磁力齒輪傳動的發展概況與前景展望

于濤

摘 要：磁力齒輪自被發明以來就倍受人們關注，因其具備諸多優點故應用非常廣泛前。本文介紹了磁力齒輪的發展、應用情況，并對其發展與應用的前景進行了展望。

關鍵詞：磁力齒輪；磁力傳動；發展概況；前景展望

與傳統齒輪傳動相比，磁力齒輪傳動具備磁力傳動的一些優點，如隔絕振動、摩擦力小、具有過載保護功能等。同時，在改變本身的轉速及轉向時，磁力齒輪傳動不需要傳統齒輪系統中的機械變速設備，因此在一定程度上縮減了設備的尺寸及重量。然而傳統磁力齒輪的傳遞扭矩較機械齒輪明顯不足，這嚴重制約了磁力齒輪的應用范圍。隨著磁力傳動技術的發展，磁力齒輪結構的不斷更新，磁力齒輪的傳遞扭矩得到了大幅提高，應用也將越來越廣泛。

一、磁力齒輪發展概況

磁力齒輪最初由H. T. Faus在1940年的一篇專利中提出，該專利描述的磁力齒輪，是將不同數量的永磁體粘裝在兩個直徑不同的圓盤上構成的，結構類似于機械直齒輪。同時該專利也對磁力渦輪蝸桿進行了描述，其結構形式也類似于機械渦輪蝸桿結構。但在當時，永磁體只停留在鐵氧體磁鐵階段，其磁性較低，只有現代釹鐵硼永磁體磁性的1 /10。不僅如此，此時的磁力齒輪在傳動過程中只有一對磁極起到傳遞扭矩的作用，扭矩傳遞能力較差，單位體積的扭矩密度較低，這兩個缺點嚴重限制了磁力齒輪的發展。

隨著磁場有限元技術的發展，磁力齒輪的研究也隨之得到發展，利用計算機進行磁場有限元分析的結果與實驗室測試結果幾乎相同，這大大加快了磁力齒輪的研發周期。在國內，傳統磁力齒輪的研究也得到了一定的發展，合肥工業大學的趙韓等人在磁力齒輪的設計開發、二維計算、三維計算以及有限元模擬方面都有了長足的發展，但是在磁力齒輪的工程應用方面卻沒有得到突破性的進展。

雖然隨著永磁體性能的發展，傳統磁力齒輪的傳動性能也越來越好，但是磁力齒輪的傳統結構使得其在工作過程中只有相近的幾對磁極對扭矩的傳遞起到作用，永磁體的使用率非常低，而磁極之間的磁力與機械傳動中的應力相比則小。傳統磁力齒輪能夠傳遞的扭矩很低，很難在工程實際中得到應用。

二、高性能磁力齒輪研究發展概況

2001年，英國人 A To llah和D.Hxve首次提出了高性能磁力齒輪的拓撲結構，它采用同軸式結構，內轉子和外轉子上分別布置有一定數量的永磁體，永磁體磁極對的數量分別P和pz，在內轉子和外轉子之間放置調磁極片。其工作原理為：利用調磁極片，將其中一個轉子磁密諧波的磁極對數量調制成具有磁極對數量為的磁密諧波，該磁密諧波的轉速和轉向均發生了改變，因此，只要將另一個轉子的磁極對數量設計成pz，便可以與該磁密諧波進行等磁極藕合，可以得到與該磁密諧波轉速相等的轉動速度，從而可以達到改變轉速的目的。

線性高性能磁力齒輪可以應用于線性電機、機床導軌等一些存在線性運動的場合，而軸向磁化高性能磁力齒輪可以應用于一些需要絕對密封的場合，如化學、食品、航空、航海等領域。它們的研制豐富了高性能磁力齒輪的運行形式以及應用范圍。

在國內，高性能磁力齒輪的應用也得到了一定的發展。香港大學的鄒國棠和上海大學的江建中等人對高性能磁力齒輪進行了分析研究，將磁力齒輪應用于永磁無刷電機中，聯合開發出了磁力齒輪永磁直流無刷電機，該電機的特點是將磁力齒輪的內轉子作為永磁無刷電機的外磁轉子，從而不僅可以減少永磁體的用量，還達到了節約空間，減小質量的目的，分別可以應用于電動車和風力發電機。該電機應用于電動車中時，可以直接安裝在電動車的輪胎內，故成為內輪電機。普通的內輪電機是用行星齒輪進行減速的，減速機構的體積龐大且很容易產生噪音和磨損。而使用磁力齒輪進行減速不僅可以減小結構的重量和體積，還可以減少摩擦磨損。如果應用于風力發電機中，則是利用了磁力齒輪可以增速的效果，風力發電機的風渦流轉速很慢，要使它的轉速達到發電的需求，需要進行加速。如果使用磁力齒輪作為增速裝置，同樣可以減小結構的體積和重量，并減少摩擦磨損，而通過磁力齒輪進行增速后的發電機所發的電源，通過一個普通的轉換結構便可以使電源頻率和電流波形基本上可以達到民用電的需求。

三、其他形式的磁力齒輪

英國科學家J.Rens等研發出了磁力諧波齒輪。他們在對磁力齒輪的研究過程中，使用永磁體來取代了傳統齒輪中的齒牙，這能夠使得齒輪的傳動比大大增加。永磁體的使用使得諧波齒輪的扭矩性能和高性能磁力齒輪相匹敵。

臺灣成功大學的程馳煌教授、英國格拉斯大學的 D.G.Dorrell教授等人一起對磁力行星齒輪展開了分析及研究。在研究過程中他們把行星齒輪的齒牙替換成永磁體，這樣替換后任何一個齒輪上都最少擁有兩對永磁體進行扭矩傳遞。因此，和傳統的齒輪相比，該齒輪對磁力的利用率更高，具有更強的傳動能力。

四、磁力齒輪工程應用與展望

傳統的磁力齒輪由于傳遞扭矩能力較差，因此在實際工程中應用較少。但隨著磁力傳動技術的發展，磁力齒輪結構形式的不斷更新，磁力齒輪的性能得到了大幅提升，應用領域也變得廣泛。同時，磁力齒輪傳動技術兼具磁力傳動技術的諸多優點，越來越多的機械齒輪應用場合也被磁力齒輪所替代。

利用磁力齒輪傳動能夠隔離輸入軸與輸出軸的優點，技術人員把磁力齒輪安裝在磁力泵中，不但使得磁力泵在不安裝變速設備的情況下還能夠有效調整輸入軸的轉動速度，實現磁力泵在不同速度下運轉，而且磁力齒輪為完全分離結構，可以將不同空間完全分離開，達到絕對密封的效果。該技術的突破使得磁力泵廣泛應用于各種要求絕對密封的場合。

鑒于磁力傳動能夠有效隔離振動的特征，技術人員將磁力齒輪應用到了振動比較強烈的工作場所，如礦山開采、機械加工等。該應用有效地隔離輸入端、輸出端結構，避免了輸入端振動傳遞到輸出端的工作機上，保護了系統中的其他設備。

另外，根據磁力齒輪能夠降低摩擦力、實現自動過載保護等特征，也進一步促進了磁力齒輪在現代實際生產中的應用。并且隨著新技術、新工藝以及新材料的不斷出現，磁力齒輪的各項性能也在不斷提升，這使得磁力齒輪擁有了更加廣泛的應用前景。

五、結束語

隨著磁力傳動技術的不斷發展及磁力齒輪結構形式的不斷更新，磁力齒輪傳動技術得到了大幅提升，加之其具備磁力傳動技術的諸多優點，使其實際應用也更加廣泛，這大大激發了人們對磁力齒輪的研發熱情。我們可以預測，磁力齒輪傳動技術未來在動密封、隔振、過載保護等諸多領域必將擁有更加廣泛的應用和發展前景。

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