磁力齿轮发展综述

付兴贺 王 标 林明耀



磁力齿轮发展综述

付兴贺 王 标 林明耀

（东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心 南京 210096）

磁力齿轮具有结构简单、无摩擦、无油污、少维护和自动过载保护等特点，是一种较理想的传动设备。本文综述了国内外有关磁力齿轮的研究，按照时间顺序回顾了其发展历程，总结归纳了其发展脉络和演进过程；横向比较了各种磁力齿轮的结构特点、性能差异及适用领域，阐述了磁力齿轮的关键技术；探讨了磁力齿轮的应用前景，指明了未来的研究重点和发展方向。

磁力齿轮 发展脉络 拓扑结构 前景应用 发展趋势

0 引言

磁力齿轮（Magnetic Gear, MG）通过磁场耦合传递力矩和能量[1,2]，可以有效解决机械齿轮存在的问题[3-5]。与机械齿轮相比，磁力齿轮具有以下优 点[6-8]：①非接触式传动，无摩擦、噪声小和振动弱；②无需润滑，无油污，少维护；③具有向密封空间传递力矩和功率的能力[9]；④转矩峰值确定，具备自动过载保护能力；⑤结构简单，加工制造容易。

近年来，磁力齿轮的研究不断深入，其拓扑结构层出不穷，运行性能不断提高，磁力齿轮的产业化应用指日可待。而且，新型拓扑结构的磁力齿轮的转矩密度大幅提高，完全有能力取代传统机械齿轮[10-12]。磁力齿轮与电机结合构成的新型直驱设备，为电动汽车[13-15]、风电[16-20]、水电[21,22]和船舶推进系统[23]提供了新思路和新选择。磁力齿轮的研究不仅涉及传统的机械学科，还与电机学科、传热学科密切相关，创造了新的研究方向，带来了新的知识增长点。因此，磁力齿轮的研究具有重要的理论意义和实用价值。

本文归纳整理、分析研究一段时期内关于磁力齿轮的文献资料，分类探讨近年来出现的磁力齿轮的结构、机理、性能及特点。采用纵横两条主线，即以磁力齿轮的发展历史为纵线，同时从国外到国内对磁力齿轮研究的各个方面进行横向比较，以期详实、细致地反映本课题的发展历史和最新进展，并作出比较合理的趋向预测，为后续研究寻找新的切入点和突破口奠定基础。

1 磁力齿轮的发展历史

现有文献对依靠磁场耦合传递能量、改变速度的齿轮装置的称呼不统一，例如“磁力齿轮”、“磁性齿轮”、“磁力耦合器”、“磁力变速器”和“磁齿轮”等，本文则统称之为“磁力齿轮”。

磁力齿轮最早出现在20世纪初，B. Brukwici于1913年申请了磁力齿轮的专利，开启了磁力传动的先河。但是，其所提出的磁力齿轮在当时并没有引起人们的关注[24]，主要原因是其发明的磁力传动装置采用传统的拓扑结构，永磁体的利用率很低[25]。之后，曾有人提出电励磁的磁力齿轮，但由于励磁装置体积较大，此类磁力齿轮最终无法得到应用。上述阶段尽管没有诞生成熟的磁力传动设备，却点燃了磁力齿轮传动的星星之火，为后续磁力齿轮的研究奠定了基础。

伴随着永磁（Permanent Magnet, PM）材料的进步，永磁磁力齿轮的发展经历了一个缓慢的转变过程。40年代，英国的技术人员Charles和H. Geoffrey首次采用磁传动技术解决了输送危险性介质化工泵的泄露问题，实现了永磁类驱动泵的早期工业应用[26]。同时期，美国的H. T. Faus发明了一种采用铁氧体永磁材料的磁力齿轮并申请了专利。1974年，德国有永磁连轴节问世，并在仪器仪表、石油和化工等领域有所应用。1981年，日本学者S. Oshima发明了一种同轴式磁力齿轮。这段时期研究的磁力齿轮结构简单，转矩密度相对较低，应用有限，但人们并未因此对磁力齿轮失去信心，而是寄希望于齿轮结构的改进和永磁材料性能的提升。1987年，日本的K. Tsurunoto和S. Kikuchi两位学者提出了一种使用永磁铁制作的渐开线磁力齿轮[27]。1991年，日本学者K. Ikuta提出了另外一种无接触的磁力齿轮传动方式[28]。1993～1994年间，K. Tsurumoto和S. Kikuchi又提出了蜗轮蜗杆式和斜齿轮式结构。2000年，国内合肥工业大学赵韩教授领导的科研小组对稀土永磁材料的磁力齿轮进行了研究[29]。2001年，中国科学院电工研究所和中国医学科学院共同提出了“体外永磁传动可植入式动力瓣人工心脏”的研究项目[30,31]。可以看出，20世纪末人们加大了对磁力齿轮研究的力度，磁力齿轮的综合性能得到了稳步提升，在众多领域已有所应用。

磁力齿轮成功应用的同时也暴露出其转矩密度低这一重大问题，为此研究人员开始投入精力重点解决这一问题。2001年，英国谢菲尔德大学的K. Atallah和D. Howe首次提出了一种基于磁场调制原理的同心式磁力齿轮[32]，开启了磁场调制式磁力齿轮（Field Modulated Magnetic Gear，FMMG）的研究之路。此后一段时间内，FMMG成为学术界研究的主要对象。2005年，D. Howe教授提出了直线式FMMG[33]，丹麦奥尔堡大学的P. O. Rasmussen提出了聚磁式FMMG[34]。2006年，D. Howe教授又开展了轴向FMMG的研究工作[35]。自2005年开始，香港大学与内地大学积极合作，经过近五年的深入研究，取得了大量研究成果，涉及Halbach充磁同心式FMMG[36,37]、电动车用基于FMMG的轮毂电机、风力发电用基于FMMG的新型永磁电机[17]等。2010年，国内文献报道了兰州理工大学包广清教授的基于FMMG的永磁同步发电机系统[38]的研究成果。可见，进入21世纪后，如何提高磁力齿轮的转矩密度成为磁力齿轮研究的重点，而基于磁场调制原理的磁力齿轮的问世，很好地解决了传统磁力齿轮磁场直接耦合带来的问题。

磁力齿轮的发展是一个不断完善、不断进步的过程。虽然基于磁场调制原理的磁力齿轮的转矩密度可达100kN·m/m3，但其传动比小的问题限制了其在某些场合的应用。因此，为同时获得高转矩密度和高传动比，磁力齿轮的拓扑结构又出现革新。2006年，丹麦阿尔堡大学的学者提出了摆线式磁力齿轮，适用于非同轴传动领域。2008年，东北大学的满永奎教授提出一种新型的永磁-磁阻式磁力齿轮[39,40]。同年，台湾学者联合英国格拉斯哥大学的学者提出一种新型的永磁行星齿轮。2010年，英国谢菲尔德大学的J. Rens等开发出传动比大于20:1的磁力谐波齿轮。2014年，香港大学的K. T. Chau教授提出一种传动比可变的新型磁力齿轮[41]。由此可见，如何提高传动比是进入21世纪后磁力齿轮研究中的另一项重要课题。到目前为止，该课题已经取得了重大进展，磁力齿轮的理论和技术体系得到进一步的丰富和完善。

图1概括了磁力齿轮的发展历程。磁力齿轮性能的提升以材料进步和结构革新为基础，伴随着“材料”和“结构”两条主线，磁力齿轮经历了低性能永磁材料为主的传统式结构阶段、高性能永磁材料为主的传统式结构阶段、高性能永磁材料为主的磁场调制式结构阶段及其他特种结构阶段。

图1 磁力齿轮的发展历程

自问世以来，磁力齿轮的结构层出不穷，样式多种多样。为清楚地展现现有磁力齿轮的结构特点，本文根据不同的标准对磁力齿轮进行分类，如图2所示。本文后续部分将根据图2中的分类，详细介绍各种磁力齿轮。

图2 磁力齿轮的分类

2 磁力齿轮的拓扑结构

2.1 按磁场特性分类

根据磁场特性的不同，磁力齿轮可分为传统式磁力齿轮、磁场调制式磁力齿轮、摆线式磁力齿轮、永磁-磁阻式磁力齿轮和磁力谐波齿轮等。

2.1.1 传统式磁力齿轮

传统式磁力齿轮以机械齿轮结构为基础，用永磁体替代机械轮齿。磁力齿轮两动子上的永磁体产生的磁场直接相互作用，传递转矩，改变转速。根据充磁方向的不同，传统式磁力齿轮可分为径向和轴向两种典型结构，如图3所示，而径向结构还包括图4所示的内啮合和外啮合两种啮合方式。

传统式磁力齿轮具有结构简单的优点，同时也存在传动模式单一、传动比小、永磁体利用率低等问题[42]。

2.1.2 磁场调制式磁力齿轮

根据永磁体充磁方式的不同，磁场调制式磁力齿轮分为如下几类。

（1）径向充磁磁场调制式磁力齿轮。径向充磁磁场调制式磁力齿轮的典型结构如图5a所示，该磁力齿轮主要由三部分组成：高速旋转的内转子、低速旋转的外转子以及静止不动的调磁环。内转子与原动机的输出轴相连，其外表面贴有极对数为i的永磁体；外转子与所驱动的负载连接，其内表面贴有极对数为o的永磁体；中间静止不动的调磁环上放置高导磁特性的调磁铁块，用于调制内外气隙磁场，其个数=i+o。该齿轮通过调磁铁块对气隙磁场进行调制，充分利用谐波磁场，可以产生恒定的有效转矩，使内转子转速i与外转子转速o之比等于两转子永磁体极对数的反比o/i。由于充分利用每一块永磁体，该类磁力齿轮的最大转矩以及转矩密度显著提高[43]。图5a结构中磁力齿轮的调磁铁块在两转子之间，不易安装固定，通过改进得到了如图5b所示的径向充磁混合磁路的磁力齿轮[44]。高速转子和低速转子左右布置，调磁铁块沿圆周排列在两转子外侧。高速转子上的永磁体产生的磁力线先沿径向进入调磁铁块中，再沿轴向穿过调磁铁块，然后沿径向到达低速转子，磁通返回路径与上述回路类似。该类齿轮与轴向磁路齿轮相比，加工制造更加容易，但磁路长、漏磁大[45]。

（2）轴向充磁的磁场调制式磁力齿轮。轴向充磁磁场调制式磁力齿轮的典型结构如图6所示[35]，高速侧和低速侧转子分别为4对极和23对极，调磁铁块为27个，传动比为5.75∶1。这种齿轮比较适用于输入轴和输出轴之间需要隔离、以及对密封有严格要求的场合。

图6 轴向充磁的磁场调制式磁力齿轮

（3）切向充磁的磁场调制式磁力齿轮。研究结果表明，电机转子切向充磁具有聚磁效果，可提高电机性能。基于此，一种内转子切向充磁的磁力齿轮应运而生[34]，其结构如图7所示。该磁力齿轮内转子内嵌8块永磁体，其传动比为5.5∶1，转矩密度达到92kN·m/m3。文献[34]指出，该磁力齿轮的多项性能指标接近甚至超过了某些机械齿轮，而且采用这种结构还可解决某些机械问题，可进一步减小系统的体积。另外，将切向充磁永磁体安装在外转子上，或内外转子永磁体均切向充磁便可衍生出另外两种切向充磁磁场调制式磁力齿轮[46-48]，其结构与上述齿轮基本类似。

图7 内转子切向充磁磁场调制式磁力齿轮

（4）Halbach充磁的磁场调制式磁力齿轮。采用Halbach充磁的磁场调制式磁力齿轮其本结构如图8所示[36]，该磁力齿轮的内转子为4对极，外转子为17对极，静止的调磁铁块为21个，传动比为4.25∶1。采用Halbach充磁，齿轮内外转子轭部尺寸可显著减小，齿轮的重量、体积及转子的转动惯量同时减小，转矩密度比一般径向充磁的磁力齿轮的转矩密度高13%左右。

图8 Halbach充磁的磁场调制式磁力齿轮

2.1.3 摆线式磁力齿轮

在非同轴内啮合磁力齿轮的基础上，为提高永磁体的利用率及磁力齿轮的转矩密度，摆线式磁力齿轮应运而生。据现有文献描述，摆线式磁力齿轮可分为径向和轴向两种结构[49]。

（1）径向结构摆线式磁力齿轮。径向结构摆线式磁力齿轮如图9所示[50]，该齿轮外转子为44对极，内转子为42对极。传动轴A与内转子固定在一起，离心轴B通过轴承分别与内转子和外转子相连。该磁力齿轮的结构是一种两自由度的拓扑结构，因此固定不同的轴会导致其传动比不相同。图9a中，传动轴A固定不动，离心轴B转动进而驱动外转子沿相同方向旋转，传动比r=22∶1，传递转矩密度可达183kN·m/m3。图9b中，离心轴B固定不动，传动比r=22∶21。图9c中，外转子C固定不动，离心轴B转动进而驱动传动轴A沿相反方向旋转，传动比r=-21∶1。上述径向结构摆线式磁力齿轮的转矩密度可达当时最新磁力齿轮（磁场调制式磁力齿轮）转矩密度的2倍。但离心转轴的存在导致该类齿轮的轴承承受较大的径向力，将缩短轴承的使用寿命。

图9 径向结构摆线式磁力齿轮

（2）轴向结构摆线式磁力齿轮。轴向结构摆线式磁力齿轮如图10所示[51]，该齿轮定子侧永磁体安装在转子的两侧，并采用Halbach充磁方式。轴向结构摆线式齿轮采用不同轴结构，可有效避免径向结构摆线式齿轮所存在的径向力问题，同时可获得较高的转矩密度。

图10 轴向结构摆线式磁力齿轮

2.1.4 永磁-磁阻式磁力齿轮

图11所示的永磁-磁阻式磁力齿轮采用全新的结构形式，外转子极对数为50，内转子极对数为1，传动比为25。内转子旋转一个极距，外转子旋转一个梳齿。与磁场调制式磁力齿轮一样，该磁力齿轮永磁体的利用率较高，适于大速度变比传动系统。

2.1.5 磁力谐波齿轮

磁力谐波齿轮与机械谐波齿轮类似，仅将机械谐波齿轮中的机械齿替换为永磁体[52]，典型的磁力谐波齿轮如图12所示。通过设置永磁体之间的气隙长度按正弦规律变化，达到调制气隙磁场的目的，从而利用谐波磁场实现转矩传递和能量转换[53]。图12a中的高速转子可视为谐波发生器，其形状决定了正弦波的周期数。例如，图12a中的高速转子为圆形，此时正弦波的周期数w=1；图12b中的高速转子为椭圆形，对应的正弦波的周期数w=2；图12c中对应的正弦波的周期数w=3。磁力谐波齿轮可实现很大的传动比（＞20∶1），同时其转矩传递能力不受传动比的影响。单级永磁谐波齿轮的转矩密度高达150kN·m/m3，二级磁力谐波齿轮转矩密度达到75kN·m/m3，且可达到更高的传动比，这类齿轮可广泛应用于机器人和航空航天领域。

2.2 按运动形式分类

根据磁力齿轮所实现的运动转换形式对磁力齿轮进行分类，且传统式和磁场调制式磁力齿轮可以实现的运动形式基本相同，本文以磁场调制式磁力齿轮为主要对象进行介绍。

2.2.1 旋转-旋转运动磁力齿轮

基于磁场调制原理的同心式磁力齿轮采用筒状结构，包含内外两个转子，如图5a所示；基于磁场调制原理的轴向磁力齿轮采用盘式结构，包括左右两个转子，如图6所示。筒状结构和盘式结构均具有双机械端口，各转子均可实现连续的旋转运动，一套磁力齿轮的两转子的旋转方向相反。

2.2.2 直线-直线运动磁力齿轮

图13所示的直线-直线运动磁力齿轮采用圆筒型结构[33]，类似于圆筒型直线电机。由外到内分别为定子、调磁环和动子。定子内表面和动子外表面粘有环形磁钢，动子上的磁钢为4对极，定子上的磁钢为9对极。调磁环由调磁铁块和非导磁材料交替排列构成，动子轴向长度对应的有效调磁铁块个数为13。动子实现高速运动，调磁环实现低速运动。该齿轮的传动比为3.25∶1，传递的推力达1 600N，力密度可达1.7MN/m3。

图13 直线-直线运动磁力齿轮

2.2.3 旋转-直线运动磁力齿轮

早期的旋转-直线运动磁力齿轮要追溯到图14a所示的齿轮齿条式结构，它可以看作外啮合磁力齿轮的一种特殊情况。另外，日本学者也曾提出图14b所示的蜗轮蜗杆式结构[54]，该结构的永磁体采用SmCo5材料，传动比为33∶1，最大传输转矩达11.5N·m，转矩密度为0.1kN·m/m3[55]。上述两种能够实现旋转运动和直线运动相互转换的磁力齿轮均具有磁场直接耦合特点，仅有部分永磁体参与能量转换，转矩和推力密度较低。

东南大学学者以磁场调制式磁力齿轮为基础，结合直线运动与旋转运动相互转化的条件提出了一种磁场调制式旋转-直线运动磁力齿轮[56]，其结构如图15所示。该磁力齿轮主要由三部分组成：直线机构、调磁机构和旋转机构。调磁机构包括调磁铁块和非导磁填充介质，相邻调磁铁块之间填充非导磁介质，调磁铁块和非导磁材料交错排列。调磁机构与旋转机构之间的空隙为内气隙，调磁机构与直线机构之间的空隙为外气隙。转子通过轴承与机壳连接，绕轴线自由旋转；动子通过导轨或滚轮与机壳连接，沿平面平移运动。该磁力齿轮不仅可以实现直线运动和旋转运动的相互转换，而且利用磁场调制原理，大幅提高了永磁体的利用率，提升了装置的功率密度。

图15 磁场调制式旋转-直线运动磁力齿轮

2.3 小结

除了上面提到的结构外，还有一些其他特种结构的磁力齿轮。台湾学者联合英国格拉斯哥大学的学者提出了一种永磁行星齿轮[57,58]，该齿轮不仅具有一般磁力齿轮的优点，而且传动性能有了很大提高[59]，可应用于风力发电、电气传动等领域。香港大学的K. T. Chau教授在文献[41]中展示了一种传动比可变的新型磁力齿轮。该磁力齿轮借鉴记忆电机的思想，采用具有高剩磁、低矫顽力特性的铝镍钴永磁材料，通过施加瞬时的充去磁电流脉冲改变永磁体的磁化状态[60]，从而改变内外转子永磁体的极对数，达到改变传动比的目的。

为更加清晰地展示各类磁力齿轮的参数和性能，表1对文献报道的磁力齿轮进行归类，列举了磁力齿轮的传动比、最大转矩和转矩密度等性能参数。需要说明的是，表中关于传动比、最大静态转矩和最大转矩密度的数据一部分由文献直接给出，一部分由笔者根据所查文献数据按理论计算得到。

表1 磁力齿轮参数

Tab.1 Parameters of magnetic gears

3 特性研究

除拓扑结构外，磁力齿轮的研究过程还涉及转矩密度、损耗和效率以及转矩脉动等内容。

3.1 转矩密度

转矩密度是衡量磁力齿轮性能的重要标志，直接反映单位体积磁力齿轮的能量转换能力，决定磁力齿轮的应用可行性。影响磁力齿轮转矩密度的因素众多，且相互制约。不同拓扑结构的磁力齿轮，转矩密度可能有区别；相同结构的磁力齿轮，各结构参数对转矩密度的影响程度也存在差异。以磁场调制式磁力齿轮为例，永磁体的材料、极对数和结构参数、调磁铁块个数和结构参数、气隙长度和轭铁厚度都会影响转矩密度[61-64]。文献[63]指出优化调磁环厚度及形状可增大齿轮所传递的转矩，提高齿轮的转矩密度；增加气隙长度会导致转矩急剧下降，但太小的气隙会增加齿轮的装配难度；在一定范围以内，增加永磁体厚度对提高转矩是有利的。文献[64]在拓扑结构和尺寸均相同的前提下，比较了四种不同永磁体材料对转矩密度的影响，为磁力齿轮的设计和制造提供了参考。

3.2 损耗和效率

损耗和传递效率也是衡量磁力齿轮性能的重要指标。在某些特定的场合，对磁力齿轮的损耗和效率的要求甚至比对转矩密度的要求更为苛刻。对于变速的磁力齿轮而言，主动轮和从动轮之间存在转速差，齿轮轭部会感应涡流，产生涡流损耗。文献[9]指出低速时轭部的涡流损耗很小，几乎可以忽略；当齿轮高速运转时，分析齿轮的传动比和最大转矩时需要考虑涡流损耗的影响。文献[43]以磁场调制式磁力齿轮为研究对象，计算了齿轮在一定转速下的损耗和效率。文献[51]讨论了摆线式磁力齿轮在不同转速下的效率，通过实验发现转速越高对应的效率越低。

3.3 转矩脉动

现有磁力齿轮虽然具有较高的转矩密度，但其瞬时传动比并非恒值，转矩或电磁力存在波动[65]。文献[52]表明磁力谐波齿轮在抑制转矩脉动方面具有很好的效果，其转矩密度不仅可以达到150kN·m/m3，且转矩曲线平滑，脉动很小。文献[59]指出永磁行星齿轮在输出高转矩的同时具有很大的转矩脉动。文献[63]探究了基于磁场调制原理的同心式磁力齿轮的转矩脉动与传动比的关系。当内外转子永磁体的极对数之比为整数时，转矩脉动将超过所传递转矩峰值的60%以上；当极对数之比含1/2或1/3等分数时，转矩脉动将超过所传递转矩峰值的10%以上；当传动比含其他小数时，转矩脉动可限制在所传递转矩峰值的5%以内。文献[65]指出内啮合磁力齿轮的转矩脉动小于外啮合磁力齿轮的转矩脉动。

4 应用前景

传统的磁力齿轮由于转矩密度小并未获得有效应用；磁场调制式磁力齿轮通过结构革新实现了性能突破，获得了可以和机械齿轮相媲美的转矩密度，应用范围大幅拓展，缺点是转速变比较小；与磁场调制式磁力齿轮相比，磁阻式磁力齿轮不仅可以传递较大的转矩，还能适用于速度和转矩变比较大的场合；磁力谐波齿轮与磁阻式磁力齿轮一样，传动比高，其转矩密度的理论值是磁场调制式磁力齿轮的1.5倍，具有更大的应用优势。因此，随着磁力齿轮理论和技术体系的完善，其各方面性能不断进步，应用领域将日渐丰富。

（1）取代机械齿轮。磁力齿轮具有无摩擦、无油污、少维护和噪音低等优点，可广泛应用于电气传动系统，图16为一种实用的磁力齿轮。磁力齿轮具有自动过载保护、向封闭空间传递力矩、输入输出隔离等特殊性能，化工、医药、航天等领域是其重要的应用领域[66]。另外，磁力齿轮可以实现隔振，在一些振动较大的场合，如矿山、机械加工等领域具有独一无二的应用优势。

图16 磁力齿轮的样机

（2）与电机组合应用。将磁场调制式磁力齿轮与电机进行组合，衍生出新型电磁装备，可应用于众多领域[49,67,68]。两种典型的组合装备是磁场调制型电机和磁力齿轮与电机组合装置。这两种组合结构现已成功应用于电动汽车、风电、水电和船舶推动等领域，并取得了较好的成效。

图17展示了一种“磁场调制型电机”的基本结构。该电机可视作将磁场调制型磁力齿轮中的内转子置换为交流电机中的定子，实现了磁场调制式磁力齿轮与交流电机的结合。该电机具有变速能力，即交流绕组流过高频电流后在内气隙中建立高速旋转磁场，调磁环对气隙磁场进行调制，谐波磁场再驱动外转子低速旋转。若外转子固定，则磁调制环也可作为动力输出端口。该电机可实现低速大转矩输出，适用于直接驱动系统。

图17 磁场调制型电机

图18展示了应用于风力发电领域的磁力齿轮与电机组合装置。该装置由磁场调制式磁力齿轮与外转子永磁电机组合而成，磁场调制式磁力齿轮的内转子与永磁电机的外转子刚性连接，两部分的磁路几乎相互独立。

图18 应用于风电系统的磁力齿轮与电机组合结构

5 进一步研究工作

磁力齿轮的研究持续了近一个世纪，经历了从第一代低性能永磁材料到第三代高性能永磁材料的进步，从传统的磁力齿轮到磁场调制式磁力齿轮到永磁-磁阻式磁力齿轮、永磁行星齿轮和磁力谐波齿轮拓扑结构的转变。磁力传动的概念已逐渐被接受，磁力齿轮的性能得到大幅提高，其应用优势已充分展现。尽管磁力齿轮的理论和技术体系日臻完善，但专家学者还需对其展开深入地研究，进一步优化磁力齿轮的拓扑结构、提升转矩密度、减小转矩和推力波动、提高能量转换效率及拓展应用领域，具体工作包括：

（1）优化拓扑结构。磁力齿轮中至少存在两个运动部件，因此合理的设计和优化磁力齿轮的机械结构和磁路结构具有重要的意义。经过大量的理论分析和探究实验，磁力齿轮的拓扑结构不断推陈出新，人们一直在努力追求更完美的结构形式。另外，新一代的设计和计算手段、数据处理技术为齿轮结构的优化奠定了基础，可以帮助寻求最佳的拓扑结构和尺寸参数。

（2）提高计算精度。尽管电磁场理论分析与计算水平在不断提高，但如何提高理论计算的精度一直是电磁设备开发中的难题。文献[69]指出，其所研究的磁力齿轮样机的转矩比理论计算的数值低30%左右，其原因在于理论计算时没有考虑永磁体的端部效应。因此，如何减少理论分析中的人为假设，全面考虑设备的工作条件影响，建立更准确的计算模型，提高理论计算精度是磁力齿轮研究的关键所在。就永磁体端部效应而言，一直以来，很少有文献对其给予关注。不同的拓扑结构，永磁体端部效应的影响规律和程度不同，对该问题需进一步研究。

（3）提高系统性能。磁力齿轮作为传动系统的核心部件，既要具有足够的传递转矩能力，又要体现很好的系统稳定性，即减小磁力齿轮的转矩脉动。影响磁力齿轮转矩脉动的因素较多、且比较复杂，如极对数、结构尺寸、磁路走向等。尽管已有文献对这一问题有所报道，但关注程度明显不够，所以关于磁力齿轮转矩脉动的研究可作为后续研究的重点，其相关技术和方法可参考电机转动脉动的研究过程。另外，如何提高磁力齿轮的转矩密度，提升能量转换效率仍将是磁力齿轮研究的热点，对此问题应持续关注。

（4）拓展运动形式。现有文献提到的磁力齿轮多用来执行旋转-旋转运动的变换及能量传递，这种局面主要是由工业生产领域的需求决定的。随着现代化驱动技术的进步、运动种类与形式的丰富，旋转-旋转运动已不能完全满足工业驱动的要求。电机领域的最新发展已充分体现了这一问题，除了传统的单自由度旋转电机、直线电机以外，两自由度直线-旋转电机、坐标平面电机、多自由度球形电机等陆续被提出，成为电机界研究的新宠。因此，对磁力齿轮运动形式的拓展是一个全新的课题，目前已有部分学者开始关注这一方向，并投入人力物力展开了研究。

（5）更新材料和工艺。磁力齿轮性能的提升以材料（尤其是永磁材料）的进步和拓扑结构的优化为前提，继续强调更新材料、优化拓扑结构、简化制造工艺是磁力齿轮未来的发展趋势之一。这一点仍可借鉴电机技术的发展，例如采用复合铁磁材料制造电机铁心可以在一定程度上减小电机铁耗，提升效率；采用铁心拼装结构，可以大幅简化制造过程。

6 结论

作为一种传动机构，磁力齿轮打破了人们对传统齿轮传动的认识，使人们体会到了无接触传动带来的巨大变化。磁力齿轮与电机的结合带来了一种全新的驱动理念，大幅提升了驱动系统的整体性能。因此，磁力齿轮的研究具有重要的理论意义和较高的实用价值。

随着电磁材料性能的提升、理论分析与计算手段的丰富以及制造工艺水平的进步，制约磁力齿轮发展的瓶颈不断被打破，磁力齿轮的各方面性能不断提高，其工业化、产业化应用指日可待。

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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

付兴贺 男，1978年生，博士，讲师，研究方向为特种电机及其驱动控制、特种电磁机构等。

E-mail: fuxinghe@seu.edu.cn（通信作者）

王 标 男，1989年生，在读硕士研究生，主要研究方向为特种电机和特种电磁机构等。

E-mail: ewangbiao900823@163.com

2014-08-10 改稿日期2015-01-22

中国博士后基金（2014M550260）、国家自然科学基金青年基金（51307022）和江苏省自然科学基金青年基金（SBK201342309）资助项目。