磁力轮传动的发展概况与展望

2015年03月18日

李直腾, 杨超君, 郑武, 蒋生发
(江苏大学 机械工程学院, 镇江 212013)

磁力齿轮的出现丰富了磁力传动的形式,具有良好的应用前景。该文对传统的磁力轮,高性能同轴式磁力轮,其他形式的磁力轮的研究发展概况分别进行了阐述,其中,重点介绍了高性能同轴式磁力轮的发展及其应用研究,并提出了磁力轮的四种运行形式。最后,对磁力轮在工程上的应用前景进行展望。

磁力轮传动是磁力传动的一种形式,不仅具有磁力传动的一些优点,如隔离、隔振、减少摩擦、自动过载保护等功能,还可以像机械齿轮传动一样,改变转速和转向,可以省去机械变速装置,减少结构稳定性。传统磁力轮因传递扭矩能力较差,在工程上未得到广泛应用,而高性能磁力轮的出现,有效解决了上术问题,具有良好的应用前景。

2001英国人 K.Atallah和 D.Howe共同研制出一种高性能同轴式磁力齿轮跟传统磁力轮相比,它的内转子和外转子中的每一个磁极都对扭矩的传递起到作用所以扭矩的传递能力与传统磁力轮相比大大提高可以预见同轴式磁力将会在工程中得到更为广泛的应用。

1传统磁力轮研究发展概况

磁力轮的最初设想要 追溯到 1940 H.T.Faus的一篇专利中描述了一种磁力齿轮 (1), 这篇专利中的磁力轮将不同数量的永磁体粘装在两个直径不同的圆盘上其拓扑结构类似于机械直齿轮。在这篇专利中也对磁力蜗轮蜗杆进行了描述其拓扑结构也类似于机械蜗轮蜗杆。然而在 1941永磁体只停留在铁氧体磁铁阶段其磁性只有现代钕铁硼永磁体磁性的 1/10 , 而且在该磁力轮的传动过程中只有一对磁极起到传递扭矩的作用所以这种磁力轮的扭矩传递能力非常的差单位体积的扭矩密度很低。以上两个缺点限制了磁力齿轮的发展在 1980年钕铁硼永磁体出现以前磁力轮相关的出版物只有不到 50篇。

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   图1最初的磁力轮结构            图磁力内齿轮结构

高磁性的钕铁硼永磁体出现以后磁力轮的开发与研究才开始有了长足的发展。 S.KikuchiK.Tsurumoto于 1987, 1993年和 1994年分别提出了磁力内齿轮(图 2)、磁力蜗轮蜗杆(图 3)和磁力斜齿轮传动(图 4)

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      图3磁力蜗轮蜗杆                图4磁力斜齿轮传动

    其中磁力蜗轮蜗杆使用了钐钴合金 SmCo 5 作为磁性材料传动比为 33 .1 , 最大输出扭矩为 11.5Nm , 根据其设计尺寸可以估算出其有效体积的扭矩密度为 2.3 kN /m,这个数值是非常低的。对于磁力斜齿轮只是在磁力蜗轮蜗杆的基础上稍微进行修改其 扭矩传递能力只有 磁力蜗轮蜗杆的1/5

关于传统磁力轮的性能研究磁力轮的磁场、扭矩等方面的研究已经比较成熟随着磁场有限元技术的发展磁力轮的研究也随之得到发展。在文献中利用有限元模拟的方法对磁力轮进行研究得到的结果与实验结果基本吻合磁场有限元方法在磁力轮中的应用也获得了很好的可信度。

在国内传统磁力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轮的设计开发、二维计算、三维计算以及有限元模拟计算方面都有了长足的发展,但是在磁力轮的工程应用方面却没有得到突破性的进展。

虽然随着永磁体磁性能的发展传统磁力轮的传动性能也越来越好但是由图 1至图 4可以看到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的低而磁极之间的磁力与机械传动中的应力相比则小得多所以传统磁力轮能够传递的扭矩非常的低很难在工程实际中得到应用。

2、高性能磁力齿轮研究发展概况

2001英国人 K?Atallah和 D?H owe首次提出了高性能磁力轮的拓扑结构 ,如图 5所示。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是 p 1 p 2 , 在内转子和外转子之间放置有数量为 n s = p 1 + p 2的调磁极片。其工作原理为利用调磁极片将其中一个转子 (如内转子 )磁密谐波的磁极对数量 p 1 ,调制成具有磁极对数量为 p 2 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 (如外转子 )的磁极对数量设计成 p 2 , 便可以与该磁密谐波进行等磁极耦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。

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 图高性能磁力轮拓扑结构            图磁力轮的样机结构   

为了测试该磁力齿的性能2003,P.O.Rasmussen等人首先对该磁力轮进行实验研

究。他们的磁力轮样机与 K.Atallah的样机有所区别将内转子的永磁体粘装式结构改成了轮辐式结构 (图 6), 目的是防止粘装式永磁体在内转子的高速转动下由于离心力而脱落。该磁力轮样机的试验结果非常令人满意在忽略轴承摩擦等影响因素的情况下其最大输出扭矩为 16 Nm, 在转速为 1500 r/m in下的效率高达 96% , 有效部分的扭矩密度可达 54 kN /m ,而总装备体的扭矩密度仍然可以达到 8.8 k N /m ,如果应用于工程中其结构和尺

寸将会比实验样机精简的多所以总装备体的传动扭矩仍然可以有所增大。该扭矩密度甚至可以媲美机械齿轮箱。

这种形式的磁力轮还有其他的实现形式。K.A tallah和 D.Howe分布于 2005年和 2006年提出了线性高性能磁力轮(图 7)和轴向磁化高性能磁力轮(图 8)。 

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  图线性高性能磁力轮           图轴向磁化高性能磁力轮

 

   线性高性能磁力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轮的运行形式以及应用范围。鉴于该磁力轮的极佳性能很多人便将其应用于工程中, 2007, K.Atallah和 J.J.Rens开发出了两种与磁力轮结合的复合电,

它们利用磁力齿轮结构可以将电机中的一根轴的转速降低,从而即可以得到高转速的输出轴也可以得到低转速的输出装置。图 9和图 10分别是这两种复合电机的结构图。在图 9在线圈中通入三相交流电,可以产生磁极对数为 2的旋转磁场该磁场与内转子永磁体耦合可以驱动内转子的旋转而内转子的旋转通过调磁极片与机架上的永磁体产生相互作用,而由于机架上的永磁体静止调磁极片便可以带动外转子旋转而该电机拥有两个输出轴内转子上的输出轴为高速转子外转子上的输出轴为低速转子。图 10中的复合电机与图 9中的复合电机的运行原理一样区别在于它拥有一个输出轴和一个外转式的输出装置可以应用于直接驱动的场合。

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   图9磁齿轮复合电机(轴转式)                图10磁齿轮复合电机(外转式)

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 (图 11)和风力发电机 (图 12)。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。

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11 磁力齿轮永磁内轮电机(应用于电动车)  图12磁力齿轮外转式永磁无刷电机

     2008浙江大学的 L.L.Wang和 J.X.Shen等人同样也将磁力齿轮应用于电机中开发出一种磁力齿轮外转式永磁无刷电机。参见图 13 ,与邹国棠和江建中等人开发的电机的不同之处在于他们使用交流电作为电源结构的体积更小永磁体的使用数量更少。它利用三相交流电的绕组能够产生旋转磁场的特点将磁力齿轮的内转子替换成交流电机的线圈绕组从而可以得到很低的转速其转速甚至可以低至 136 r/m i m。在一些需要低转速的场

合使用可以减少甚至去除减速装置。

对于图 5中的高性能磁力齿轮存在三个构件:磁极数量为 p 1 的外部永磁结构、由数量为 n s 的调磁极片组成的中部调磁结构、磁极数量为 p 2 的内部永磁结构。这三个构件中可以任意选取其中一个为定子其他两个为转子或者三者均作为转子从而可以得到高性能磁力齿轮不同的运行形式:形式 1 : 内部永磁结构保持静止中部调磁结构和外部永磁结构作为两个转子 (如图 14( a) ), 其传动比为 n s : p 2 , 它可以用于外转式直接驱动结构,具有良好的直接驱动能力。

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13磁力齿轮外转式永磁无刷发电机    图14磁力齿轮运行的四种形式

    形式 2 : 中部调磁结构保持静止外部永磁结构和内部永磁结构作为两个转子(如图 14( b) ), 其传动比为- p 2 : p 1 (负号表示方向相反 ); 它可以用于外转式直接驱动结构也可以用于输入输出轴结构并且可以达到改变转向的目的。由于中部调磁结构作为定子对结构强度和刚度的要求不高所以目前大多数实验样机与应用研究均采用这种结构形式进行传动如图 、图10 、图 11 、图 12 、图 13 

    形式 3 : 外部永磁结构保持静止内部永磁结构和中部调磁结构作为两个转子 (如图 14( c) ), 其传动比为 p 1 : n s , 它可以用于输入输出轴结构。可以改变另外两个转子的传动比三个转子之间角速度的关系为: p 1 ? 1 = n s - ? s - p 2 ? 2 。可见高性能同轴式磁力齿轮不仅能够传递较大的扭矩而且可以存在多个运行形式大大扩展了磁力齿轮的应用范围。

3、其他形式的磁力齿轮

   除了传统磁力齿轮和高性能磁力齿轮以为其他的磁力齿轮的开发与研究也有了一定的进展。2007英国谢菲尔德大学的 J?Rens等人开发出磁力谐波齿轮并进行了相关研究磁力谐波齿轮与机械谐波齿轮类似将机械谐波齿轮中的齿牙替换成了永磁体 (如图 15)。磁力谐波齿轮可以和机械谐波齿轮一样实现很大的传动比 (大于 20:1), 而由图 15也可以看出永磁体的利用率也非常的高所以该磁力谐波齿轮同样也可以实现很高的传动扭矩其有效体积的扭矩密度可以达到 110 k N /m3 , 可以与高性能磁力齿轮相媲美。

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15磁力谐波齿轮结构图              图16磁力行星齿轮结构图

     2008台湾成功大学的 Cheng -Chi Huang,英国格拉斯哥大学的 D.G. Dorrell以及台湾虎尾科技大学的 Bor -Jeng L in等人联合对磁力行星齿轮进行了理论分析与实验研究 。磁力齿轮的传动原理虽然也与传统磁力齿轮的传动原理类似将行星齿轮的齿牙替换成永磁体 (如图 16), 由于磁力行星行星齿轮的每一个轮上至少有两对永磁体对扭矩的传递起到作用所以相对与传统的磁力齿轮永磁体的利用率更高传动性能则有所增强。

4、 磁力齿轮工程应用展望

传统磁力齿轮的扭矩传递能力相对较差在工程上应用不多但高性能同轴式磁力齿轮则可以得到跟机械齿轮箱媲美的扭矩传递能力再加上磁力传动特有的各种优点所以磁力齿轮在工程上的应用前景非常良好。利用磁力传动可以实现输入输出隔离的特点,将磁力齿轮用在磁力泵中可以不使用变速装置而直接改变输入轴的转速从而可以得到各种高速泵

或者低速泵在各种需要绝对密封的场合中 (如化工、医药、航天等领域 )得到应用可以达到无泄漏的目的。利用磁力传动可以实现隔振的特点在一些大振动的场合如矿山、机械加工等领域中应用磁力齿轮传动作为其变速装置可以大大减小输入轴的振动从而达到保护电机的的目的。

    另外磁力传动还可以减小摩擦并可以实现自动过载保护从而提高了结构的稳定性这些优点让磁力齿轮在各个领域中均可以得到应用。再加上新型高性能磁性材料的不断涌现永磁体的磁性能日益增强磁力齿轮的传动性能也会随之增强,所以高性能同轴式磁力齿轮的发展前景将是非常美好的。

5、结语

   作为磁力传动的一种形式磁力齿轮传动通过几十年的发展由传统的磁力齿轮发展成今天各种类型的磁力齿轮其机械性能也在不断的提高而高性能同轴式磁力齿轮的机械性能甚至可以和机械齿轮箱媲美而且本文还提出了它的四种可以实现的运行形式所以磁力齿轮传动的未来将是十分光明的。

 

 

 

来源:北京磁运达科技有限公司