付興賀 王 標(biāo) 林明耀

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磁力齒輪發(fā)展綜述

付興賀 王 標(biāo) 林明耀

（東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心 南京 210096）

磁力齒輪具有結(jié)構(gòu)簡單、無摩擦、無油污、少維護(hù)和自動(dòng)過載保護(hù)等特點(diǎn)，是一種較理想的傳動(dòng)設(shè)備。本文綜述了國內(nèi)外有關(guān)磁力齒輪的研究，按照時(shí)間順序回顧了其發(fā)展歷程，總結(jié)歸納了其發(fā)展脈絡(luò)和演進(jìn)過程；橫向比較了各種磁力齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能差異及適用領(lǐng)域，闡述了磁力齒輪的關(guān)鍵技術(shù)；探討了磁力齒輪的應(yīng)用前景，指明了未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

磁力齒輪 發(fā)展脈絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 前景應(yīng)用 發(fā)展趨勢

0 引言

磁力齒輪（Magnetic Gear, MG）通過磁場耦合傳遞力矩和能量[1,2]，可以有效解決機(jī)械齒輪存在的問題[3-5]。與機(jī)械齒輪相比，磁力齒輪具有以下優(yōu) 點(diǎn)[6-8]：①非接觸式傳動(dòng)，無摩擦、噪聲小和振動(dòng)弱；②無需潤滑，無油污，少維護(hù)；③具有向密封空間傳遞力矩和功率的能力[9]；④轉(zhuǎn)矩峰值確定，具備自動(dòng)過載保護(hù)能力；⑤結(jié)構(gòu)簡單，加工制造容易。

近年來，磁力齒輪的研究不斷深入，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層出不窮，運(yùn)行性能不斷提高，磁力齒輪的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用指日可待。而且，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度大幅提高，完全有能力取代傳統(tǒng)機(jī)械齒輪[10-12]。磁力齒輪與電機(jī)結(jié)合構(gòu)成的新型直驅(qū)設(shè)備，為電動(dòng)汽車[13-15]、風(fēng)電[16-20]、水電[21,22]和船舶推進(jìn)系統(tǒng)[23]提供了新思路和新選擇。磁力齒輪的研究不僅涉及傳統(tǒng)的機(jī)械學(xué)科，還與電機(jī)學(xué)科、傳熱學(xué)科密切相關(guān)，創(chuàng)造了新的研究方向，帶來了新的知識(shí)增長點(diǎn)。因此，磁力齒輪的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

本文歸納整理、分析研究一段時(shí)期內(nèi)關(guān)于磁力齒輪的文獻(xiàn)資料，分類探討近年來出現(xiàn)的磁力齒輪的結(jié)構(gòu)、機(jī)理、性能及特點(diǎn)。采用縱橫兩條主線，即以磁力齒輪的發(fā)展歷史為縱線，同時(shí)從國外到國內(nèi)對(duì)磁力齒輪研究的各個(gè)方面進(jìn)行橫向比較，以期詳實(shí)、細(xì)致地反映本課題的發(fā)展歷史和最新進(jìn)展，并作出比較合理的趨向預(yù)測，為后續(xù)研究尋找新的切入點(diǎn)和突破口奠定基礎(chǔ)。

1 磁力齒輪的發(fā)展歷史

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)依靠磁場耦合傳遞能量、改變速度的齒輪裝置的稱呼不統(tǒng)一，例如“磁力齒輪”、“磁性齒輪”、“磁力耦合器”、“磁力變速器”和“磁齒輪”等，本文則統(tǒng)稱之為“磁力齒輪”。

磁力齒輪最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初，B. Brukwici于1913年申請(qǐng)了磁力齒輪的專利，開啟了磁力傳動(dòng)的先河。但是，其所提出的磁力齒輪在當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的關(guān)注[24]，主要原因是其發(fā)明的磁力傳動(dòng)裝置采用傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，永磁體的利用率很低[25]。之后，曾有人提出電勵(lì)磁的磁力齒輪，但由于勵(lì)磁裝置體積較大，此類磁力齒輪最終無法得到應(yīng)用。上述階段盡管沒有誕生成熟的磁力傳動(dòng)設(shè)備，卻點(diǎn)燃了磁力齒輪傳動(dòng)的星星之火，為后續(xù)磁力齒輪的研究奠定了基礎(chǔ)。

伴隨著永磁（Permanent Magnet, PM）材料的進(jìn)步，永磁磁力齒輪的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)緩慢的轉(zhuǎn)變過程。40年代，英國的技術(shù)人員Charles和H. Geoffrey首次采用磁傳動(dòng)技術(shù)解決了輸送危險(xiǎn)性介質(zhì)化工泵的泄露問題，實(shí)現(xiàn)了永磁類驅(qū)動(dòng)泵的早期工業(yè)應(yīng)用[26]。同時(shí)期，美國的H. T. Faus發(fā)明了一種采用鐵氧體永磁材料的磁力齒輪并申請(qǐng)了專利。1974年，德國有永磁連軸節(jié)問世，并在儀器儀表、石油和化工等領(lǐng)域有所應(yīng)用。1981年，日本學(xué)者S. Oshima發(fā)明了一種同軸式磁力齒輪。這段時(shí)期研究的磁力齒輪結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩密度相對(duì)較低，應(yīng)用有限，但人們并未因此對(duì)磁力齒輪失去信心，而是寄希望于齒輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和永磁材料性能的提升。1987年，日本的K. Tsurunoto和S. Kikuchi兩位學(xué)者提出了一種使用永磁鐵制作的漸開線磁力齒輪[27]。1991年，日本學(xué)者K. Ikuta提出了另外一種無接觸的磁力齒輪傳動(dòng)方式[28]。1993～1994年間，K. Tsurumoto和S. Kikuchi又提出了蝸輪蝸桿式和斜齒輪式結(jié)構(gòu)。2000年，國內(nèi)合肥工業(yè)大學(xué)趙韓教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組對(duì)稀土永磁材料的磁力齒輪進(jìn)行了研究[29]。2001年，中國科學(xué)院電工研究所和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院共同提出了“體外永磁傳動(dòng)可植入式動(dòng)力瓣人工心臟”的研究項(xiàng)目[30,31]?？梢钥闯?，20世紀(jì)末人們加大了對(duì)磁力齒輪研究的力度，磁力齒輪的綜合性能得到了穩(wěn)步提升，在眾多領(lǐng)域已有所應(yīng)用。

磁力齒輪成功應(yīng)用的同時(shí)也暴露出其轉(zhuǎn)矩密度低這一重大問題，為此研究人員開始投入精力重點(diǎn)解決這一問題。2001年，英國謝菲爾德大學(xué)的K. Atallah和D. Howe首次提出了一種基于磁場調(diào)制原理的同心式磁力齒輪[32]，開啟了磁場調(diào)制式磁力齒輪（Field Modulated Magnetic Gear，F(xiàn)MMG）的研究之路。此后一段時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)MMG成為學(xué)術(shù)界研究的主要對(duì)象。2005年，D. Howe教授提出了直線式FMMG[33]，丹麥奧爾堡大學(xué)的P. O. Rasmussen提出了聚磁式FMMG[34]。2006年，D. Howe教授又開展了軸向FMMG的研究工作[35]。自2005年開始，香港大學(xué)與內(nèi)地大學(xué)積極合作，經(jīng)過近五年的深入研究，取得了大量研究成果，涉及Halbach充磁同心式FMMG[36,37]、電動(dòng)車用基于FMMG的輪轂電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電用基于FMMG的新型永磁電機(jī)[17]等。2010年，國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道了蘭州理工大學(xué)包廣清教授的基于FMMG的永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[38]的研究成果?？梢?，進(jìn)入21世紀(jì)后，如何提高磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度成為磁力齒輪研究的重點(diǎn)，而基于磁場調(diào)制原理的磁力齒輪的問世，很好地解決了傳統(tǒng)磁力齒輪磁場直接耦合帶來的問題。

磁力齒輪的發(fā)展是一個(gè)不斷完善、不斷進(jìn)步的過程。雖然基于磁場調(diào)制原理的磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)100kN·m/m3，但其傳動(dòng)比小的問題限制了其在某些場合的應(yīng)用。因此，為同時(shí)獲得高轉(zhuǎn)矩密度和高傳動(dòng)比，磁力齒輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又出現(xiàn)革新。2006年，丹麥阿爾堡大學(xué)的學(xué)者提出了擺線式磁力齒輪，適用于非同軸傳動(dòng)領(lǐng)域。2008年，東北大學(xué)的滿永奎教授提出一種新型的永磁-磁阻式磁力齒輪[39,40]。同年，臺(tái)灣學(xué)者聯(lián)合英國格拉斯哥大學(xué)的學(xué)者提出一種新型的永磁行星齒輪。2010年，英國謝菲爾德大學(xué)的J. Rens等開發(fā)出傳動(dòng)比大于20:1的磁力諧波齒輪。2014年，香港大學(xué)的K. T. Chau教授提出一種傳動(dòng)比可變的新型磁力齒輪[41]。由此可見，如何提高傳動(dòng)比是進(jìn)入21世紀(jì)后磁力齒輪研究中的另一項(xiàng)重要課題。到目前為止，該課題已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，磁力齒輪的理論和技術(shù)體系得到進(jìn)一步的豐富和完善。

圖1概括了磁力齒輪的發(fā)展歷程。磁力齒輪性能的提升以材料進(jìn)步和結(jié)構(gòu)革新為基礎(chǔ)，伴隨著“材料”和“結(jié)構(gòu)”兩條主線，磁力齒輪經(jīng)歷了低性能永磁材料為主的傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)階段、高性能永磁材料為主的傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)階段、高性能永磁材料為主的磁場調(diào)制式結(jié)構(gòu)階段及其他特種結(jié)構(gòu)階段。

圖1 磁力齒輪的發(fā)展歷程

自問世以來，磁力齒輪的結(jié)構(gòu)層出不窮，樣式多種多樣。為清楚地展現(xiàn)現(xiàn)有磁力齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)磁力齒輪進(jìn)行分類，如圖2所示。本文后續(xù)部分將根據(jù)圖2中的分類，詳細(xì)介紹各種磁力齒輪。

圖2 磁力齒輪的分類

2 磁力齒輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 按磁場特性分類

根據(jù)磁場特性的不同，磁力齒輪可分為傳統(tǒng)式磁力齒輪、磁場調(diào)制式磁力齒輪、擺線式磁力齒輪、永磁-磁阻式磁力齒輪和磁力諧波齒輪等。

2.1.1 傳統(tǒng)式磁力齒輪

傳統(tǒng)式磁力齒輪以機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，用永磁體替代機(jī)械輪齒。磁力齒輪兩動(dòng)子上的永磁體產(chǎn)生的磁場直接相互作用，傳遞轉(zhuǎn)矩，改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)充磁方向的不同，傳統(tǒng)式磁力齒輪可分為徑向和軸向兩種典型結(jié)構(gòu)，如圖3所示，而徑向結(jié)構(gòu)還包括圖4所示的內(nèi)嚙合和外嚙合兩種嚙合方式。

傳統(tǒng)式磁力齒輪具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在傳動(dòng)模式單一、傳動(dòng)比小、永磁體利用率低等問題[42]。

2.1.2 磁場調(diào)制式磁力齒輪

根據(jù)永磁體充磁方式的不同，磁場調(diào)制式磁力齒輪分為如下幾類。

（1）徑向充磁磁場調(diào)制式磁力齒輪。徑向充磁磁場調(diào)制式磁力齒輪的典型結(jié)構(gòu)如圖5a所示，該磁力齒輪主要由三部分組成：高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)轉(zhuǎn)子、低速旋轉(zhuǎn)的外轉(zhuǎn)子以及靜止不動(dòng)的調(diào)磁環(huán)。內(nèi)轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)的輸出軸相連，其外表面貼有極對(duì)數(shù)為i的永磁體；外轉(zhuǎn)子與所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載連接，其內(nèi)表面貼有極對(duì)數(shù)為o的永磁體；中間靜止不動(dòng)的調(diào)磁環(huán)上放置高導(dǎo)磁特性的調(diào)磁鐵塊，用于調(diào)制內(nèi)外氣隙磁場，其個(gè)數(shù)=i+o。該齒輪通過調(diào)磁鐵塊對(duì)氣隙磁場進(jìn)行調(diào)制，充分利用諧波磁場，可以產(chǎn)生恒定的有效轉(zhuǎn)矩，使內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速i與外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速o之比等于兩轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)的反比o/i。由于充分利用每一塊永磁體，該類磁力齒輪的最大轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩密度顯著提高[43]。圖5a結(jié)構(gòu)中磁力齒輪的調(diào)磁鐵塊在兩轉(zhuǎn)子之間，不易安裝固定，通過改進(jìn)得到了如圖5b所示的徑向充磁混合磁路的磁力齒輪[44]。高速轉(zhuǎn)子和低速轉(zhuǎn)子左右布置，調(diào)磁鐵塊沿圓周排列在兩轉(zhuǎn)子外側(cè)。高速轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生的磁力線先沿徑向進(jìn)入調(diào)磁鐵塊中，再沿軸向穿過調(diào)磁鐵塊，然后沿徑向到達(dá)低速轉(zhuǎn)子，磁通返回路徑與上述回路類似。該類齒輪與軸向磁路齒輪相比，加工制造更加容易，但磁路長、漏磁大[45]。

（2）軸向充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪。軸向充磁磁場調(diào)制式磁力齒輪的典型結(jié)構(gòu)如圖6所示[35]，高速側(cè)和低速側(cè)轉(zhuǎn)子分別為4對(duì)極和23對(duì)極，調(diào)磁鐵塊為27個(gè)，傳動(dòng)比為5.75∶1。這種齒輪比較適用于輸入軸和輸出軸之間需要隔離、以及對(duì)密封有嚴(yán)格要求的場合。

圖6 軸向充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪

（3）切向充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪。研究結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)子切向充磁具有聚磁效果，可提高電機(jī)性能?；诖耍环N內(nèi)轉(zhuǎn)子切向充磁的磁力齒輪應(yīng)運(yùn)而生[34]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。該磁力齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌8塊永磁體，其傳動(dòng)比為5.5∶1，轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到92kN·m/m3。文獻(xiàn)[34]指出，該磁力齒輪的多項(xiàng)性能指標(biāo)接近甚至超過了某些機(jī)械齒輪，而且采用這種結(jié)構(gòu)還可解決某些機(jī)械問題，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)的體積。另外，將切向充磁永磁體安裝在外轉(zhuǎn)子上，或內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體均切向充磁便可衍生出另外兩種切向充磁磁場調(diào)制式磁力齒輪[46-48]，其結(jié)構(gòu)與上述齒輪基本類似。

圖7 內(nèi)轉(zhuǎn)子切向充磁磁場調(diào)制式磁力齒輪

（4）Halbach充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪。采用Halbach充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪其本結(jié)構(gòu)如圖8所示[36]，該磁力齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子為4對(duì)極，外轉(zhuǎn)子為17對(duì)極，靜止的調(diào)磁鐵塊為21個(gè)，傳動(dòng)比為4.25∶1。采用Halbach充磁，齒輪內(nèi)外轉(zhuǎn)子軛部尺寸可顯著減小，齒輪的重量、體積及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量同時(shí)減小，轉(zhuǎn)矩密度比一般徑向充磁的磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度高13%左右。

圖8 Halbach充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪

2.1.3 擺線式磁力齒輪

在非同軸內(nèi)嚙合磁力齒輪的基礎(chǔ)上，為提高永磁體的利用率及磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度，擺線式磁力齒輪應(yīng)運(yùn)而生。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)描述，擺線式磁力齒輪可分為徑向和軸向兩種結(jié)構(gòu)[49]。

（1）徑向結(jié)構(gòu)擺線式磁力齒輪。徑向結(jié)構(gòu)擺線式磁力齒輪如圖9所示[50]，該齒輪外轉(zhuǎn)子為44對(duì)極，內(nèi)轉(zhuǎn)子為42對(duì)極。傳動(dòng)軸A與內(nèi)轉(zhuǎn)子固定在一起，離心軸B通過軸承分別與內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子相連。該磁力齒輪的結(jié)構(gòu)是一種兩自由度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此固定不同的軸會(huì)導(dǎo)致其傳動(dòng)比不相同。圖9a中，傳動(dòng)軸A固定不動(dòng)，離心軸B轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)子沿相同方向旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)比r=22∶1，傳遞轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)183kN·m/m3。圖9b中，離心軸B固定不動(dòng)，傳動(dòng)比r=22∶21。圖9c中，外轉(zhuǎn)子C固定不動(dòng)，離心軸B轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸A沿相反方向旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)比r=-21∶1。上述徑向結(jié)構(gòu)擺線式磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)當(dāng)時(shí)最新磁力齒輪（磁場調(diào)制式磁力齒輪）轉(zhuǎn)矩密度的2倍。但離心轉(zhuǎn)軸的存在導(dǎo)致該類齒輪的軸承承受較大的徑向力，將縮短軸承的使用壽命。

圖9 徑向結(jié)構(gòu)擺線式磁力齒輪

（2）軸向結(jié)構(gòu)擺線式磁力齒輪。軸向結(jié)構(gòu)擺線式磁力齒輪如圖10所示[51]，該齒輪定子側(cè)永磁體安裝在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)，并采用Halbach充磁方式。軸向結(jié)構(gòu)擺線式齒輪采用不同軸結(jié)構(gòu)，可有效避免徑向結(jié)構(gòu)擺線式齒輪所存在的徑向力問題，同時(shí)可獲得較高的轉(zhuǎn)矩密度。

圖10 軸向結(jié)構(gòu)擺線式磁力齒輪

2.1.4 永磁-磁阻式磁力齒輪

圖11所示的永磁-磁阻式磁力齒輪采用全新的結(jié)構(gòu)形式，外轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為50，內(nèi)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為1，傳動(dòng)比為25。內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)極距，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)梳齒。與磁場調(diào)制式磁力齒輪一樣，該磁力齒輪永磁體的利用率較高，適于大速度變比傳動(dòng)系統(tǒng)。

2.1.5 磁力諧波齒輪

磁力諧波齒輪與機(jī)械諧波齒輪類似，僅將機(jī)械諧波齒輪中的機(jī)械齒替換為永磁體[52]，典型的磁力諧波齒輪如圖12所示。通過設(shè)置永磁體之間的氣隙長度按正弦規(guī)律變化，達(dá)到調(diào)制氣隙磁場的目的，從而利用諧波磁場實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞和能量轉(zhuǎn)換[53]。圖12a中的高速轉(zhuǎn)子可視為諧波發(fā)生器，其形狀決定了正弦波的周期數(shù)。例如，圖12a中的高速轉(zhuǎn)子為圓形，此時(shí)正弦波的周期數(shù)w=1；圖12b中的高速轉(zhuǎn)子為橢圓形，對(duì)應(yīng)的正弦波的周期數(shù)w=2；圖12c中對(duì)應(yīng)的正弦波的周期數(shù)w=3。磁力諧波齒輪可實(shí)現(xiàn)很大的傳動(dòng)比（＞20∶1），同時(shí)其轉(zhuǎn)矩傳遞能力不受傳動(dòng)比的影響。單級(jí)永磁諧波齒輪的轉(zhuǎn)矩密度高達(dá)150kN·m/m3，二級(jí)磁力諧波齒輪轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到75kN·m/m3，且可達(dá)到更高的傳動(dòng)比，這類齒輪可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人和航空航天領(lǐng)域。

2.2 按運(yùn)動(dòng)形式分類

根據(jù)磁力齒輪所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換形式對(duì)磁力齒輪進(jìn)行分類，且傳統(tǒng)式和磁場調(diào)制式磁力齒輪可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式基本相同，本文以磁場調(diào)制式磁力齒輪為主要對(duì)象進(jìn)行介紹。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)磁力齒輪

基于磁場調(diào)制原理的同心式磁力齒輪采用筒狀結(jié)構(gòu)，包含內(nèi)外兩個(gè)轉(zhuǎn)子，如圖5a所示；基于磁場調(diào)制原理的軸向磁力齒輪采用盤式結(jié)構(gòu)，包括左右兩個(gè)轉(zhuǎn)子，如圖6所示。筒狀結(jié)構(gòu)和盤式結(jié)構(gòu)均具有雙機(jī)械端口，各轉(zhuǎn)子均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一套磁力齒輪的兩轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反。

2.2.2 直線-直線運(yùn)動(dòng)磁力齒輪

圖13所示的直線-直線運(yùn)動(dòng)磁力齒輪采用圓筒型結(jié)構(gòu)[33]，類似于圓筒型直線電機(jī)。由外到內(nèi)分別為定子、調(diào)磁環(huán)和動(dòng)子。定子內(nèi)表面和動(dòng)子外表面粘有環(huán)形磁鋼，動(dòng)子上的磁鋼為4對(duì)極，定子上的磁鋼為9對(duì)極。調(diào)磁環(huán)由調(diào)磁鐵塊和非導(dǎo)磁材料交替排列構(gòu)成，動(dòng)子軸向長度對(duì)應(yīng)的有效調(diào)磁鐵塊個(gè)數(shù)為13。動(dòng)子實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，調(diào)磁環(huán)實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)動(dòng)。該齒輪的傳動(dòng)比為3.25∶1，傳遞的推力達(dá)1 600N，力密度可達(dá)1.7MN/m3。

圖13 直線-直線運(yùn)動(dòng)磁力齒輪

2.2.3 旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)磁力齒輪

早期的旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)磁力齒輪要追溯到圖14a所示的齒輪齒條式結(jié)構(gòu)，它可以看作外嚙合磁力齒輪的一種特殊情況。另外，日本學(xué)者也曾提出圖14b所示的蝸輪蝸桿式結(jié)構(gòu)[54]，該結(jié)構(gòu)的永磁體采用SmCo5材料，傳動(dòng)比為33∶1，最大傳輸轉(zhuǎn)矩達(dá)11.5N·m，轉(zhuǎn)矩密度為0.1kN·m/m3[55]。上述兩種能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的磁力齒輪均具有磁場直接耦合特點(diǎn)，僅有部分永磁體參與能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)矩和推力密度較低。

東南大學(xué)學(xué)者以磁場調(diào)制式磁力齒輪為基礎(chǔ)，結(jié)合直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化的條件提出了一種磁場調(diào)制式旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)磁力齒輪[56]，其結(jié)構(gòu)如圖15所示。該磁力齒輪主要由三部分組成：直線機(jī)構(gòu)、調(diào)磁機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。調(diào)磁機(jī)構(gòu)包括調(diào)磁鐵塊和非導(dǎo)磁填充介質(zhì)，相鄰調(diào)磁鐵塊之間填充非導(dǎo)磁介質(zhì)，調(diào)磁鐵塊和非導(dǎo)磁材料交錯(cuò)排列。調(diào)磁機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間的空隙為內(nèi)氣隙，調(diào)磁機(jī)構(gòu)與直線機(jī)構(gòu)之間的空隙為外氣隙。轉(zhuǎn)子通過軸承與機(jī)殼連接，繞軸線自由旋轉(zhuǎn)；動(dòng)子通過導(dǎo)軌或滾輪與機(jī)殼連接，沿平面平移運(yùn)動(dòng)。該磁力齒輪不僅可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換，而且利用磁場調(diào)制原理，大幅提高了永磁體的利用率，提升了裝置的功率密度。

圖15 磁場調(diào)制式旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)磁力齒輪

2.3 小結(jié)

除了上面提到的結(jié)構(gòu)外，還有一些其他特種結(jié)構(gòu)的磁力齒輪。臺(tái)灣學(xué)者聯(lián)合英國格拉斯哥大學(xué)的學(xué)者提出了一種永磁行星齒輪[57,58]，該齒輪不僅具有一般磁力齒輪的優(yōu)點(diǎn)，而且傳動(dòng)性能有了很大提高[59]，可應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、電氣傳動(dòng)等領(lǐng)域。香港大學(xué)的K. T. Chau教授在文獻(xiàn)[41]中展示了一種傳動(dòng)比可變的新型磁力齒輪。該磁力齒輪借鑒記憶電機(jī)的思想，采用具有高剩磁、低矯頑力特性的鋁鎳鈷永磁材料，通過施加瞬時(shí)的充去磁電流脈沖改變永磁體的磁化狀態(tài)[60]，從而改變內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體的極對(duì)數(shù)，達(dá)到改變傳動(dòng)比的目的。

為更加清晰地展示各類磁力齒輪的參數(shù)和性能，表1對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的磁力齒輪進(jìn)行歸類，列舉了磁力齒輪的傳動(dòng)比、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩密度等性能參數(shù)。需要說明的是，表中關(guān)于傳動(dòng)比、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩密度的數(shù)據(jù)一部分由文獻(xiàn)直接給出，一部分由筆者根據(jù)所查文獻(xiàn)數(shù)據(jù)按理論計(jì)算得到。

表1 磁力齒輪參數(shù)

Tab.1 Parameters of magnetic gears

3 特性研究

除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，磁力齒輪的研究過程還涉及轉(zhuǎn)矩密度、損耗和效率以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等內(nèi)容。

3.1 轉(zhuǎn)矩密度

轉(zhuǎn)矩密度是衡量磁力齒輪性能的重要標(biāo)志，直接反映單位體積磁力齒輪的能量轉(zhuǎn)換能力，決定磁力齒輪的應(yīng)用可行性。影響磁力齒輪轉(zhuǎn)矩密度的因素眾多，且相互制約。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁力齒輪，轉(zhuǎn)矩密度可能有區(qū)別；相同結(jié)構(gòu)的磁力齒輪，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩密度的影響程度也存在差異。以磁場調(diào)制式磁力齒輪為例，永磁體的材料、極對(duì)數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)、調(diào)磁鐵塊個(gè)數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣隙長度和軛鐵厚度都會(huì)影響轉(zhuǎn)矩密度[61-64]。文獻(xiàn)[63]指出優(yōu)化調(diào)磁環(huán)厚度及形狀可增大齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩，提高齒輪的轉(zhuǎn)矩密度；增加氣隙長度會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩急劇下降，但太小的氣隙會(huì)增加齒輪的裝配難度；在一定范圍以內(nèi)，增加永磁體厚度對(duì)提高轉(zhuǎn)矩是有利的。文獻(xiàn)[64]在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸均相同的前提下，比較了四種不同永磁體材料對(duì)轉(zhuǎn)矩密度的影響，為磁力齒輪的設(shè)計(jì)和制造提供了參考。

3.2 損耗和效率

損耗和傳遞效率也是衡量磁力齒輪性能的重要指標(biāo)。在某些特定的場合，對(duì)磁力齒輪的損耗和效率的要求甚至比對(duì)轉(zhuǎn)矩密度的要求更為苛刻。對(duì)于變速的磁力齒輪而言，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間存在轉(zhuǎn)速差，齒輪軛部會(huì)感應(yīng)渦流，產(chǎn)生渦流損耗。文獻(xiàn)[9]指出低速時(shí)軛部的渦流損耗很小，幾乎可以忽略；當(dāng)齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，分析齒輪的傳動(dòng)比和最大轉(zhuǎn)矩時(shí)需要考慮渦流損耗的影響。文獻(xiàn)[43]以磁場調(diào)制式磁力齒輪為研究對(duì)象，計(jì)算了齒輪在一定轉(zhuǎn)速下的損耗和效率。文獻(xiàn)[51]討論了擺線式磁力齒輪在不同轉(zhuǎn)速下的效率，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越高對(duì)應(yīng)的效率越低。

3.3 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

現(xiàn)有磁力齒輪雖然具有較高的轉(zhuǎn)矩密度，但其瞬時(shí)傳動(dòng)比并非恒值，轉(zhuǎn)矩或電磁力存在波動(dòng)[65]。文獻(xiàn)[52]表明磁力諧波齒輪在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面具有很好的效果，其轉(zhuǎn)矩密度不僅可以達(dá)到150kN·m/m3，且轉(zhuǎn)矩曲線平滑，脈動(dòng)很小。文獻(xiàn)[59]指出永磁行星齒輪在輸出高轉(zhuǎn)矩的同時(shí)具有很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[63]探究了基于磁場調(diào)制原理的同心式磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與傳動(dòng)比的關(guān)系。當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體的極對(duì)數(shù)之比為整數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將超過所傳遞轉(zhuǎn)矩峰值的60%以上；當(dāng)極對(duì)數(shù)之比含1/2或1/3等分?jǐn)?shù)時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將超過所傳遞轉(zhuǎn)矩峰值的10%以上；當(dāng)傳動(dòng)比含其他小數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可限制在所傳遞轉(zhuǎn)矩峰值的5%以內(nèi)。文獻(xiàn)[65]指出內(nèi)嚙合磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于外嚙合磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

4 應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的磁力齒輪由于轉(zhuǎn)矩密度小并未獲得有效應(yīng)用；磁場調(diào)制式磁力齒輪通過結(jié)構(gòu)革新實(shí)現(xiàn)了性能突破，獲得了可以和機(jī)械齒輪相媲美的轉(zhuǎn)矩密度，應(yīng)用范圍大幅拓展，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速變比較??；與磁場調(diào)制式磁力齒輪相比，磁阻式磁力齒輪不僅可以傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，還能適用于速度和轉(zhuǎn)矩變比較大的場合；磁力諧波齒輪與磁阻式磁力齒輪一樣，傳動(dòng)比高，其轉(zhuǎn)矩密度的理論值是磁場調(diào)制式磁力齒輪的1.5倍，具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，隨著磁力齒輪理論和技術(shù)體系的完善，其各方面性能不斷進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷諠u豐富。

（1）取代機(jī)械齒輪。磁力齒輪具有無摩擦、無油污、少維護(hù)和噪音低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，圖16為一種實(shí)用的磁力齒輪。磁力齒輪具有自動(dòng)過載保護(hù)、向封閉空間傳遞力矩、輸入輸出隔離等特殊性能，化工、醫(yī)藥、航天等領(lǐng)域是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域[66]。另外，磁力齒輪可以實(shí)現(xiàn)隔振，在一些振動(dòng)較大的場合，如礦山、機(jī)械加工等領(lǐng)域具有獨(dú)一無二的應(yīng)用優(yōu)勢。

圖16 磁力齒輪的樣機(jī)

（2）與電機(jī)組合應(yīng)用。將磁場調(diào)制式磁力齒輪與電機(jī)進(jìn)行組合，衍生出新型電磁裝備，可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[49,67,68]。兩種典型的組合裝備是磁場調(diào)制型電機(jī)和磁力齒輪與電機(jī)組合裝置。這兩種組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)已成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車、風(fēng)電、水電和船舶推動(dòng)等領(lǐng)域，并取得了較好的成效。

圖17展示了一種“磁場調(diào)制型電機(jī)”的基本結(jié)構(gòu)。該電機(jī)可視作將磁場調(diào)制型磁力齒輪中的內(nèi)轉(zhuǎn)子置換為交流電機(jī)中的定子，實(shí)現(xiàn)了磁場調(diào)制式磁力齒輪與交流電機(jī)的結(jié)合。該電機(jī)具有變速能力，即交流繞組流過高頻電流后在內(nèi)氣隙中建立高速旋轉(zhuǎn)磁場，調(diào)磁環(huán)對(duì)氣隙磁場進(jìn)行調(diào)制，諧波磁場再驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)。若外轉(zhuǎn)子固定，則磁調(diào)制環(huán)也可作為動(dòng)力輸出端口。該電機(jī)可實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩輸出，適用于直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖17 磁場調(diào)制型電機(jī)

圖18展示了應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的磁力齒輪與電機(jī)組合裝置。該裝置由磁場調(diào)制式磁力齒輪與外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)組合而成，磁場調(diào)制式磁力齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子與永磁電機(jī)的外轉(zhuǎn)子剛性連接，兩部分的磁路幾乎相互獨(dú)立。

圖18 應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)的磁力齒輪與電機(jī)組合結(jié)構(gòu)

5 進(jìn)一步研究工作

磁力齒輪的研究持續(xù)了近一個(gè)世紀(jì)，經(jīng)歷了從第一代低性能永磁材料到第三代高性能永磁材料的進(jìn)步，從傳統(tǒng)的磁力齒輪到磁場調(diào)制式磁力齒輪到永磁-磁阻式磁力齒輪、永磁行星齒輪和磁力諧波齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。磁力傳動(dòng)的概念已逐漸被接受，磁力齒輪的性能得到大幅提高，其應(yīng)用優(yōu)勢已充分展現(xiàn)。盡管磁力齒輪的理論和技術(shù)體系日臻完善，但專家學(xué)者還需對(duì)其展開深入地研究，進(jìn)一步優(yōu)化磁力齒輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、提升轉(zhuǎn)矩密度、減小轉(zhuǎn)矩和推力波動(dòng)、提高能量轉(zhuǎn)換效率及拓展應(yīng)用領(lǐng)域，具體工作包括：

（1）優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。磁力齒輪中至少存在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，因此合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化磁力齒輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)具有重要的意義。經(jīng)過大量的理論分析和探究實(shí)驗(yàn)，磁力齒輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷推陳出新，人們一直在努力追求更完美的結(jié)構(gòu)形式。另外，新一代的設(shè)計(jì)和計(jì)算手段、數(shù)據(jù)處理技術(shù)為齒輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，可以幫助尋求最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)。

（2）提高計(jì)算精度。盡管電磁場理論分析與計(jì)算水平在不斷提高，但如何提高理論計(jì)算的精度一直是電磁設(shè)備開發(fā)中的難題。文獻(xiàn)[69]指出，其所研究的磁力齒輪樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩比理論計(jì)算的數(shù)值低30%左右，其原因在于理論計(jì)算時(shí)沒有考慮永磁體的端部效應(yīng)。因此，如何減少理論分析中的人為假設(shè)，全面考慮設(shè)備的工作條件影響，建立更準(zhǔn)確的計(jì)算模型，提高理論計(jì)算精度是磁力齒輪研究的關(guān)鍵所在。就永磁體端部效應(yīng)而言，一直以來，很少有文獻(xiàn)對(duì)其給予關(guān)注。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，永磁體端部效應(yīng)的影響規(guī)律和程度不同，對(duì)該問題需進(jìn)一步研究。

（3）提高系統(tǒng)性能。磁力齒輪作為傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，既要具有足夠的傳遞轉(zhuǎn)矩能力，又要體現(xiàn)很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，即減小磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。影響磁力齒輪轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的因素較多、且比較復(fù)雜，如極對(duì)數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、磁路走向等。盡管已有文獻(xiàn)對(duì)這一問題有所報(bào)道，但關(guān)注程度明顯不夠，所以關(guān)于磁力齒輪轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究可作為后續(xù)研究的重點(diǎn)，其相關(guān)技術(shù)和方法可參考電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)的研究過程。另外，如何提高磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度，提升能量轉(zhuǎn)換效率仍將是磁力齒輪研究的熱點(diǎn)，對(duì)此問題應(yīng)持續(xù)關(guān)注。

（4）拓展運(yùn)動(dòng)形式?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提到的磁力齒輪多用來執(zhí)行旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的變換及能量傳遞，這種局面主要是由工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的需求決定的。隨著現(xiàn)代化驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步、運(yùn)動(dòng)種類與形式的豐富，旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)已不能完全滿足工業(yè)驅(qū)動(dòng)的要求。電機(jī)領(lǐng)域的最新發(fā)展已充分體現(xiàn)了這一問題，除了傳統(tǒng)的單自由度旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)以外，兩自由度直線-旋轉(zhuǎn)電機(jī)、坐標(biāo)平面電機(jī)、多自由度球形電機(jī)等陸續(xù)被提出，成為電機(jī)界研究的新寵。因此，對(duì)磁力齒輪運(yùn)動(dòng)形式的拓展是一個(gè)全新的課題，目前已有部分學(xué)者開始關(guān)注這一方向，并投入人力物力展開了研究。

（5）更新材料和工藝。磁力齒輪性能的提升以材料（尤其是永磁材料）的進(jìn)步和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化為前提，繼續(xù)強(qiáng)調(diào)更新材料、優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、簡化制造工藝是磁力齒輪未來的發(fā)展趨勢之一。這一點(diǎn)仍可借鑒電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，例如采用復(fù)合鐵磁材料制造電機(jī)鐵心可以在一定程度上減小電機(jī)鐵耗，提升效率；采用鐵心拼裝結(jié)構(gòu)，可以大幅簡化制造過程。

6 結(jié)論

作為一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，磁力齒輪打破了人們對(duì)傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)的認(rèn)識(shí)，使人們體會(huì)到了無接觸傳動(dòng)帶來的巨大變化。磁力齒輪與電機(jī)的結(jié)合帶來了一種全新的驅(qū)動(dòng)理念，大幅提升了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。因此，磁力齒輪的研究具有重要的理論意義和較高的實(shí)用價(jià)值。

隨著電磁材料性能的提升、理論分析與計(jì)算手段的豐富以及制造工藝水平的進(jìn)步，制約磁力齒輪發(fā)展的瓶頸不斷被打破，磁力齒輪的各方面性能不斷提高，其工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用指日可待。

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Overview and Recent Developments of Magnetic Gears

（Engineering Research Center for Motion Control of MOE Southeast University Nanjing 210096 China）

Magnetic gear is a kind of ideal transmission thanks to the advantages of simple structure, no friction, no pollution, less maintenance, and automatic overload protection. The domestic and foreign literatures about magnetic gear are viewed. The development courses of magnetic gear are reviewed in chronological order. The characteristics of gradual progress of magnetic gear are summarized. The operation performance and applicable fields of magnetic gear with different structures are analyzed by horizontal comparison. The key technologies of magnetic gear are expounded. The application prospects of magnetic gear are discussed. The research focus and grown tendency about magnetic gear are pointed.

Magnetic gear, development course, topological structure, application prospect, grown tendency

TM359.9

付興賀 男，1978年生，博士，講師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制、特種電磁機(jī)構(gòu)等。

E-mail: fuxinghe@seu.edu.cn（通信作者）

王 標(biāo) 男，1989年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)和特種電磁機(jī)構(gòu)等。

E-mail: ewangbiao900823@163.com

2014-08-10 改稿日期2015-01-22

中國博士后基金（2014M550260）、國家自然科學(xué)基金青年基金（51307022）和江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（SBK201342309）資助項(xiàng)目。