新概念磁性齒輪傳動技術(shù)

1、新概念的磁性齒輪傳動技術(shù)新概念的磁性齒輪傳動技術(shù)盧盧 敏敏 一、現(xiàn)有技術(shù)的齒輪變速機構(gòu)一、現(xiàn)有技術(shù)的齒輪變速機構(gòu) 自動變速器的組成包括行星齒輪機構(gòu)和換擋執(zhí)行機構(gòu)兩部分，行星齒輪機構(gòu)的作用是提供幾個不同的傳動比供選擇，而換擋執(zhí)行機構(gòu)的作用是實現(xiàn)檔位的變換。 二、新型磁性齒輪傳動概念二、新型磁性齒輪傳動概念 1991年日本年日本學者學者Koji Ikuta提出了提出了最早期的新型磁性齒輪傳動技術(shù)最早期的新型磁性齒輪傳動技術(shù)，如圖所示，開創(chuàng)了利用稀土永磁材料于機械傳動領(lǐng)域的研究方向，該結(jié)構(gòu)如圖所示，開創(chuàng)了利用稀土永磁材料于機械傳動領(lǐng)域的研究方向，該結(jié)構(gòu)的磁性傳動直接采用常規(guī)齒輪的外嚙合結(jié)構(gòu)，利用的磁

2、性傳動直接采用常規(guī)齒輪的外嚙合結(jié)構(gòu)，利用N/S極異極性相吸引的極異極性相吸引的原理實現(xiàn)無接觸、無摩擦的傳動。但該外嚙合結(jié)構(gòu)的齒輪存在磁極耦合面原理實現(xiàn)無接觸、無摩擦的傳動。但該外嚙合結(jié)構(gòu)的齒輪存在磁極耦合面積小、藕荷的磁極數(shù)少而且氣隙曲率變差太大等致命缺點，無法實現(xiàn)工程積小、藕荷的磁極數(shù)少而且氣隙曲率變差太大等致命缺點，無法實現(xiàn)工程上所需要的大力矩傳遞。因此，該結(jié)構(gòu)齒輪只能在一些弱信號領(lǐng)域應(yīng)用。上所需要的大力矩傳遞。因此，該結(jié)構(gòu)齒輪只能在一些弱信號領(lǐng)域應(yīng)用。缺陷缺陷1:外嚙合結(jié)構(gòu)使磁極外嚙合結(jié)構(gòu)使磁極耦合極對數(shù)耦合極對數(shù)=1，磁藕，磁藕合面積最小合面積最小缺陷缺陷2:外嚙合結(jié)構(gòu)使磁輪副氣隙外嚙

3、合結(jié)構(gòu)使磁輪副氣隙曲率變差太大，磁通量小曲率變差太大，磁通量小二、新型磁性齒輪傳動概念二、新型磁性齒輪傳動概念 2004年年英國和丹麥的學者英國和丹麥的學者K.Atallah、D.Howe 和和S.D.Calverley提出提出了磁場調(diào)制理論，并了磁場調(diào)制理論，并在在2006年年基于磁場調(diào)制技術(shù)具體完成了一種新型徑向基于磁場調(diào)制技術(shù)具體完成了一種新型徑向磁場磁性齒輪樣機的設(shè)計工作，克服了以往永磁齒輪傳動扭矩較小的缺點磁場磁性齒輪樣機的設(shè)計工作，克服了以往永磁齒輪傳動扭矩較小的缺點，傳動比為傳動比為10.5的樣機傳遞的扭矩達到了的樣機傳遞的扭矩達到了120N.m，這給永磁材料在機械傳動這給永磁材

4、料在機械傳動領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了一個重要的研究方向和未來的應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了一個重要的研究方向和未來的應(yīng)用領(lǐng)域。缺陷缺陷3:導磁柵鐵心導磁柵鐵心受扭矩強度大受扭矩強度大缺陷缺陷2:內(nèi)外雙氣隙，內(nèi)外雙氣隙，使耦合磁通量使耦合磁通量減少減少缺陷缺陷1:內(nèi)外磁極耦合度內(nèi)外磁極耦合度%=1/(2+1/p1) 50%新型磁性齒輪傳動新型磁性齒輪傳動+ +永磁復合電機永磁復合電機概念概念 2008年國內(nèi)的上海大學年國內(nèi)的上海大學的杜世勤、江建中等老師首次把基于磁場調(diào)制技的杜世勤、江建中等老師首次把基于磁場調(diào)制技術(shù)的英國人發(fā)明的徑向磁場結(jié)構(gòu)的磁性齒輪新結(jié)構(gòu)介紹到國內(nèi)，并術(shù)的英國人發(fā)明的徑向磁場結(jié)構(gòu)的磁性齒

5、輪新結(jié)構(gòu)介紹到國內(nèi)，并在承接在承接的 國 家的 國 家 “ 8 6 3 ” 高 科 技 項 目高 科 技 項 目(2007AA05Z233)中中首次首次提出把磁提出把磁性齒輪傳動技術(shù)與永磁電機融為性齒輪傳動技術(shù)與永磁電機融為一體的設(shè)計方案并試制出首臺復一體的設(shè)計方案并試制出首臺復合電機的原形樣機合電機的原形樣機。新型磁性齒輪傳動結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展新型磁性齒輪傳動結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展2011年作者對已知的磁性傳動從結(jié)構(gòu)到技術(shù)原理進行了革命性的改進對已知的磁性傳動從結(jié)構(gòu)到技術(shù)原理進行了革命性的改進：1、突破了徑向磁場結(jié)構(gòu)，突破了徑向磁場結(jié)構(gòu)，首次提出首次提出了橫向和斜向磁場結(jié)構(gòu)了橫向和斜向磁場結(jié)構(gòu)的磁性傳動

6、齒輪副的磁性傳動齒輪副，使基于磁場調(diào)制技術(shù)的磁性傳動齒輪副更適合于傳遞更大的力矩；2 2、突破了磁場調(diào)制技術(shù)理論制約突破了磁場調(diào)制技術(shù)理論制約，借鑒少齒差行星齒輪傳動的技術(shù)原理，在國內(nèi)外首首次提出少極差磁場耦合的原理和結(jié)構(gòu)次提出少極差磁場耦合的原理和結(jié)構(gòu)，不僅可取消導磁柵鐵芯采用單氣隙結(jié)構(gòu)，而且使兩輪的磁極耦合度比基于磁場調(diào)制技術(shù)的磁性齒輪大幅度提高，使得磁性材料在單位體積內(nèi)所傳遞的力矩密度成倍提高；3、突破了主動輪與從動輪雙磁場耦合的理論約束突破了主動輪與從動輪雙磁場耦合的理論約束，借鑒感應(yīng)式異步電機的電磁場理論，在國內(nèi)外首次提出了兩輪間的永久磁場與感應(yīng)電流磁場相互耦合的原理和結(jié)構(gòu)首次提出了

7、兩輪間的永久磁場與感應(yīng)電流磁場相互耦合的原理和結(jié)構(gòu)，首次首次引入異步轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)磁性傳動引入異步轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)磁性傳動，可極大地節(jié)省稀土材料消耗量。兩種基于磁場調(diào)制技術(shù)的新兩種基于磁場調(diào)制技術(shù)的新型型磁性傳動齒輪副磁性傳動齒輪副(a) 橫向磁場的磁性齒輪副 (b)磁性齒輪傳動原理動畫 (c) 斜向磁場的磁性齒輪副圖5 兩種基于磁場調(diào)制技術(shù)的新概念磁性傳動齒輪副Y軸轉(zhuǎn)動一圈，通過導磁柵鐵心的磁場旋轉(zhuǎn)7.5圈等效于傳動比(a) 雙磁場耦合型偏心齒輪副 (b) 單磁場感應(yīng)式偏心齒輪副 (c) 對稱偏心平衡結(jié)構(gòu)的少極差盤形齒輪副圖7兩種基于少極差磁場耦合技術(shù)的異步感應(yīng)式磁性傳動齒輪副兩種兩種少極差少極差磁場

8、耦合技術(shù)的新磁場耦合技術(shù)的新型型磁性傳動齒輪副磁性傳動齒輪副優(yōu)勢優(yōu)勢1：雙磁場結(jié)構(gòu)：雙磁場結(jié)構(gòu)的磁場耦合度的磁場耦合度60%90%，磁極藕，磁極藕荷面積大大提高荷面積大大提高優(yōu)勢優(yōu)勢2：單氣隙結(jié)構(gòu)，：單氣隙結(jié)構(gòu)，氣隙磁通量大大提高氣隙磁通量大大提高優(yōu)勢優(yōu)勢3：首次引入異：首次引入異步感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩，減少步感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩，減少的稀土磁鋼消耗的稀土磁鋼消耗新新概念概念磁性齒輪傳動磁性齒輪傳動技術(shù)的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域技術(shù)的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域在新能源、電動汽車在新能源、電動汽車及其它工業(yè)及其它工業(yè)領(lǐng)域的未來應(yīng)用潛力和空間領(lǐng)域的未來應(yīng)用潛力和空間無回差、無磨損無回差、無磨損的少極差磁性齒的少極差磁性齒輪減速器是替代輪減

9、速器是替代目前靠進口的工目前靠進口的工業(yè)機器人業(yè)機器人RV減速減速機構(gòu)的理想技術(shù)機構(gòu)的理想技術(shù)高效節(jié)能高效節(jié)能：由于消除了普通機械式齒輪傳動副的接觸摩擦, 傳動損耗僅僅包括一些鐵心損耗, 理論上最高傳動效率可達到98%，比機械齒輪傳動普遍提高10%，完全屬于高效節(jié)能型產(chǎn)品特征，大規(guī)模推廣應(yīng)用節(jié)能效果十分顯著節(jié)能效果十分顯著；轉(zhuǎn)矩密度高轉(zhuǎn)矩密度高：橫向磁場結(jié)構(gòu)使單位磁性材料體積傳送的橫向磁場結(jié)構(gòu)使單位磁性材料體積傳送的轉(zhuǎn)矩密度高轉(zhuǎn)矩密度高，為普通電機的10倍：研究表明，稀土永磁無刷電機在自然冷卻、強制風冷、水冷卻的條件下，其傳送的轉(zhuǎn)矩密度可分別達到10kN.m/m3、20kN.m/m3、30kN

10、.m/m3，橫向磁通稀土永磁電機傳送的轉(zhuǎn)矩密度可達4080kN.m/m3，本系列新型稀土磁性傳動齒輪所傳送的轉(zhuǎn)矩密度高于100kN.m/m3；異步感應(yīng)式少極差磁性齒輪具有恒功率變速變矩能力和手段具有恒功率變速變矩能力和手段：改變調(diào)節(jié)主動輪盤和從動輪盤之間的氣隙長度，即可調(diào)節(jié)氣隙磁場大小從而在一定轉(zhuǎn)速范圍實現(xiàn)無級變速的傳動要求可調(diào)節(jié)氣隙磁場大小從而在一定轉(zhuǎn)速范圍實現(xiàn)無級變速的傳動要求，進而可直接取消常規(guī)機械變速系統(tǒng)常見的換檔離合機構(gòu)，這對混合動力汽車、電動汽車以及電動摩托車對混合動力汽車、電動汽車以及電動摩托車的無級變速實現(xiàn)具有實用價值的無級變速實現(xiàn)具有實用價值。可靠性高、壽命長、震動小、噪聲低

11、、無磨損、無回差可靠性高、壽命長、震動小、噪聲低、無磨損、無回差：由于無機械齒輪傳動的機械接觸摩損，無需潤滑，清潔、無油污、防塵防水等；同時，也不存在因齒部嚙合接觸而產(chǎn)生的震動和噪音，對于長期水下航行的潛艦降低本體噪音具有重要意義，同時是取代工業(yè)機器人傳統(tǒng)對于長期水下航行的潛艦降低本體噪音具有重要意義，同時是取代工業(yè)機器人傳統(tǒng)RV伺服減伺服減速機構(gòu)的理想替代技術(shù)速機構(gòu)的理想替代技術(shù)；具有過載保護作用具有過載保護作用：在過載時因主、從動輪滑轉(zhuǎn)而隨時切斷傳動關(guān)系，不會損壞負載或者原動不會損壞負載或者原動機機；同時，轉(zhuǎn)速傳動比恒定，轉(zhuǎn)速的動態(tài)瞬時穩(wěn)定度高，運行平穩(wěn)轉(zhuǎn)速的動態(tài)瞬時穩(wěn)定度高，運行平穩(wěn)；少

12、極差偏心盤形磁性齒輪的傳動比可設(shè)計得更大傳動比可設(shè)計得更大，一級磁性齒輪副的傳動比就可以達到100以上，兩級少極差磁性齒輪副串聯(lián)可以達到1000以上，沒有磁場調(diào)制技術(shù)的磁性齒輪副的磁場調(diào)制導磁柵鐵芯的機械強度制約；結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積小、重量輕結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積小、重量輕，比機械式齒輪副減輕重量可以達到35%以上；工藝簡單工藝簡單：不存在機械齒輪在設(shè)計加工上常常需要變位修正的設(shè)計加工繁瑣，無需昂貴的機械齒輪加工和檢測設(shè)備，一次性設(shè)備投資少，主要為裝配作業(yè)，對零部件的加工精度等級容忍度比較寬松，便于組織大規(guī)模流水線生產(chǎn)。 新新概念概念磁性齒輪傳動磁性齒輪傳動技術(shù)的優(yōu)勢技術(shù)的優(yōu)勢三、關(guān)于稀土磁性

13、材料三、關(guān)于稀土磁性材料三、關(guān)于稀土磁性材料三、關(guān)于稀土磁性材料全球燒結(jié)釹鐵硼磁體產(chǎn)量增長圖（19842008年）全球粘結(jié)釹鐵硼磁體產(chǎn)量增長圖 （19972007年）三、關(guān)于稀土磁性材料三、關(guān)于稀土磁性材料三、關(guān)于稀土磁性材料三、關(guān)于稀土磁性材料3.33.3永磁材料的種類及其特性永磁材料的種類及其特性稀土材料稀土材料: 退磁曲線即回復線，磁性能穩(wěn)定！退磁曲線即回復線，磁性能穩(wěn)定！釹釹-鐵鐵-硼硼鋁鎳鈷鋁鎳鈷鐵氧體鐵氧體1、鋁鎳鈷、鋁鎳鈷2、鐵氧體、鐵氧體3、稀土永磁、稀土永磁永磁材料種類永磁材料種類1. 剩余磁感應(yīng)強度高剩余磁感應(yīng)強度高2. 熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好3. 機械強度好機械強度好1.

14、剩余磁感應(yīng)強度高剩余磁感應(yīng)強度高2. 矯頑磁場強度高矯頑磁場強度高3. 最大磁能積高最大磁能積高4. 價格高價格高5. 機械性能較差機械性能較差1. 剩余磁感應(yīng)強度小剩余磁感應(yīng)強度小2. 矯頑磁場強度大矯頑磁場強度大3. 最大磁能積較小最大磁能積較小4. 機械強度差機械強度差5. 價格低廉價格低廉釤鈷釤鈷3.43.4永磁體磁性能說明永磁體磁性能說明1、保證永磁體溫度穩(wěn)定性進行老化處理，消除磁體不穩(wěn)定的因素在磁體中添加微量元素，直接提高磁體本身的溫度穩(wěn)定性在設(shè)計過程中即嚴格保證電機運行時的熱限制曲線和電氣熱保護，從根本上解決了溫度對退磁的影響2、材料工藝保證時間穩(wěn)定性永磁體充磁飽和后，只在初始的

15、 12小時內(nèi)略有下降，其后即使經(jīng)過 510 年磁性能也基本不變。在常溫下復合永磁體 Pc=1 時，磁通隨時間的變化所發(fā)生的衰減，十年內(nèi)磁通自然衰減不到1%，二十年磁通自然衰減也可保證小于3% 。3、外磁場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在磁路設(shè)計時已經(jīng)考慮到動態(tài)退磁的附加影響結(jié)構(gòu)設(shè)計確保對稱平衡旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，工藝上采取動平衡措施。4、化學穩(wěn)定性永磁體中添加Co 、Ni 、Al 和Cr Cr，同時在燒結(jié)工藝中盡量提高密度、減少氣孔對磁體進行電鍍、化學鍍表面處理（如噴涂、電泳），可使磁體獲得實用的耐腐蝕性能，還加強了電機的機械密封防護，以上措施嚴格杜絕了化學的退磁。結(jié)論： 永磁電機使用的永磁體其使用環(huán)境條件遠比齒輪傳動機構(gòu)

16、復雜許多，在現(xiàn)有電機工藝技術(shù)條永磁電機使用的永磁體其使用環(huán)境條件遠比齒輪傳動機構(gòu)復雜許多，在現(xiàn)有電機工藝技術(shù)條件下均可保證永磁電機設(shè)計壽命為件下均可保證永磁電機設(shè)計壽命為20年。針對熱退磁、化學退磁和時間退磁等進行嚴格防護年。針對熱退磁、化學退磁和時間退磁等進行嚴格防護 ；把影響磁穩(wěn)定性的因素全部考慮在設(shè)計范圍之內(nèi)；把影響磁穩(wěn)定性的因素全部考慮在設(shè)計范圍之內(nèi) ，充分利用當代電機工業(yè)領(lǐng)域的成熟工藝，充分利用當代電機工業(yè)領(lǐng)域的成熟工藝經(jīng)驗，則完全可以保障磁性齒輪傳動機構(gòu)有經(jīng)驗，則完全可以保障磁性齒輪傳動機構(gòu)有20年以上的實際使用壽命年以上的實際使用壽命。三、關(guān)于稀土磁性材料三、關(guān)于稀土磁性材料年份

17、序號專利注冊名稱專利類型專利申請?zhí)柊l(fā)明主要內(nèi)容備 注2010年1新型復合勵磁方式的永磁式無刷單相同步發(fā)電機發(fā)明ZL201010558832.7永磁+電勵磁的混合勵磁方式新型ZL201020624321.6已授權(quán)證書2一種復合勵磁方式的永磁無刷單相同步發(fā)電機新結(jié)構(gòu)新型ZL201020624325.4已授權(quán)證書3一種新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機發(fā)明ZL201010558835.01雙定子+空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2永磁+電勵磁的混合勵磁方式 新型ZL201020624307.6已授權(quán)證書4一種新型結(jié)構(gòu)的復合勵磁無刷單相同步發(fā)電機發(fā)明ZL201010563229.8新型ZL201020629876.X已授權(quán)證

18、書5一種復合勵磁方式的永磁有刷交流同步發(fā)電機發(fā)明ZL201010578049.7混合勵磁方式新型ZL201020647085.X已授權(quán)證書6一種同步發(fā)電機永磁轉(zhuǎn)子的混合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)新型ZL201020647083.0水冷散熱結(jié)構(gòu)已授權(quán)證書2011年1一種新型橫向磁場的磁性傳動齒輪副發(fā)明ZL201110142746.2ZL201110142746.2基于磁場調(diào)制技術(shù)基于磁場調(diào)制技術(shù)的新型結(jié)構(gòu)磁性齒的新型結(jié)構(gòu)磁性齒輪副輪副新型ZL201120177813.XZL201120177813.X已授權(quán)證書2一種新型斜向磁場的磁性傳動斜齒輪副發(fā)明ZL201110170001.7ZL20111017000

19、1.7新型ZL201120210494.8ZL201120210494.82011-12取證3一種雙鼠籠結(jié)構(gòu)的氣隙磁場調(diào)制式永磁電機發(fā)明ZL201110196671.6新概念的直驅(qū)永磁電機新型ZL201120245151.52012-01取證4直驅(qū)式磁性傳動與雙定子結(jié)構(gòu)的復合永磁電機發(fā)明ZL201110263096.7ZL201110263096.7新概念的直驅(qū)永磁電機新型ZL201120327120.4ZL201120327120.42012-03取證5新型徑向磁場的感應(yīng)式異步永磁耦合器新型ZL201120367834.8新型永磁耦合結(jié)構(gòu)6新型斜向磁場的錐形內(nèi)轉(zhuǎn)子異步永磁耦合調(diào)速器新型ZL2

20、01120339108.52012-04取證7新型橫向磁場的少極差磁性傳動偏心盤形齒輪副發(fā)明ZL201110277432.3ZL201110277432.3少極差磁場耦合的少極差磁場耦合的磁性齒輪副磁性齒輪副新型ZL201120350893.4ZL201120350893.42012-06取證8橫向磁場的異步感應(yīng)式少極差磁性傳動偏心齒輪副發(fā)明ZL201110280089.8ZL201110280089.8少極差磁場感應(yīng)式少極差磁場感應(yīng)式磁性齒輪副磁性齒輪副新型ZL201120353364.XZL201120353364.X2012-06取證9少極差偏心盤形磁齒輪的行星輪平衡對稱布置新結(jié)構(gòu)新型Z

21、L201120369245.3ZL201120369245.3少極差磁性齒輪少極差磁性齒輪2012-06取證10新型徑向磁場的少極差磁場耦合式磁性傳動偏心齒輪副發(fā)明ZL201110355864.1ZL201110355864.1少極差磁場耦合的少極差磁場耦合的磁性齒輪副磁性齒輪副新型ZL201120444409.4ZL201120444409.42012-06取證11 徑向磁場的少極差磁場感應(yīng)式磁性傳動偏心齒輪副發(fā)明ZL201110357874.9ZL201110357874.9少極差磁場感應(yīng)式少極差磁場感應(yīng)式磁性齒輪副磁性齒輪副新型ZL201120446815.4ZL201120446815

22、.42012-06取證四、關(guān)于作者專利申請及授權(quán)情況表：四、關(guān)于作者專利申請及授權(quán)情況表：五、關(guān)于下一階段的工作任務(wù)目標：五、關(guān)于下一階段的工作任務(wù)目標：1 1、樣機試制、試驗論證、成果鑒定階段：、樣機試制、試驗論證、成果鑒定階段：2 2、項目融資、建設(shè)及產(chǎn)業(yè)化實施階段：、項目融資、建設(shè)及產(chǎn)業(yè)化實施階段：PCTPCT專利申請：專利申請：20122012年年1 1月月樣機試制：樣機試制：20112011年年1010月月20122012年年3 3月月試驗論證：試驗論證：20122012年年3 3月月20122012年年4 4月月成果公開：參加成果公開：參加20122012年年4 4月的重慶市高新技術(shù)交易會月的重慶市高新技術(shù)交易會成果鑒定：成果鑒定：20122012年底申報重慶市科技成果獎年底申報重