科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
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磁齒輪復(fù)合電機(jī)（MGM）是一種自帶減速效應(yīng)的新型多氣隙磁場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)。磁齒輪復(fù)合電機(jī)將磁力齒輪與電機(jī)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊化和高效化，同時(shí)兼具非接觸傳動(dòng)特性，使其在過(guò)載保護(hù)、密封傳動(dòng)、振動(dòng)噪聲、可靠性和維護(hù)性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，磁
磁齒輪復(fù)合電機(jī)（MGM）是一種自帶減速效應(yīng)的新型多氣隙磁場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)。磁齒輪復(fù)合電機(jī)將磁力齒輪與電機(jī)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊化和高效化，同時(shí)兼具非接觸傳動(dòng)特性，使其在過(guò)載保護(hù)、密封傳動(dòng)、振動(dòng)噪聲、可靠性和維護(hù)性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
目前，磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)在市場(chǎng)上已出現(xiàn)不少成熟產(chǎn)品，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。近年來(lái)在混動(dòng)/電動(dòng)汽車、低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用前景獲得了業(yè)界的廣泛關(guān)注。磁齒輪復(fù)合電機(jī)非接觸傳動(dòng)的特點(diǎn)使其在醫(yī)藥食品、新能源發(fā)電、石油化工等方面具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>
1 新能源發(fā)電
新能源發(fā)電裝置往往安裝于交通不便、環(huán)境惡劣的地區(qū)，發(fā)電系統(tǒng)較高的可靠性及壽命對(duì)此類應(yīng)用尤為重要，而傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)裝置需定期潤(rùn)滑更換，維護(hù)成本高。
具有高功率因數(shù)以及低速大轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)的磁齒輪復(fù)合電機(jī)在海洋能、風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)；帶有無(wú)級(jí)變速功能磁齒輪復(fù)合電機(jī)能夠適應(yīng)風(fēng)速和潮汐的周期變化，以提供穩(wěn)定網(wǎng)側(cè)電頻率；更重要的是，磁齒輪自有的無(wú)需潤(rùn)滑維護(hù)、壽命長(zhǎng)、自帶過(guò)載保護(hù)的機(jī)制使其較機(jī)械齒輪箱-電機(jī)的傳統(tǒng)直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)更為適用于維護(hù)普遍困難的新能源發(fā)電裝置。
英國(guó)Magnomatics公司目前已成功測(cè)試一臺(tái)500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及一臺(tái)小尺寸潮汐能發(fā)電機(jī)，均采用偽直驅(qū)型磁齒輪復(fù)合電機(jī)拓?fù)洌鐖D1所示。海洋能發(fā)電被認(rèn)為是磁齒輪復(fù)合電機(jī)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域，近年來(lái)美國(guó)能源部分別支持波特蘭州立大學(xué)以及德州農(nóng)機(jī)大學(xué)聯(lián)合ABB團(tuán)隊(duì)開展用于海洋能發(fā)電的大轉(zhuǎn)矩磁齒輪復(fù)合電機(jī)系統(tǒng)，并取得了階段性成果。
圖1
在潮汐發(fā)電和斯特林太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，傳統(tǒng)的滾珠絲杠等旋轉(zhuǎn)-直線傳動(dòng)裝置存在卡死風(fēng)險(xiǎn)，可靠性和效率較低；采用永磁絲杠與電機(jī)復(fù)合的磁齒輪復(fù)合電機(jī)能有效提升發(fā)電裝置壽命及可靠性。
蘭州理工大學(xué)包廣清團(tuán)隊(duì)近年來(lái)將磁齒輪復(fù)合電機(jī)應(yīng)用于碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，其采用如圖1b所示的圓筒型永磁絲杠復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)，能將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)和機(jī)械部件帶來(lái)的磨損，取得了良好的效果。
2 電動(dòng)/混動(dòng)汽車
自磁齒輪復(fù)合電機(jī)被提出以來(lái)，其體積質(zhì)量小、振動(dòng)噪聲低的特點(diǎn)使其在電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)上的應(yīng)用得到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。另外，以磁力齒輪復(fù)合電機(jī)為核心的無(wú)級(jí)變速-電機(jī)系統(tǒng)在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，相較傳統(tǒng)無(wú)級(jí)變速裝置能夠減少機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提升燃油效率，未來(lái)有望取代現(xiàn)有的機(jī)械行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，成為下一代混動(dòng)汽車的核心部件。
現(xiàn)階段，如何降低輪轂電機(jī)簧下質(zhì)量，以及降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積和成本是產(chǎn)業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，磁齒輪復(fù)合電機(jī)將繼續(xù)在輕質(zhì)化和低成本上不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)及動(dòng)力分配裝置的替代。
3 船舶電推進(jìn)
磁齒輪復(fù)合電機(jī)省去了機(jī)械減速裝置，無(wú)需定期潤(rùn)滑維護(hù)，其受到環(huán)境溫度、濕度的影響較小，能夠長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。這些特性使磁齒輪復(fù)合電機(jī)也十分適用于對(duì)可靠性和維護(hù)性要求較高的船舶電力推進(jìn)場(chǎng)合。
有學(xué)者研發(fā)并試驗(yàn)了一款3kW磁齒輪復(fù)合電機(jī)在小型無(wú)人電力船舶推進(jìn)中的應(yīng)用，表明磁齒輪具有過(guò)載保護(hù)以及高可靠性的優(yōu)勢(shì)。目前，分別基于英國(guó)Magnonatics公司以及美國(guó)德州農(nóng)機(jī)大學(xué)Hamid課題組的科研團(tuán)隊(duì)，英美兩國(guó)均在穩(wěn)步推進(jìn)磁齒輪復(fù)合電機(jī)在下一代大型電力船舶推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
4 食品醫(yī)藥/石油化工
磁齒輪復(fù)合電機(jī)具有非接觸傳動(dòng)的特性，這使其能夠充分滿足食品醫(yī)藥/石油化工等領(lǐng)域?qū)γ芊鈧鲃?dòng)的需求。通過(guò)在氣隙處設(shè)置密封層，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)專利給出了磁齒輪及復(fù)合電機(jī)應(yīng)用于密封傳動(dòng)的幾種結(jié)構(gòu)布置方式。
德國(guó)Witte泵業(yè)公司目前已推出基于磁力齒輪的電驅(qū)動(dòng)泵，除了具備傳統(tǒng)磁耦合泵密封傳動(dòng)的特點(diǎn)外，還能提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械齒輪的替代。德國(guó)GEORGII KOBOLD公司推出的密封傳動(dòng)磁齒輪復(fù)合電機(jī)，具有清潔可靠、無(wú)潤(rùn)滑油泄漏風(fēng)險(xiǎn)、高效低噪等特點(diǎn)，在提升輸出轉(zhuǎn)速的同時(shí)保持了可觀的功率密度，該產(chǎn)品在食品、醫(yī)藥方面已獲得應(yīng)用。
5 航空航天
因無(wú)需潤(rùn)滑、可靠性高，磁齒輪復(fù)合電機(jī)在航空航天電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用也獲得了許多關(guān)注。香港城市大學(xué)團(tuán)隊(duì)探討了通過(guò)復(fù)合磁力齒輪提升多極直驅(qū)型永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的可行性，以滿足電動(dòng)飛機(jī)高速直驅(qū)的應(yīng)用需求。研究表明，相較傳統(tǒng)電機(jī)，升速型磁齒輪復(fù)合電機(jī)能夠更精確可靠地控制轉(zhuǎn)子位置，且降低了高速渦流損耗。
為了提升作動(dòng)系統(tǒng)可靠性，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）近兩年在磁力齒輪傳動(dòng)及磁齒輪復(fù)合電機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)方面開展了大量研究，通過(guò)采用輕量化設(shè)計(jì)和更好的永磁材料實(shí)現(xiàn)了磁力齒輪60N?m/kg的傳遞轉(zhuǎn)矩密度，NASA還探討了磁齒輪復(fù)合電機(jī)在垂直起降固定翼飛機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用。
本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“磁齒輪復(fù)合永磁電機(jī)拓?fù)浼皯?yīng)用綜述”。第一作者為黃海林，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）博士研究生，研究方向?yàn)榇帕X輪與新型永磁電機(jī)。通訊作者為李大偉，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）副教授，研究方向?yàn)樾滦陀来烹姍C(jī)、伺服電機(jī)和電動(dòng)飛機(jī)用電機(jī)系統(tǒng)。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
張熙