磁性齒輪傳動領(lǐng)域的最新技術(shù)突破_圖文

1、磁性齒輪傳動領(lǐng)域的最新技術(shù)突破作者：盧敏一、新型磁性齒輪傳動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀：在工業(yè)應(yīng)用的許多傳動領(lǐng)域往往需要實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速大力矩的機(jī)械能與高轉(zhuǎn)速低力矩機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，比如：風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電領(lǐng)域需要將極低轉(zhuǎn)速且可變的風(fēng)能、水的勢能轉(zhuǎn)換成高轉(zhuǎn)速的發(fā)電用機(jī)械動能，電動汽車和潛艇驅(qū)動領(lǐng)域又需要將驅(qū)動電機(jī)的高速機(jī)械功率變換成轉(zhuǎn)速很低而力矩很大的機(jī)械功率。按現(xiàn)有常規(guī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，極低轉(zhuǎn)速和大力矩會使得電機(jī)體積龐大，增加電機(jī)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(jī)械齒輪變速傳動技術(shù)來實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出和恒功率調(diào)速范圍的要求；如圖1和圖2所示，長期以來機(jī)械齒輪傳動技術(shù)的基本形

2、式?jīng)]有變化，即始終是依靠機(jī)械式齒輪副的兩輪齒的嚙合進(jìn)行傳動。這就給齒輪傳動帶來了一些不可消除的問題，如機(jī)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(shù), 但以上問題依舊無法根除，導(dǎo)致使用維護(hù)極其繁瑣，而且機(jī)械式齒輪傳動的理論效率最多也只能達(dá)到85%，而常規(guī)高變速比的機(jī)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(jī)械式齒輪副傳動使得需要在更寬轉(zhuǎn)速范圍的多級、分檔調(diào)速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法適應(yīng)越來越多的無級變速的傳動技術(shù)要求。 圖1 傳統(tǒng)機(jī)械齒輪傳動原理圖 圖2 現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械齒輪傳動裝置典型結(jié)構(gòu)圖近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電、電動汽車等新能源應(yīng)用領(lǐng)域的

3、發(fā)展需求，國內(nèi)外開始在新型磁性傳動技術(shù)上實(shí)現(xiàn)對機(jī)械傳動的技術(shù)突破，2004年英國和丹麥的學(xué)者K.Atallah 、D.Howe 和S.D.Calverley 提出了磁場調(diào)制理論，并基于磁場調(diào)制技術(shù)具體完成了一種新型徑向磁場磁性齒輪樣機(jī)的設(shè)計(jì)工作，克服了以往永磁齒輪傳動扭矩較小的缺點(diǎn), 這給永磁材料在機(jī)械傳動領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了一個重要的研究方向和未來的應(yīng)用領(lǐng)域；但是，英國人提出的基于磁場調(diào)制技術(shù)的磁性齒輪新結(jié)構(gòu)采用傳遞力矩相對較小的徑向磁場結(jié)構(gòu)，這種徑向磁場結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的磁性齒輪。如圖3所示，這種新結(jié)構(gòu)的磁性齒輪有一個特點(diǎn)，即是采用磁場調(diào)制原理來對主動

4、輪和從動輪的不同極數(shù)的永久磁場進(jìn)行調(diào)制，具體在結(jié)構(gòu)上的方法就是在主動輪和從動輪之間加設(shè)了一個具有定向定數(shù)的導(dǎo)磁柵鐵心做導(dǎo)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(diào)制技術(shù)而設(shè)計(jì)的磁性齒輪從理論原理到結(jié)構(gòu)方案上存在兩大致命的不足：第一，從理論上看，起磁場調(diào)制作用的導(dǎo)磁柵鐵心極(齒 數(shù)必須滿足約束條件(Z g =p1+p2 ，從而導(dǎo)致磁性齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上看，加設(shè)導(dǎo)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

5、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(dǎo)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(dǎo)致基于磁場調(diào)制技術(shù)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(shù)的成本，就必須從原理上突破磁場調(diào)制技術(shù)的理論約束，并且從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上跳出雙氣隙的結(jié)構(gòu)制約。 目前，磁性齒輪傳動技術(shù)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(jìn)行大規(guī)模地產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的報道。但是可以預(yù)見，隨著稀土永磁材料的發(fā)展和新型實(shí)用結(jié)構(gòu)的磁性齒輪傳動技術(shù)的出現(xiàn)以及新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展要求，磁性傳動技術(shù)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

6、，必然在風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、艦艇驅(qū)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(diào)制技術(shù)的徑向磁場結(jié)構(gòu)的磁性齒輪原理圖二、新概念的磁性齒輪傳動技術(shù)原理針對現(xiàn)有機(jī)械式齒輪傳動技術(shù)存在的問題，以及目前公知的基于磁場調(diào)制技術(shù)的徑向磁場結(jié)構(gòu)的磁性傳動齒輪副的致命缺陷，以下技術(shù)發(fā)明對已知的磁性傳動從結(jié)構(gòu)到技術(shù)原理進(jìn)行了革命性的改進(jìn)： 第一， 結(jié)構(gòu)上突破了徑向磁場結(jié)構(gòu)，采用了橫向和斜向磁場結(jié)構(gòu)，使基于磁場調(diào)制技術(shù)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(diào)制技術(shù)理論制約，借鑒少齒差行星齒輪傳動的技術(shù)原理，在國內(nèi)外首次提出少極差磁場耦合的原理和結(jié)構(gòu)，不僅可取消

7、導(dǎo)磁柵鐵芯采用單氣隙結(jié)構(gòu)，而且使兩輪的磁極耦合度比基于磁場調(diào)制技術(shù)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(chǔ)上，還進(jìn)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(yīng)式異步電機(jī)的電磁場理論，在國內(nèi)外首次提出了兩輪間的永久磁場與感應(yīng)電流磁場相互耦合的原理和結(jié)構(gòu)，首次引入異步轉(zhuǎn)矩來實(shí)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(diào)制原理而設(shè)計(jì)的兩種新型結(jié)構(gòu)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

8、s 個稀土永磁體，主動輪與從動輪之間裝配有起調(diào)制氣隙磁場作用的鐵磁調(diào)磁柵，彼此之間均有氣隙，無機(jī)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(shí)現(xiàn)無機(jī)械接觸、無摩擦的動力變速傳動。 圖4 磁場調(diào)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(diào)制技術(shù)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(jī)械齒輪傳動領(lǐng)域的少齒差行星齒輪傳動的原理而設(shè)計(jì)的新型磁性傳動齒輪副新結(jié)構(gòu)。其特征是：由分布有2p 1個稀土永磁體的大磁盤、和分

9、布有2p 2個稀土永磁體的行星磁盤構(gòu)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(jié)構(gòu)，偏心輸入軸帶動行星磁盤繞旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)，通過兩磁盤間的氣隙橫向磁場耦合驅(qū)使行星磁盤同時繞自身軸線反向自轉(zhuǎn)，再通過孔銷式輸出結(jié)構(gòu)將行星輪盤的低速自轉(zhuǎn)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了無機(jī)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(yīng)式少極差磁性傳動偏心齒輪副，是將機(jī)械齒輪傳動領(lǐng)域的少齒差行星齒輪傳動的原理和異步電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子感應(yīng)式磁場理論相結(jié)合而設(shè)計(jì)的新型異步感應(yīng)式磁性傳動齒輪副新結(jié)構(gòu)。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(dǎo)體的圓盤形行星輪盤構(gòu)成一對磁性傳

10、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(jié)構(gòu)，偏心輸入軸帶動行星輪盤繞旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)，其上的Z 2個導(dǎo)體與氣隙永久磁場產(chǎn)生相互運(yùn)動并在導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出電流i 2并受到氣隙磁場的作用而產(chǎn)生自轉(zhuǎn)力矩，從而驅(qū)使行星輪盤繞自身軸線反向低速自轉(zhuǎn)，并通過孔銷式輸出結(jié)構(gòu)將自轉(zhuǎn)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了無機(jī)械接觸、無摩擦的動力變速傳動。 (a 單磁場感應(yīng)式偏心齒輪副 (b 對稱偏心平衡結(jié)構(gòu)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(shù)的異步感應(yīng)式磁性傳動齒輪副 三、新概念的磁性齒輪傳動的技術(shù)優(yōu)勢：

11、能量損耗小, 傳動效率高：由于消除了普通機(jī)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(dá)到98%，比機(jī)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(yīng)用節(jié)能效果十分顯著； 橫向磁場結(jié)構(gòu)使單位磁性材料體積傳送的轉(zhuǎn)矩密度高，為普通電機(jī)的10倍：研究表明，稀土永磁無刷電機(jī)在自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷卻的條件下，其傳送的轉(zhuǎn)矩密度可分別達(dá)到10kN.m/m3、20kN.m/m3、30kN.m/m3，橫向磁通稀土永磁電機(jī)傳送的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)4080kN.m/m3，本系列新型稀土磁性傳動齒輪所傳送的轉(zhuǎn)矩密度高于100kN.m/m3； 可靠性高, 壽命長：由于

12、無機(jī)械接觸，故無機(jī)械摩損，無需潤滑，清潔、無油污、防塵防水等； 不存在機(jī)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(jī)械齒輪在設(shè)計(jì)加工上常常需要變位修正的設(shè)計(jì)加工繁瑣； 具有過載保護(hù)作用，在過載時因主、從動輪滑轉(zhuǎn)而隨時切斷傳動關(guān)系，不會損壞負(fù)載或者原動機(jī)，且結(jié)構(gòu)簡單； 轉(zhuǎn)速傳動比恒定，轉(zhuǎn)速的動態(tài)瞬時穩(wěn)定度高，運(yùn)行平穩(wěn)； 少極差偏心盤形磁性齒輪的傳動比可設(shè)計(jì)得更大，一級磁性齒輪副的傳動比就可以達(dá)到100以上，兩級少極差磁性齒輪副串聯(lián)可以達(dá)到1000以上，沒有磁場調(diào)制技術(shù)的磁性齒輪副的磁場調(diào)制導(dǎo)磁柵鐵芯的機(jī)械強(qiáng)度制約； 結(jié)構(gòu)更簡單、更緊湊，體積小、重量輕，比機(jī)械式齒輪副減輕重量可以達(dá)到35

13、%以上； 工藝簡單，無需昂貴的機(jī)械齒輪加工和檢測設(shè)備，一次性設(shè)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(shù)的未來應(yīng)用領(lǐng)域以上理論和結(jié)構(gòu)的技術(shù)突破使得磁性齒輪傳動技術(shù)得以更經(jīng)濟(jì)的成本在更寬廣的領(lǐng)域得到廣泛推廣，充分發(fā)揮出磁性齒輪傳動高效節(jié)能、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(guān)注的潛在應(yīng)用市場及產(chǎn)品技術(shù)方案：(1、小功率減速AC/DC馬達(dá)及其磁性齒輪減速器產(chǎn)品該系列的機(jī)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(dá)的機(jī)械齒輪箱即可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。按以下原則進(jìn)行選型設(shè)計(jì)并系列化，可獲得比現(xiàn)有機(jī)

14、械齒輪減速馬達(dá)更經(jīng)濟(jì)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(diào)制式盤形同心減速器系列，大傳動比選擇少極差感應(yīng)式的偏心 盤形減速器系列； C. 工藝上無需機(jī)械齒輪加工的精密加工設(shè)備和檢測設(shè)備投資(一次性設(shè)備投資少，主 要體現(xiàn)為裝配加工作業(yè)類型，適合于流水線大規(guī)模生產(chǎn)。 圖 8 各類小功率減速 AC/DC 馬達(dá)及其磁性齒輪減速器產(chǎn)品 圖 9 各類磁性齒輪減速器產(chǎn)品 (2 中大型容量的 ZZ 系列減速器和 NGW 系列減速器 圖 10 各類中大容量的 ZZ 系列和 NGW 系列齒輪減速器產(chǎn)品 (3 中型容量的交流減速電機(jī)系列