磁力齿轮传动的发展概况与前景展望

于涛

摘 要：磁力齿轮自被发明以来就倍受人们关注，因其具备诸多优点故应用非常广泛前。本文介绍了磁力齿轮的发展、应用情况，并对其发展与应用的前景进行了展望。

关键词：磁力齿轮；磁力传动；发展概况；前景展望

与传统齿轮传动相比，磁力齿轮传动具备磁力传动的一些优点，如隔绝振动、摩擦力小、具有过载保护功能等。同时，在改变本身的转速及转向时，磁力齿轮传动不需要传统齿轮系统中的机械变速设备，因此在一定程度上缩减了设备的尺寸及重量。然而传统磁力齿轮的传递扭矩较机械齿轮明显不足，这严重制约了磁力齿轮的应用范围。随着磁力传动技术的发展，磁力齿轮结构的不断更新，磁力齿轮的传递扭矩得到了大幅提高，应用也将越来越广泛。

一、磁力齿轮发展概况

磁力齿轮最初由H. T. Faus在1940年的一篇专利中提出，该专利描述的磁力齿轮，是将不同数量的永磁体粘装在两个直径不同的圆盘上构成的，结构类似于机械直齿轮。同时该专利也对磁力涡轮蜗杆进行了描述，其结构形式也类似于机械涡轮蜗杆结构。但在当时，永磁体只停留在铁氧体磁铁阶段，其磁性较低，只有现代钕铁硼永磁体磁性的1 /10。不仅如此，此时的磁力齿轮在传动过程中只有一对磁极起到传递扭矩的作用，扭矩传递能力较差，单位体积的扭矩密度较低，这两个缺点严重限制了磁力齿轮的发展。

随着磁场有限元技术的发展，磁力齿轮的研究也随之得到发展，利用计算机进行磁场有限元分析的结果与实验室测试结果几乎相同，这大大加快了磁力齿轮的研发周期。在国内，传统磁力齿轮的研究也得到了一定的发展，合肥工业大学的赵韩等人在磁力齿轮的设计开发、二维计算、三维计算以及有限元模拟方面都有了长足的发展，但是在磁力齿轮的工程应用方面却没有得到突破性的进展。

虽然随着永磁体性能的发展，传统磁力齿轮的传动性能也越来越好，但是磁力齿轮的传统结构使得其在工作过程中只有相近的几对磁极对扭矩的传递起到作用，永磁体的使用率非常低，而磁极之间的磁力与机械传动中的应力相比则小。传统磁力齿轮能够传递的扭矩很低，很难在工程实际中得到应用。

二、高性能磁力齿轮研究发展概况

2001年，英国人 A To llah和D.Hxve首次提出了高性能磁力齿轮的拓扑结构，它采用同轴式结构，内转子和外转子上分别布置有一定数量的永磁体，永磁体磁极对的数量分别P和pz，在内转子和外转子之间放置调磁极片。其工作原理为：利用调磁极片，将其中一个转子磁密谐波的磁极对数量调制成具有磁极对数量为的磁密谐波，该磁密谐波的转速和转向均发生了改变，因此，只要将另一个转子的磁极对数量设计成pz，便可以与该磁密谐波进行等磁极藕合，可以得到与该磁密谐波转速相等的转动速度，从而可以达到改变转速的目的。

线性高性能磁力齿轮可以应用于线性电机、机床导轨等一些存在线性运动的场合，而轴向磁化高性能磁力齿轮可以应用于一些需要绝对密封的场合，如化学、食品、航空、航海等领域。它们的研制丰富了高性能磁力齿轮的运行形式以及应用范围。

在国内，高性能磁力齿轮的应用也得到了一定的发展。香港大学的邹国棠和上海大学的江建中等人对高性能磁力齿轮进行了分析研究，将磁力齿轮应用于永磁无刷电机中，联合开发出了磁力齿轮永磁直流无刷电机，该电机的特点是将磁力齿轮的内转子作为永磁无刷电机的外磁转子，从而不仅可以减少永磁体的用量，还达到了节约空间，减小质量的目的，分别可以应用于电动车和风力发电机。该电机应用于电动车中时，可以直接安装在电动车的轮胎内，故成为内轮电机。普通的内轮电机是用行星齿轮进行减速的，减速机构的体积庞大且很容易产生噪音和磨损。而使用磁力齿轮进行减速不仅可以减小结构的重量和体积，还可以减少摩擦磨损。如果应用于风力发电机中，则是利用了磁力齿轮可以增速的效果，风力发电机的风涡流转速很慢，要使它的转速达到发电的需求，需要进行加速。如果使用磁力齿轮作为增速装置，同样可以减小结构的体积和重量，并减少摩擦磨损，而通过磁力齿轮进行增速后的发电机所发的电源，通过一个普通的转换结构便可以使电源频率和电流波形基本上可以达到民用电的需求。

三、其他形式的磁力齿轮

英国科学家J.Rens等研发出了磁力谐波齿轮。他们在对磁力齿轮的研究过程中，使用永磁体来取代了传统齿轮中的齿牙，这能够使得齿轮的传动比大大增加。永磁体的使用使得谐波齿轮的扭矩性能和高性能磁力齿轮相匹敌。

台湾成功大学的程驰煌教授、英国格拉斯大学的 D.G.Dorrell教授等人一起对磁力行星齿轮展开了分析及研究。在研究过程中他们把行星齿轮的齿牙替换成永磁体，这样替换后任何一个齿轮上都最少拥有两对永磁体进行扭矩传递。因此，和传统的齿轮相比，该齿轮对磁力的利用率更高，具有更强的传动能力。

四、磁力齿轮工程应用与展望

传统的磁力齿轮由于传递扭矩能力较差，因此在实际工程中应用较少。但随着磁力传动技术的发展，磁力齿轮结构形式的不断更新，磁力齿轮的性能得到了大幅提升，应用领域也变得广泛。同时，磁力齿轮传动技术兼具磁力传动技术的诸多优点，越来越多的机械齿轮应用场合也被磁力齿轮所替代。

利用磁力齿轮传动能够隔离输入轴与输出轴的优点，技术人员把磁力齿轮安装在磁力泵中，不但使得磁力泵在不安装变速设备的情况下还能够有效调整输入轴的转动速度，实现磁力泵在不同速度下运转，而且磁力齿轮为完全分离结构，可以将不同空间完全分离开，达到绝对密封的效果。该技术的突破使得磁力泵广泛应用于各种要求绝对密封的场合。

鉴于磁力传动能够有效隔离振动的特征，技术人员将磁力齿轮应用到了振动比较强烈的工作场所，如矿山开采、机械加工等。该应用有效地隔离输入端、输出端结构，避免了输入端振动传递到输出端的工作机上，保护了系统中的其他设备。

另外，根据磁力齿轮能够降低摩擦力、实现自动过载保护等特征，也进一步促进了磁力齿轮在现代实际生产中的应用。并且随着新技术、新工艺以及新材料的不断出现，磁力齿轮的各项性能也在不断提升，这使得磁力齿轮拥有了更加广泛的应用前景。

五、结束语

随着磁力传动技术的不断发展及磁力齿轮结构形式的不断更新，磁力齿轮传动技术得到了大幅提升，加之其具备磁力传动技术的诸多优点，使其实际应用也更加广泛，这大大激发了人们对磁力齿轮的研发热情。我们可以预测，磁力齿轮传动技术未来在动密封、隔振、过载保护等诸多领域必将拥有更加廣泛的应用和发展前景。

参考文献：

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