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敏

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1991年日本学者KojiIkuta提出了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，该结构的磁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1:外啮合结构使磁极耦合极对数=1，磁藕合面积最小缺陷2:外啮合结构使磁轮副气隙曲率变差太大，磁通量小二、新型磁性齿轮传动概念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，并在2006年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，传动比为10.5的样机传递的扭矩达到了120N.m，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。缺陷3:导磁栅铁心受扭矩强度大缺陷2:内外双气隙，使耦合磁通量Φ减少缺陷1:内外磁极耦合度Ω%=1/(2+1/p1)

＜50%新型磁性齿轮传动+永磁复合电机概念2008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，并在承接的国家“863”高科技项目(2007AA05Z233)中首次提出把磁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合电机的原形样机。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：1、突破了径向磁场结构，首次提出了横向和斜向磁场结构的磁性传动齿轮副，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、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，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。两种基于磁场调制技术的新型磁性传动齿轮副(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少极差磁场耦合技术的新型磁性传动齿轮副优势1：双磁场结构的磁场耦合度60%＜Ω%＜90%，磁极藕荷面积大大提高优势2：单气隙结构，气隙磁通量大大提高优势3：首次引入异步感应式转矩，减少的稀土磁钢消耗新概念磁性齿轮传动技术的应用范围与领域在新能源、电动汽车及其它工业领域的未来应用潜力和空间无回差、无磨损的少极差磁性齿轮减速器是替代目前靠进口的工业机器人RV减速机构的理想技术高效节能：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；转矩密度高：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40～80kN.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：改变调节主动轮盘和从动轮盘之间的气隙δ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，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、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RV伺服减速机构的理想替代技术；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；同时，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；结构简单、紧凑，体积小、重量轻，比机械式齿轮副减轻重量