最新技术突破作者：卢敏一、新型磁性齿轮传动技术的发展现状：在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与高转速低力矩机械能的相互转换，比如：风力发电和水力发电领域需要将极低转速且可变的风能、水的势能转换成高转速的发电用机械动能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将驱动电机的高速机械功率变换成转速很低而力矩很大的机械功率。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，现有公知的普遍方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求；如图1和图2所示，长期以来机械齿轮传动技术的基本形

2、式没有变化，即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进行传动。这就给齿轮传动带来了一些不可消除的问题，如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音、油污染等，尽管可以采用油脂润滑技术, 但以上问题依旧无法根除，导致使用维护极其繁琐，而且机械式齿轮传动的理论效率最多也只能达到85%，而常规高变速比的机械齿轮变速系统传动效率更低、噪声更大、可靠性很差，整个传动系统体积大。固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需要在更宽转速范围的多级、分档调速机构结构复杂，无法适应越来越多的无级变速的传动技术要求。 图1 传统机械齿轮传动原理图 图2 现有技术的机械齿轮传动装置典型结构图近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的

3、发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破，2004年英国和丹麦的学者K.Atallah 、D.Howe 和S.D.Calverley 提出了磁场调制理论，并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, 这给永磁材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；但是，英国人提出的基于磁场调制技术的磁性齿轮新结构采用传递力矩相对较小的径向磁场结构，这种径向磁场结构的磁性齿轮所传递的功率密度和力矩密度都不及横向磁场结构的磁性齿轮。如图3所示，这种新结构的磁性齿轮有一个特点，即是采用磁场调制原理来对主动

4、轮和从动轮的不同极数的永久磁场进行调制，具体在结构上的方法就是在主动轮和从动轮之间加设了一个具有定向定数的导磁栅铁心做导磁极，从而有目的地隔离两个不同极数的传动轮。这种基于磁场调制技术而设计的磁性齿轮从理论原理到结构方案上存在两大致命的不足：第一，从理论上看，起磁场调制作用的导磁栅铁心极(齿 数必须满足约束条件(Z g =p1+p2 ，从而导致磁性齿轮在运转传动的任意时刻都只有不到一半的永磁体处于相互磁场耦合的工作状态，有一半以上的永磁体磁极处于闲置的非耦合状态，即稀土永磁体的利用率理论上就低于50%；第二，从结构上看，加设导磁栅铁心必然使磁性齿轮副具有了两个气隙，将必然消耗稀土永磁体的大量磁

5、动势，根据稀土磁材的退磁特性可知：如果不加厚磁极厚度则必然导致处于耦合工作状态的永磁体磁通量降低，从而影响所传递的扭矩大小。这两大缺陷导致基于磁场调制技术的磁性齿轮所耗用的昂贵稀土材料的量相对比较大。所以，要降低磁性齿轮传动技术的成本，就必须从原理上突破磁场调制技术的理论约束，并且从结构设计上跳出双气隙的结构制约。 目前，磁性齿轮传动技术在国内外都处于刚起步研究的阶段，还没有开始依托某一固定行业进行大规模地产业化生产的报道。但是可以预见，随着稀土永磁材料的发展和新型实用结构的磁性齿轮传动技术的出现以及新能源领域的快速发展要求，磁性传动技术的高效节能、低噪音、无污染、高可靠性、大传动比的显著优势

6、，必然在风力发电、电动汽车、舰艇驱动、钢铁、冶金、煤矿、石油化工等诸多行业具有无可比拟的市场前景。 图3基于磁场调制技术的径向磁场结构的磁性齿轮原理图二、新概念的磁性齿轮传动技术原理针对现有机械式齿轮传动技术存在的问题，以及目前公知的基于磁场调制技术的径向磁场结构的磁性传动齿轮副的致命缺陷，以下技术发明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： 第一， 结构上突破了径向磁场结构，采用了横向和斜向磁场结构，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；第二， 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，在国内外首次提出少极差磁场耦合的原理和结构，不仅可取消

7、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；第三， 在此基础上，还进一步突破了主动轮与从动轮纯粹的永久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。1、 新型横(斜 向磁场的磁性传动齿轮副，是利用磁场调制原理而设计的两种新型结构的磁性齿轮，其特征是：磁性传动齿轮副的主动轮、从动轮呈扁平的圆盘形状(或圆锥形状 ，主动轮上分布有2p r 个稀土永磁体，从动轮上分布有2p

8、s 个稀土永磁体，主动轮与从动轮之间装配有起调制气隙磁场作用的铁磁调磁栅，彼此之间均有气隙，无机械接触和摩擦且成同轴线分布，三者间成同轴线分布，彼此靠横(斜 向的气隙磁场而耦合，工作时利用永磁材料N 极与S 极异极性相吸引的原理来实现无机械接触、无摩擦的动力变速传动。 图4 磁场调制式盘形 磁性齿轮传动原理图(a 横向磁场的磁性齿轮副 (b 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 2、 新型横向磁场的少极差磁性传动偏心盘形齿轮副，是借鉴机械齿轮传动领域的少齿差行星齿轮传动的原理而设计的新型磁性传动齿轮副新结构。其特征是：由分布有2p 1个稀土永磁体的大磁盘、和分

9、布有2p 2个稀土永磁体的行星磁盘构成一对磁性传动齿轮副，两轮盘之间极数差较小且有气隙，并由偏心输入轴将两磁盘连接成偏心结构，偏心输入轴带动行星磁盘绕旋转轴线公转，通过两磁盘间的气隙横向磁场耦合驱使行星磁盘同时绕自身轴线反向自转，再通过孔销式输出结构将行星轮盘的低速自转输出，从而实现了无机械接触、无摩擦的动力变速传动。3、 新型横向磁场的异步感应式少极差磁性传动偏心齿轮副，是将机械齿轮传动领域的少齿差行星齿轮传动的原理和异步电机鼠笼转子感应式磁场理论相结合而设计的新型异步感应式磁性传动齿轮副新结构。其特征是：由分布有2p 1个稀土永磁体的大磁盘、和具有Z 2个导体的圆盘形行星轮盘构成一对磁性传

10、动齿轮副，两轮盘的2p 1与Z 2之间数差较小且有气隙，并由偏心输入轴将两轮盘连接成偏心结构，偏心输入轴带动行星轮盘绕旋转轴线公转，其上的Z 2个导体与气隙永久磁场产生相互运动并在导体内感应出电流i 2并受到气隙磁场的作用而产生自转力矩，从而驱使行星轮盘绕自身轴线反向低速自转，并通过孔销式输出结构将自转输出，从而实现了无机械接触、无摩擦的动力变速传动。 (a 单磁场感应式偏心齿轮副 (b 对称偏心平衡结构的少极差盘形齿轮副 (a 传动原理图 (b 双磁场耦合型偏心齿轮副 图6 少极差偏心盘形磁性齿轮图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 三、新概念的磁性齿轮传动的技术优势：

11、能量损耗小, 传动效率高：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； 横向磁场结构使单位磁性材料体积传送的转矩密度高，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.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； 可靠性高, 寿命长：由于

12、无机械接触，故无机械摩损，无需润滑，清洁、无油污、防尘防水等； 不存在机械齿轮传动时因齿部啮合接触而产生的震动噪音，也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； 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机，且结构简单； 转速传动比恒定，转速的动态瞬时稳定度高，运行平稳； 少极差偏心盘形磁性齿轮的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； 结构更简单、更紧凑，体积小、重量轻，比机械式齿轮副减轻重量可以达到35

13、%以上； 工艺简单，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，便于组织大规模流水线生产。四、新型磁性齿轮传动技术的未来应用领域以上理论和结构的技术突破使得磁性齿轮传动技术得以更经济的成本在更宽广的领域得到广泛推广，充分发挥出磁性齿轮传动高效节能、低噪音、无摩擦、无污染、高可靠性、大传动比的显著优势。以下列举几个的可值得关注的潜在应用市场及产品技术方案：(1、小功率减速AC/DC马达及其磁性齿轮减速器产品该系列的机械齿轮减速产品已经在国内系列化生产，用合适的磁性传动方案取代该类减速马达的机械齿轮箱即可快速实现产业化规模生产。按以下原则进行选型设计并系列化，可获得比现有机

14、械齿轮减速马达更经济的成本优势：A. 永磁材料选择根据功率确定，降低单台成本：功率150W 采用铁氧体永磁，200W 功率500W 采用“稀土+铁氧体”的混合永磁，功率500W 采用稀土永磁体；B. 小传动比选择磁场调制式盘形同心减速器系列，大传动比选择少极差感应式的偏心 盘形减速器系列； C. 工艺上无需机械齿轮加工的精密加工设备和检测设备投资(一次性设备投资少，主 要体现为装配加工作业类型，适合于流水线大规模生产。 图 8 各类小功率减速 AC/DC 马达及其磁性齿轮减速器产品 图 9 各类磁性齿轮减速器产品 (2 中大型容量的 ZZ 系列减速器和 NGW 系列减速器 图 10 各类中大容量的 ZZ 系列和 NGW 系列齿轮减速器产品 (3 中型容量的交流减速电机系列