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磁性齿轮的发展现状综述

摘要：作为一种新型传动方式，磁性齿轮的出现引起了广泛关注。本文首先对磁性齿轮的工作原理进行了简要介绍。磁性齿轮有与机械齿轮类似的传统结构和具有新型结构的磁场调制型磁性齿轮两种。文章分别对两种结构的研究进展进行了介绍，了解这些年来磁性齿轮的发展状况。
关键字：磁性齿轮；传统结构；磁场调制型磁性齿轮；发展现状

1 引言
当前在传统传动领域中，应用最广泛的传动机构依然是机械齿轮。但长期以来其传动基本形式没有变化，即始终是依靠两轮轮齿的啮合进行传动。这给机械齿轮传动带来了一些不可消除的缺点：震动、噪音、损耗、周期性的润滑等，这些缺点往往限制了传动系统性能的进一步提高。在这样的环境下，磁性齿轮作为一种可以替代机械齿轮的新型传动机构吸引了研究人员的注意力[1]。
磁性齿轮利用磁力传动，是没有机械接触的齿轮啮合结构。正是由于齿轮间的啮合无接触、无摩擦能耗、传动平稳等特点，才体现出了磁齿轮效率高、可靠性高及使用寿命长的优点。其次它无需润滑、清洁、无油污、防尘防水等。还具有过载保护作用，过载时不会损坏减速器，而且在过载时可随时切断传动关系，不仅减速器自身不会损坏，还能保护原动机[2]。
2 磁性齿轮的工作原理
如图2-1为两圆柱体磁环，上面分布磁极，称该对磁环为磁性齿轮。设齿轮1为主动轮，齿轮2为从动轮，齿轮环状柱体表面交替分布着数对N、S磁极，同传统齿轮一样，两轮在圆周上的线速度须保持一致，即分布在两磁性齿轮表面的单个磁极宽度一致，且两相对磁极为异号。

图2-1 磁性齿轮传动示意图

图2-2 磁性齿轮工作原理示意图
磁性齿轮通过轮缘磁极间产生的磁场相互耦合，产生磁作用力来传递运动。当两轮静止时，在磁场力作用下，同极相斥，异极相吸，在两轮连心线上始终保持N、S相互耦合。如图2-2(a)所示，当传动静止时，磁力分布在两轮连心线上，大小相等，方向相反，磁极间传动扭矩为零；当主动轮发生旋转，设转角为θ1，此时假设从动轮未发生旋转，则力平衡被破坏，从动轮受到一个向上的磁极分力 Fst作用，如图2-2(b)所示，该分力对从动轮形成驱动扭矩，使从动轮转动；当齿轮旋转到图2-2(c)所示位置时，即旋转角为θ1'时，此时从动轮受到主动轮S极和N极合力FM的作用，此时的从动轮所受的合力最大，产生的驱动扭矩也最大；如果当从动轮发生旋转到图2-2(d)的位置时，此时的两磁性齿轮处于非稳定的力平衡状态下，从动轮将发生非定向的旋转，这主要取决于主动轮的旋转方向，或按照一定的旋转惯性发生旋转。在一对耦合磁极分离之前，相邻一对磁极会跟进进入耦合，从而保证传动的连续进行。
3 传统结构磁性齿轮的研究状况
传统结构的磁性齿轮的研究虽然有很多创新点，但基本的思想和结构局限于传统机械齿轮的思想和结构中，拓扑结构多为仿照机械齿轮的结构。
1987年，日本学者S.Kikuchi和K.Tsurumoto设计了一台磁性齿轮，它的永磁体是采用高性能稀土永磁材料NdFeB 制造的，该实验样机为渐开线式，传动比为33：1，最大转矩为55.3Nm，其结构如图3-1所示[3]。

图3-1 渐开线式永磁齿轮

图3-2 外啮合式磁性齿轮
1991年，日本学者Ikuta仿照传统机械齿轮的样式，设计了一种外啮合式磁性齿轮结构，其结构简图如图3-2所示[4]。学者们根据他做的工作发现，虽这种齿轮具有传递转矩小，不能应用于大转矩场合的缺点，但由于无接触磁性齿轮具有向非导磁材料组成的封闭空间传递动力的特性，可以广泛应用于医疗器械和微型传动等领域。到目前，相关的研究也越来越多，期刊上针对永磁齿轮的研究的文章很多，只不过都是针对某种特殊结构的永磁齿轮的研究[5]。
之后人们仿照传统机械齿轮结构，设计并制作了一系列磁性齿轮。如图3-3(a)所示为磁性齿轮齿条传动；图3-3(b)为空间交错轴式传动[6]。

(a)齿轮齿条结构 (b)空间交错轴式结构
图3-3 齿轮齿条结构和空间交错轴式结构
关于永磁传动的研究我国起步较晚，而对于永磁齿轮的研究就更少了。1999年，合肥工业大学汽车与工程学院的赵韩教授领导的小组开始了对稀土永磁齿轮的研究，并针对永磁齿轮传动机构的磁场以及转矩计算做了很多工作[7][8]。21世纪初，中国科学院电工所和中国医学科学院两家科研机构共同提出了“体外永磁传动可植入式动力瓣人工心脏”课题的研究[9]，目标是将永磁齿轮成功作为人工心脏的驱动装置。随着国内对磁性齿轮的逐渐重视，该项研究也得到了许多进展。孔繁余等[10]采用ANSYS软件的电磁场分析模块对外啮合永磁齿轮的的磁场强度分布进行了模拟，并通过实验验证了径向式磁齿轮所能够传递的最大转矩与气隙大小的关系。魏衍侠[11]也通过有限元分析软件分析了磁极数量、气隙长度、相对角度等参数对径向式永磁齿轮传动能力的影响规律。宁文飞[12]详细阐述了少齿差式磁性齿轮的传动原理，曹坚则[13]给出了该机构在设计中需要注意的问题。许立忠[14]提出的一种新型复合传动方式，即机电集成行星蜗杆传动磁齿轮，该机构集磁齿轮啮合技术、电机传动技术和控制技术于一体。
相比之下，国外对于传统磁性齿轮的研究较多也较早。Tsurumoto K[15]设计了一种轴向式磁性齿轮，并对该结构进行了进一步的优化研究。Yao Y.D.[16]设计了一台正交轴式磁性齿轮实验样机，该机构能提供的最大转矩为0.54N·m，转矩密度为4.6kN·m/m3。另外，Yao Y.D.[17]通过二维和三维有限元仿真得到了径向式磁性齿轮的转矩，获得的三维仿真结果与实验结果较为接近，且得出转矩对磁极片数、磁极材料和中心距较为敏感的结论，并对径向式磁性齿轮拓扑结构进行了优化设计。Furlani E P[18]通过解析法计算了径向式磁性齿轮的转矩。Nagrial, M.H.[19]制作了径向式磁性齿轮的样机，并通过实验得到了气隙厚度越大，传递转矩越小的结论。Langeliers M[20]对齿轮齿条式磁性齿轮的转矩特性进行了研究，并将其应用到海洋能量的提取过程中。Jørgensen F T[21]给出了少齿差式磁性齿轮的转矩计算解析表达式，计算表明，与传统的径向式磁性齿轮相比，少齿差式磁性齿轮在传动比和转矩密度上均有所提高，理论计算其转矩密度最高可以达到150kN·m/m3左右。Jan Rens[22]等给出谐波式磁性齿轮的拓扑结构和工作原理，分析了该机构磁通密度波形分布，绘制了不同设计参数下机构的转矩密度变化曲线，最后通过实验对最大传递转矩进行了验证。
4 新型结构磁性齿轮的研究状况
4.1 磁场调制型磁性齿轮的结构与工作原理
2004年，D.Howe等[23]提出了一种新型的基于磁场调制原理的磁性齿轮。这种结构彻底跳出了机械齿轮的拓扑结构，充分利用到每一块永磁体，极大地提高了最大转矩以及转矩密度，该结构如图4-1所示。

图4-1 磁场调制型磁性齿轮结构图
当磁极对数为p1的内转子以速度n1旋转时，永磁体磁场经过由Ns个铁磁体和Ns个环氧体间隔排列的调磁环进行调制后，在外气隙位置处产生了一个新磁场，为使传动系统能够平稳地传递转矩，新磁场必须与磁极对数为p2的外转子实现等磁极耦合。为使内外气隙位置处产生同步转矩，内外转子磁极对数和调磁极片数需要满足以下关系[24]：

根据磁场调制型磁齿轮转动部件的不同，可把该机构的运转分为两种工况：调磁环固定，内转子和外转子转动；外转子固定，调磁环和内转子转动。内转子固定条件下，机构的传动比接近于1，等同于联轴器，这里不详细考虑。
若调磁环保持不动，且内外转子为转动件，则传动系统传动比i的表达式为：

若外转子不动，且内转子和调磁环为转动件，则传动系统传动比i的表达式为：

4.2 磁场调制型磁性齿轮研究进展
自D.Howe教授提出磁场调制后，众多学者把注意力集中到这种新型磁性齿轮上，并对其进行了一系列详细的分析和研究，在磁场调制的思想上做出了很多创新和研究。
为改善永磁体充磁方式，L Jian[25]把原来的径向充磁方式改为Halbach充磁，有限元和实验结果都表明，Halbach充磁方式能够获得更大的输出转矩，转矩波动幅值较小，且端部磁漏得到明显减小，随后又给出了Halbach充磁方式的磁场调制型磁性齿轮的转矩解析表达式。Rasmussen P O[26]在原有径向式磁路结构的基础上把内转子的磁路结构改为切向式，此机构的最大传递效率可以达到96%。Li X[27]把外转子的径向充磁改为切向充磁，并把磁铁嵌入背铁之中，使得改进后磁路的聚磁能力得到增强，该机构的转矩传递能力得到了提高。Percebon[28]同时考虑设计参数对转矩传递能力和偏心鲁棒性的影响，利用电磁学有限元分析软件Ansoft Maxwell对结构进行了优化设计，优化后的磁齿轮的转矩密度达到147 kN·m/m3，且对静偏心的抗干扰能力较强。为了满足航天应用的需求，Holehouse R C[29]设计并制作了一台传动比为3.25的样机，并指出通过增大调磁极片直径和减小高速转子轴向长度的方式可增加单位体积的力输出能力。Montague R.G.[30]等人把磁场调制型磁性齿轮与伺服控制相结合，对磁性齿轮的转矩非线性、阻尼非线性、过载保护与失步以及稳定性问题进行了详细研究，并通过实验结果对理论分析进行了验证。
国内对于新提出的磁场调制型磁性齿轮也有许多研究。刘新华[31]通过对转子的动态转矩进行傅里叶分析，验证了设计参数变化对齿槽定位转矩的影响规律，从而完成了传动比为7:1的三种不同结构方案的参数优选。曹海东等[32]采用时步有限元计算方法对轴向盘式结构进行了二维瞬态和三维静态分析，仿真结果表明轴向盘式磁性齿轮涡轮损耗远大于铁损，是该机构损耗的主要来源。李建强等[33]通过集中参数热路模型对轴向盘式磁性齿轮进行了温度场仿真计算，给出了温度变化和机构转矩传递能力变化的定量关系，并通过温升实验验证了仿真结果的正确性。李勇[34]提出了轴向式磁性齿轮，该机构通过轴向磁路来完成磁场调制效果，传动比可变，并能够实现低速大扭矩的输出，因此也被称为大力矩永磁磁力耦合器。此后，李勇[35]基于能量法推导了大力矩永磁磁力耦合器的静态转矩表达式，并对不同磁极对数内外转子的转矩特点进行了分析。贵州大学陈海虹[36]运用Matlab的Simulink仿真模块建立了永磁齿轮传动系统的动态数学模型，同时在系统中增加控制器，通过反馈控制环节进一步推动了磁性齿轮在实际中的应用。许立忠[37]利用解析方法对永磁行星齿轮传动系统的自由振动和强迫振动进行了动力学建模，得到了系统参数对低阶和高阶模态特性的不同影响规律，并按照不同激励方法对永磁行星齿轮的强迫振动时域和频域响应进行了详细的分析。
5 结论
与传统结构的永磁齿轮相比，磁场调制型磁齿轮的永磁体在任一位置都能够参与转矩的传递，使该磁齿轮具有永磁体利用率高、传递电磁转矩大、机构转矩密度高等优点，在电动汽车、医疗器械、航空航天、化工机械、复合电机等领域具有广阔的应用前景。虽然在发展的过程中还有存在着许多的问题，但我们相信磁性齿轮传动必将有着更加广阔的发展前景。
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