磁力齒輪傳動(dòng)的發(fā)展概況與前景展望

于濤

摘 要：磁力齒輪自被發(fā)明以來就倍受人們關(guān)注，因其具備諸多優(yōu)點(diǎn)故應(yīng)用非常廣泛前。本文介紹了磁力齒輪的發(fā)展、應(yīng)用情況，并對(duì)其發(fā)展與應(yīng)用的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：磁力齒輪；磁力傳動(dòng)；發(fā)展概況；前景展望

與傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)相比，磁力齒輪傳動(dòng)具備磁力傳動(dòng)的一些優(yōu)點(diǎn)，如隔絕振動(dòng)、摩擦力小、具有過載保護(hù)功能等。同時(shí)，在改變本身的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向時(shí)，磁力齒輪傳動(dòng)不需要傳統(tǒng)齒輪系統(tǒng)中的機(jī)械變速設(shè)備，因此在一定程度上縮減了設(shè)備的尺寸及重量。然而傳統(tǒng)磁力齒輪的傳遞扭矩較機(jī)械齒輪明顯不足，這嚴(yán)重制約了磁力齒輪的應(yīng)用范圍。隨著磁力傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，磁力齒輪結(jié)構(gòu)的不斷更新，磁力齒輪的傳遞扭矩得到了大幅提高，應(yīng)用也將越來越廣泛。

一、磁力齒輪發(fā)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(shù)量的永磁體粘裝在兩個(gè)直徑不同的圓盤上構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)類似于機(jī)械直齒輪。同時(shí)該專利也對(duì)磁力渦輪蝸桿進(jìn)行了描述，其結(jié)構(gòu)形式也類似于機(jī)械渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)。但在當(dāng)時(shí)，永磁體只停留在鐵氧體磁鐵階段，其磁性較低，只有現(xiàn)代釹鐵硼永磁體磁性的1 /10。不僅如此，此時(shí)的磁力齒輪在傳動(dòng)過程中只有一對(duì)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(gè)缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了磁力齒輪的發(fā)展。

隨著磁場(chǎng)有限元技術(shù)的發(fā)展，磁力齒輪的研究也隨之得到發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果幾乎相同，這大大加快了磁力齒輪的研發(fā)周期。在國(guó)內(nèi)，傳統(tǒng)磁力齒輪的研究也得到了一定的發(fā)展，合肥工業(yè)大學(xué)的趙韓等人在磁力齒輪的設(shè)計(jì)開發(fā)、二維計(jì)算、三維計(jì)算以及有限元模擬方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是在磁力齒輪的工程應(yīng)用方面卻沒有得到突破性的進(jìn)展。

雖然隨著永磁體性能的發(fā)展，傳統(tǒng)磁力齒輪的傳動(dòng)性能也越來越好，但是磁力齒輪的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得其在工作過程中只有相近的幾對(duì)磁極對(duì)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(jī)械傳動(dòng)中的應(yīng)力相比則小。傳統(tǒng)磁力齒輪能夠傳遞的扭矩很低，很難在工程實(shí)際中得到應(yīng)用。

二、高性能磁力齒輪研究發(fā)展概況

2001年，英國(guó)人 A To llah和D.Hxve首次提出了高性能磁力齒輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它采用同軸式結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子上分別布置有一定數(shù)量的永磁體，永磁體磁極對(duì)的數(shù)量分別P和pz，在內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間放置調(diào)磁極片。其工作原理為：利用調(diào)磁極片，將其中一個(gè)轉(zhuǎn)子磁密諧波的磁極對(duì)數(shù)量調(diào)制成具有磁極對(duì)數(shù)量為的磁密諧波，該磁密諧波的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向均發(fā)生了改變，因此，只要將另一個(gè)轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)量設(shè)計(jì)成pz，便可以與該磁密諧波進(jìn)行等磁極藕合，可以得到與該磁密諧波轉(zhuǎn)速相等的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而可以達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。

線性高性能磁力齒輪可以應(yīng)用于線性電機(jī)、機(jī)床導(dǎo)軌等一些存在線性運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，而軸向磁化高性能磁力齒輪可以應(yīng)用于一些需要絕對(duì)密封的場(chǎng)合，如化學(xué)、食品、航空、航海等領(lǐng)域。它們的研制豐富了高性能磁力齒輪的運(yùn)行形式以及應(yīng)用范圍。

在國(guó)內(nèi)，高性能磁力齒輪的應(yīng)用也得到了一定的發(fā)展。香港大學(xué)的鄒國(guó)棠和上海大學(xué)的江建中等人對(duì)高性能磁力齒輪進(jìn)行了分析研究，將磁力齒輪應(yīng)用于永磁無刷電機(jī)中，聯(lián)合開發(fā)出了磁力齒輪永磁直流無刷電機(jī)，該電機(jī)的特點(diǎn)是將磁力齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子作為永磁無刷電機(jī)的外磁轉(zhuǎn)子，從而不僅可以減少永磁體的用量，還達(dá)到了節(jié)約空間，減小質(zhì)量的目的，分別可以應(yīng)用于電動(dòng)車和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)車中時(shí)，可以直接安裝在電動(dòng)車的輪胎內(nèi)，故成為內(nèi)輪電機(jī)。普通的內(nèi)輪電機(jī)是用行星齒輪進(jìn)行減速的，減速機(jī)構(gòu)的體積龐大且很容易產(chǎn)生噪音和磨損。而使用磁力齒輪進(jìn)行減速不僅可以減小結(jié)構(gòu)的重量和體積，還可以減少摩擦磨損。如果應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，則是利用了磁力齒輪可以增速的效果，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)渦流轉(zhuǎn)速很慢，要使它的轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電的需求，需要進(jìn)行加速。如果使用磁力齒輪作為增速裝置，同樣可以減小結(jié)構(gòu)的體積和重量，并減少摩擦磨損，而通過磁力齒輪進(jìn)行增速后的發(fā)電機(jī)所發(fā)的電源，通過一個(gè)普通的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)便可以使電源頻率和電流波形基本上可以達(dá)到民用電的需求。

三、其他形式的磁力齒輪

英國(guó)科學(xué)家J.Rens等研發(fā)出了磁力諧波齒輪。他們?cè)趯?duì)磁力齒輪的研究過程中，使用永磁體來取代了傳統(tǒng)齒輪中的齒牙，這能夠使得齒輪的傳動(dòng)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(tái)灣成功大學(xué)的程馳煌教授、英國(guó)格拉斯大學(xué)的 D.G.Dorrell教授等人一起對(duì)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(gè)齒輪上都最少擁有兩對(duì)永磁體進(jìn)行扭矩傳遞。因此，和傳統(tǒng)的齒輪相比，該齒輪對(duì)磁力的利用率更高，具有更強(qiáng)的傳動(dòng)能力。

四、磁力齒輪工程應(yīng)用與展望

傳統(tǒng)的磁力齒輪由于傳遞扭矩能力較差，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。但隨著磁力傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，磁力齒輪結(jié)構(gòu)形式的不斷更新，磁力齒輪的性能得到了大幅提升，應(yīng)用領(lǐng)域也變得廣泛。同時(shí)，磁力齒輪傳動(dòng)技術(shù)兼具磁力傳動(dòng)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，越來越多的機(jī)械齒輪應(yīng)用場(chǎng)合也被磁力齒輪所替代。

利用磁力齒輪傳動(dòng)能夠隔離輸入軸與輸出軸的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)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(shè)備的情況下還能夠有效調(diào)整輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)磁力泵在不同速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，而且磁力齒輪為完全分離結(jié)構(gòu)，可以將不同空間完全分離開，達(dá)到絕對(duì)密封的效果。該技術(shù)的突破使得磁力泵廣泛應(yīng)用于各種要求絕對(duì)密封的場(chǎng)合。

鑒于磁力傳動(dòng)能夠有效隔離振動(dòng)的特征，技術(shù)人員將磁力齒輪應(yīng)用到了振動(dòng)比較強(qiáng)烈的工作場(chǎng)所，如礦山開采、機(jī)械加工等。該應(yīng)用有效地隔離輸入端、輸出端結(jié)構(gòu)，避免了輸入端振動(dòng)傳遞到輸出端的工作機(jī)上，保護(hù)了系統(tǒng)中的其他設(shè)備。

另外，根據(jù)磁力齒輪能夠降低摩擦力、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過載保護(hù)等特征，也進(jìn)一步促進(jìn)了磁力齒輪在現(xiàn)代實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。并且隨著新技術(shù)、新工藝以及新材料的不斷出現(xiàn)，磁力齒輪的各項(xiàng)性能也在不斷提升，這使得磁力齒輪擁有了更加廣泛的應(yīng)用前景。

五、結(jié)束語

隨著磁力傳動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展及磁力齒輪結(jié)構(gòu)形式的不斷更新，磁力齒輪傳動(dòng)技術(shù)得到了大幅提升，加之其具備磁力傳動(dòng)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其實(shí)際應(yīng)用也更加廣泛，這大大激發(fā)了人們對(duì)磁力齒輪的研發(fā)熱情。我們可以預(yù)測(cè)，磁力齒輪傳動(dòng)技術(shù)未來在動(dòng)密封、隔振、過載保護(hù)等諸多領(lǐng)域必將擁有更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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