磁性齒輪傳動領域的最新技術突破_圖文

1、磁性齒輪傳動領域的最新技術突破作者：盧敏一、新型磁性齒輪傳動技術的發(fā)展現(xiàn)狀：在工業(yè)應用的許多傳動領域往往需要實現(xiàn)低轉速大力矩的機械能與高轉速低力矩機械能的相互轉換，比如：風力發(fā)電和水力發(fā)電領域需要將極低轉速且可變的風能、水的勢能轉換成高轉速的發(fā)電用機械動能，電動汽車和潛艇驅動領域又需要將驅動電機的高速機械功率變換成轉速很低而力矩很大的機械功率。按現(xiàn)有常規(guī)的設計技術，極低轉速和大力矩會使得電機體積龐大，增加電機單位千瓦數(shù)的材料消耗并使得工程量巨大；為此，現(xiàn)有公知的普遍方法是借助機械齒輪變速傳動技術來實現(xiàn)低轉速、大力矩的輸出和恒功率調速范圍的要求；如圖1和圖2所示，長期以來機械齒輪傳動技術的基本形

2、式?jīng)]有變化，即始終是依靠機械式齒輪副的兩輪齒的嚙合進行傳動。這就給齒輪傳動帶來了一些不可消除的問題，如機械疲勞、摩擦損耗、震動噪音、油污染等，盡管可以采用油脂潤滑技術, 但以上問題依舊無法根除，導致使用維護極其繁瑣，而且機械式齒輪傳動的理論效率最多也只能達到85%，而常規(guī)高變速比的機械齒輪變速系統(tǒng)傳動效率更低、噪聲更大、可靠性很差，整個傳動系統(tǒng)體積大。固定傳動速比的機械式齒輪副傳動使得需要在更寬轉速范圍的多級、分檔調速機構結構復雜，無法適應越來越多的無級變速的傳動技術要求。 圖1 傳統(tǒng)機械齒輪傳動原理圖 圖2 現(xiàn)有技術的機械齒輪傳動裝置典型結構圖磁性齒輪樣機的設計工作，克服了以往永磁齒輪傳動扭

3、矩較小的缺點, 這給永磁材料在機械傳動領域的應用開辟了一個重要的研究方向和未來的應用領域；但是，英國人提出的基于磁場調制技術的磁性齒輪新結構采用傳遞力矩相對較小的徑向磁場結構，這種徑向磁場結構的磁性齒輪所傳遞的功率密度和力矩密度都不及橫向磁場結構的磁性齒輪。如圖3所示，這種新結構的磁性齒輪有一個特點，即是采用磁場調制原理來對主動輪和從動輪的不同極數(shù)的永久磁場進行調制，具體在結構上的方法就是在主動輪和從動輪之間加設了一個具有定向定數(shù)的導磁柵鐵心做導磁極，從而有目的地隔離兩個不同極數(shù)的傳動輪。這種基于磁場調制技術而設計的磁性齒輪從理論原理到結構方案上存在兩大致命的不足：第一，從理論上看，起磁場調制

4、作用的導磁柵鐵心極(齒 數(shù)必須滿足約束條件(Z g =p1+p2 ，從而導致磁性齒輪在運轉傳動的任意時刻都只有不到一半的永磁體處于相互磁場耦合的工作狀態(tài)，有一半以上的永磁體磁極處于閑置的非耦合狀態(tài)，即稀土永磁體的利用率理論上就低于50%；第二，從結構上看，加設導磁柵鐵心必然使磁性齒輪副具有了兩個氣隙，將必然消耗稀土永磁體的大量磁動勢，根據(jù)稀土磁材的退磁特性可知：如果不加厚磁極厚度則必然導致處于耦合工作狀態(tài)的永磁體磁通量降低，從而影響所傳遞的扭矩大小。這兩大缺陷導致基于磁場調制技術的磁性齒輪所耗用的昂貴稀土材料的量相對比較大。所以，要降低磁性齒輪傳動技術的成本，就必須從原理上突破磁場調制技術的理

5、論約束，并且從結構設計上跳出雙氣隙的結構制約。 目前，磁性齒輪傳動技術在國內(nèi)外都處于剛起步研究的階段，還沒有開始依托某一固定行業(yè)進行大規(guī)模地產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的報道。但是可以預見，隨著稀土永磁材料的發(fā)展和新型實用結構的磁性齒輪傳動技術的出現(xiàn)以及新能源領域的快速發(fā)展要求，磁性傳動技術的高效節(jié)能、低噪音、無污染、高可靠性、大傳動比的顯著優(yōu)勢，必然在風力發(fā)電、電動汽車、艦艇驅動、鋼鐵、冶金、煤礦、石油化工等諸多行業(yè)具有無可比擬的市場前景。 圖3基于磁場調制技術的徑向磁場結構的磁性齒輪原理圖二、新概念的磁性齒輪傳動技術原理針對現(xiàn)有機械式齒輪傳動技術存在的問題，以及目前公知的基于磁場調制技術的徑向磁場結構的磁性

6、傳動齒輪副的致命缺陷，以下技術發(fā)明對已知的磁性傳動從結構到技術原理進行了革命性的改進： 第一， 結構上突破了徑向磁場結構，采用了橫向和斜向磁場結構，使基于磁場調制技術的磁性傳動齒輪副更適合于傳遞更大的力矩；第二， 突破了磁場調制技術理論制約，借鑒少齒差行星齒輪傳動的技術原理，在國內(nèi)外首次提出少極差磁場耦合的原理和結構，不僅可取消導磁柵鐵芯采用單氣隙結構，而且使兩輪的磁極耦合度比基于磁場調制技術的磁性齒輪大幅度提高，使得磁性材料在單位體積內(nèi)所傳遞的力矩密度成倍提高；第三， 在此基礎上，還進一步突破了主動輪與從動輪純粹的永久磁場耦合的理論約束，借鑒感應式異步電機的電磁場理論，在國內(nèi)外首次提出了兩輪

7、間的永久磁場與感應電流磁場相互耦合的原理和結構，首次引入異步轉矩來實現(xiàn)磁性傳動，可極大地節(jié)省稀土材料消耗量。1、 新型橫(斜 向磁場的磁性傳動齒輪副，是利用磁場調制原理而設計的兩種新型結構的磁性齒輪，其特征是：磁性傳動齒輪副的主動輪、從動輪呈扁平的圓盤形狀(或圓錐形狀 ，主動輪上分布有2p r 個稀土永磁體，從動輪上分布有2p s 個稀土永磁體，主動輪與從動輪之間裝配有起調制氣隙磁場作用的鐵磁調磁柵，彼此之間均有氣隙，無機械接觸和摩擦且成同軸線分布，三者間成同軸線分布，彼此靠橫(斜 向的氣隙磁場而耦合，工作時利用永磁材料N 極與S 極異極性相吸引的原理來實現(xiàn)無機械接觸、無摩擦的動力變速傳動。

8、圖4 磁場調制式盤形 磁性齒輪傳動原理圖(a 橫向磁場的磁性齒輪副 (b 斜向磁場的磁性齒輪副 圖5 兩種基于磁場調制技術的新概念磁性傳動齒輪副 2、 新型橫向磁場的少極差磁性傳動偏心盤形齒輪副，是借鑒機械齒輪傳動領域的少齒差行星齒輪傳動的原理而設計的新型磁性傳動齒輪副新結構。其特征是：由分布有2p 1個稀土永磁體的大磁盤、和分布有2p 2個稀土永磁體的行星磁盤構成一對磁性傳動齒輪副，兩輪盤之間極數(shù)差較小且有氣隙，并由偏心輸入軸將兩磁盤連接成偏心結構，偏心輸入軸帶動行星磁盤繞旋轉軸線公轉，通過兩磁盤間的氣隙橫向磁場耦合驅使行星磁盤同時繞自身軸線反向自轉，再通過孔銷式輸出結構將行星輪盤的低速自轉

9、輸出，從而實現(xiàn)了無機械接觸、無摩擦的動力變速傳動。3、 新型橫向磁場的異步感應式少極差磁性傳動偏心齒輪副，是將機械齒輪傳動領域的少齒差行星齒輪傳動的原理和異步電機鼠籠轉子感應式磁場理論相結合而設計的新型異步感應式磁性傳動齒輪副新結構。其特征是：由分布有2p 1個稀土永磁體的大磁盤、和具有Z 2個導體的圓盤形行星輪盤構成一對磁性傳動齒輪副，兩輪盤的2p 1與Z 2之間數(shù)差較小且有氣隙，并由偏心輸入軸將兩輪盤連接成偏心結構，偏心輸入軸帶動行星輪盤繞旋轉軸線公轉，其上的Z 2個導體與氣隙永久磁場產(chǎn)生相互運動并在導體內(nèi)感應出電流i 2并受到氣隙磁場的作用而產(chǎn)生自轉力矩，從而驅使行星輪盤繞自身軸線反向低

10、速自轉，并通過孔銷式輸出結構將自轉輸出，從而實現(xiàn)了無機械接觸、無摩擦的動力變速傳動。 (a 單磁場感應式偏心齒輪副 (b 對稱偏心平衡結構的少極差盤形齒輪副 (a 傳動原理圖 (b 雙磁場耦合型偏心齒輪副 圖6 少極差偏心盤形磁性齒輪圖7兩種基于少極差磁場耦合技術的異步感應式磁性傳動齒輪副 三、新概念的磁性齒輪傳動的技術優(yōu)勢： 能量損耗小, 傳動效率高：由于消除了普通機械式齒輪傳動副的接觸摩擦, 傳動損耗僅僅包括一些鐵心損耗, 理論上最高傳動效率可達到98%，比機械齒輪傳動普遍提高10%，完全屬于高效節(jié)能型產(chǎn)品特征，大規(guī)模推廣應用節(jié)能效果十分顯著； 橫向磁場結構使單位磁性材料體積傳送的轉矩密度

11、高，為普通電機的10倍：研究表明，稀土永磁無刷電機在自然冷卻、強制風冷、水冷卻的條件下，其傳送的轉矩密度可分別達到10kN.m/m3、20kN.m/m3、30kN.m/m3，橫向磁通稀土永磁電機傳送的轉矩密度可達4080kN.m/m3，本系列新型稀土磁性傳動齒輪所傳送的轉矩密度高于100kN.m/m3； 可靠性高, 壽命長：由于無機械接觸，故無機械摩損，無需潤滑，清潔、無油污、防塵防水等； 不存在機械齒輪傳動時因齒部嚙合接觸而產(chǎn)生的震動噪音，也不存在機械齒輪在設計加工上常常需要變位修正的設計加工繁瑣； 具有過載保護作用，在過載時因主、從動輪滑轉而隨時切斷傳動關系，不會損壞負載或者原動機，且結構

12、簡單； 轉速傳動比恒定，轉速的動態(tài)瞬時穩(wěn)定度高，運行平穩(wěn)； 少極差偏心盤形磁性齒輪的傳動比可設計得更大，一級磁性齒輪副的傳動比就可以達到100以上，兩級少極差磁性齒輪副串聯(lián)可以達到1000以上，沒有磁場調制技術的磁性齒輪副的磁場調制導磁柵鐵芯的機械強度制約； 結構更簡單、更緊湊，體積小、重量輕，比機械式齒輪副減輕重量可以達到35%以上； 工藝簡單，無需昂貴的機械齒輪加工和檢測設備，一次性設備投資少，主要為裝配作業(yè)，便于組織大規(guī)模流水線生產(chǎn)。四、新型磁性齒輪傳動技術的未來應用領域以上理論和結構的技術突破使得磁性齒輪傳動技術得以更經(jīng)濟的成本在更寬廣的領域得到廣泛推廣，充分發(fā)揮出磁性齒輪傳動高效節(jié)能

13、、低噪音、無摩擦、無污染、高可靠性、大傳動比的顯著優(yōu)勢。以下列舉幾個的可值得關注的潛在應用市場及產(chǎn)品技術方案：(1、小功率減速AC/DC馬達及其磁性齒輪減速器產(chǎn)品該系列的機械齒輪減速產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)系列化生產(chǎn)，用合適的磁性傳動方案取代該類減速馬達的機械齒輪箱即可快速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。按以下原則進行選型設計并系列化，可獲得比現(xiàn)有機械齒輪減速馬達更經(jīng)濟的成本優(yōu)勢：A. 永磁材料選擇根據(jù)功率確定，降低單臺成本：功率150W 采用鐵氧體永磁，200W 功率500W 采用“稀土+鐵氧體”的混合永磁，功率500W 采用稀土永磁體；B. 小傳動比選擇磁場調制式盤形同心減速器系列，大傳動比選擇少極差感應式的偏心 盤形減速器系列； C. 工藝上