楊益飛，陸春元，黃海洋，孫春華，胡德霖

(1.蘇州市職業(yè)大學機電工程學院, 江蘇 蘇州 215104;2.江蘇省3C產(chǎn)品智能制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心,江蘇 蘇州 215104;3.蘇州電器科學研究院股份有限公司，江蘇 蘇州 215104 )

0 引 言

近年來，由于對能源與環(huán)保問題的重視，節(jié)能與高效率的機電裝置成為重要突破口，因此機電裝置各子系統(tǒng)之間的整合設計逐漸成為發(fā)展趨勢，而電機作為動力源，在與負載裝置整合為一體式的設計，能較大發(fā)揮動力裝置最佳效能[1-3]?，F(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)主要包含機械式齒輪傳動和磁齒輪傳動兩種系統(tǒng)，但無論是系統(tǒng)效率的提高以及能源節(jié)能方面，都更加傾向于直接驅(qū)動，即在齒輪減速箱方面，以磁齒輪為整合設計對象，此種傳動方式相比機械式齒輪傳動，除了可大幅提升整合裝置的磁動勢來源之外，還具有非接觸傳動的特性，以及無摩擦力、無須潤滑、無機械疲勞問題、體積小等優(yōu)點，加以磁力傳動具備轉(zhuǎn)矩限制與過載保護功能，并能抵抗因轉(zhuǎn)矩變動與轉(zhuǎn)軸對心不良所產(chǎn)生的機械振動等優(yōu)勢[4-5]。在機理探討與工程實務上，成為新興的研究課題。因此，磁齒輪的研究具有重要的科學價值和實踐意義。

1 磁齒輪的結(jié)構(gòu)

多年來，國內(nèi)外研究人員針對工程應用中的需求，提出和設計了多種磁齒輪，但從功能上可以劃分為兩類，一種是MagnaDrive公司的調(diào)整氣隙達到變速效果的磁齒輪(如圖1所示)，另一種是Magnomatics公司主導的調(diào)整任一層轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的磁齒輪(如圖2所示)。除此之外還有以下：較早出現(xiàn)的磁蝸輪[6]、外嚙合的平行軸磁齒輪[7]、磁傘齒輪[8]、反旋轉(zhuǎn)磁齒輪[9]等，下面就目前研究較多的磁齒輪結(jié)構(gòu)做重點說明。

圖2 調(diào)整轉(zhuǎn)子變速磁齒輪

1.1 同軸磁齒輪

文獻[10-11]研究了同軸磁齒輪的振動和噪聲特性，如圖3所示。在同軸磁齒輪中，振動和噪聲通過作用在低速轉(zhuǎn)子，高速轉(zhuǎn)子和調(diào)磁體上產(chǎn)生激磁力。通過使用麥克斯韋應力張量法計算作用在同軸磁齒輪上的電磁力及其頻率。此外，通過模態(tài)分析獲得同軸磁齒輪完整模型的模態(tài)形狀及其共振頻率。通過電磁力和模態(tài)分析的結(jié)果，結(jié)合有限元法進行振動計算，來確認位移對噪聲的影響。結(jié)果表明，振動和噪聲在同軸磁齒輪低速轉(zhuǎn)子，高速轉(zhuǎn)子和調(diào)磁體中受影響最大的部分是低速轉(zhuǎn)子。

圖3 同軸磁齒輪

文獻[12]與上述同軸磁齒輪不同之處在于，磁齒輪傳動機構(gòu)在內(nèi)部或外部具有交流電樞繞組。此外，文獻[10-11]的同軸磁齒輪永磁激勵場和文獻[12]的同軸磁齒輪交流電場具有彼此不同的磁場空間諧波分量。因此，文獻[12]和文獻[10-11]中的磁通調(diào)制特性是不同的，并且調(diào)制件處的合成磁徑向力也彼此不同地發(fā)生。

圖4 同軸磁齒輪

1.2 行星磁齒輪

文獻[13]通過將非接觸式磁性行星齒輪的新概念融入永磁無刷電機，提出了一種新型多端口磁行星齒輪永磁電機。為了實現(xiàn)機構(gòu)中不同電氣或機械端口之間功率和轉(zhuǎn)矩的靈活組合和分離，提出了一種考慮多工況模式的多目標優(yōu)化設計方法。通過制造并測試了基于優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸的原型機。理論分析和實驗分析均驗證了所研究機構(gòu)的有效性，如圖5所示。

圖5 行星磁齒輪

文獻[14]提出了一種基于能量方法計算行星磁齒輪的轉(zhuǎn)矩性能。為了驗證所提出的方法和齒輪性能，構(gòu)建了樣機實驗評估，如圖6所示。它顯示了預測和測量的轉(zhuǎn)矩性能之間的良好一致性。新型齒輪拓撲結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出比普通磁通調(diào)節(jié)磁齒輪具有更高的轉(zhuǎn)矩能力。然而，復雜的機械結(jié)構(gòu)和空載時的高損耗仍然是不可忽視的重要研究內(nèi)容。

圖6 行星磁齒輪的主要部件和組件齒輪

1.3 直線/管狀磁齒輪

文獻[15]本文提出了一種新型多齒輪直線磁齒輪，如圖7所示。與傳統(tǒng)的直線磁齒輪不同，所提出結(jié)構(gòu)是利用鋁-鎳-鈷永磁體作為激發(fā)源。由于矯頑力相對較低，可以通過對磁化繞組施加適當?shù)闹绷麟娏髅}沖來使永磁體磁化或去磁。因此，兩個推動器上的極對數(shù)永磁體可以相應地變化，從而可以實現(xiàn)不同的傳動比。所提出的直線磁齒輪是用于直接驅(qū)動波能量提取。由于具有可調(diào)節(jié)的傳動比的能力，波浪能轉(zhuǎn)換器可以與不同海況下的波共振地操作，從而可以實現(xiàn)最大功率追蹤。

圖7 管狀磁齒輪

包廣清教授[16-17]提出了一種直線磁齒輪發(fā)電機，有效提高了斯特林發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，如圖8所示。它的低速動力與斯特林發(fā)動機相連，以獲得驅(qū)動速度，而兩組永磁體分別作為高速動力器和發(fā)電機的轉(zhuǎn)換器，集成在一個管狀鐵芯中。結(jié)果表明，發(fā)電機可以獲得更高的推動速度以產(chǎn)生更高的電壓，從而提高系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。此外封寧君也提出了類似結(jié)構(gòu)[18]。

圖8 直線磁齒輪

1.4 軸向磁通磁齒輪

日本學者為了提高轉(zhuǎn)矩密度，提出了僅在高速轉(zhuǎn)子中使用永磁體的軸向磁齒輪結(jié)構(gòu)[19]，如圖9所示，并描述了該電機的工作原理，計算了轉(zhuǎn)矩-速度特性。該學者還將在高速轉(zhuǎn)子和低速轉(zhuǎn)子中同時具有永磁體的轉(zhuǎn)矩-速度特性與僅在高速轉(zhuǎn)子具有永磁體的原始模型進行比較。結(jié)果表明，僅在高速轉(zhuǎn)子中使用永磁體的軸向磁齒輪結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩-速度特性較好。

圖9 軸向磁通磁齒輪

文獻[20]介紹了用于應用于風力發(fā)電的軸向磁通磁齒輪(如圖10所示)，并給出了磁耦合和解耦配置的最佳電磁設計?？紤]到軸向磁通磁齒輪的復雜結(jié)構(gòu)性能的提升，特別重視結(jié)構(gòu)設計方面。優(yōu)化結(jié)果表明，對于主動齒輪部件，可以實現(xiàn)超過100 kNm /m3的轉(zhuǎn)矩密度。

圖10 軸向磁通磁齒輪的爆炸圖

1.5 橫向磁通磁齒輪

橫向磁通磁力齒輪拓撲結(jié)構(gòu)具有更簡單的機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。為了增加氣隙磁通密度，磁體以磁通聚焦配置布置。Walter Bomela提出了一種采用鐵氧體和釹鐵硼磁體的新型橫向磁通磁力齒輪[21](如圖11所示)。還比較了采用軟磁復合材料想比永磁體時的性能。

圖11 橫向磁通磁齒輪

香港科技大學在上述結(jié)構(gòu)的基礎上介紹了一種新型混合磁通磁齒輪[22]，它將橫向磁通磁力齒輪和軸向磁通磁力齒輪集成在一個單元中。與其傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，所提出的磁齒輪傳遞相對高的轉(zhuǎn)矩密度。與橫向磁通磁力齒輪相比，這種新結(jié)構(gòu)在低速轉(zhuǎn)子和高速轉(zhuǎn)子之間采用了額外的磁鐵來調(diào)節(jié)磁場并有助于傳遞額外的轉(zhuǎn)矩。

2 磁齒輪復合電機創(chuàng)新結(jié)構(gòu)

有關電機與磁齒輪機構(gòu)的整合設計仍屬新興的研究領域，以磁性齒輪為主體的傳動/變速機構(gòu)逐漸使用今日的機械設備中，相關的文獻與研究并不普遍，且大多為電機與單一固定減速/增速功能的磁齒輪機構(gòu)的整合設計，包括：Prof. Zhang提出將徑向氣隙外轉(zhuǎn)子直流無刷電機的定子整合于同軸式磁齒輪機構(gòu)內(nèi)部的設計方案[23]；鄒國棠教授等人(圖12)則是把永磁無刷電機的外轉(zhuǎn)子整合于同心式磁齒輪機構(gòu)的高速磁齒輪(即內(nèi)環(huán)磁齒輪)上[24-25]，通過同心式磁齒輪達成減速增矩的目的，用以取代電動車輛其動力與傳動系統(tǒng)各自獨立設計的既有方式。他們更將同心式磁齒輪機構(gòu)與風力機組的發(fā)電機做結(jié)合設計[26]，將磁齒輪機構(gòu)設計成增速齒輪箱，以提升葉片轉(zhuǎn)速易于發(fā)電之用；封寧君博士通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了磁齒輪的推力和力密度[27-28]。

圖12 內(nèi)磁鐵外轉(zhuǎn)子同軸磁齒輪永磁無刷電機

Prof. Niu等人[29]針對整合式磁齒輪與永磁無刷電機裝置(如圖13所示)，以有限元分析軟件模擬其內(nèi)外環(huán)磁齒輪的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與動態(tài)轉(zhuǎn)矩，并探討其滿載時的轉(zhuǎn)矩波形，這些都是相當新穎的設計理念。這些電機與磁齒輪機構(gòu)的整合設計，不外乎是借由兩裝置間的具體結(jié)合，使動力裝置與傳動/變速裝置可以更有效率地整合運作，縮減所需的構(gòu)裝空間，進一步尋求提升傳遞轉(zhuǎn)矩與傳動效益的契機，然而單一固定減速/增速的設計方案因轉(zhuǎn)速比范圍有限，無法同時兼顧低轉(zhuǎn)速至高轉(zhuǎn)速的速度與轉(zhuǎn)矩需求。

圖13 管狀磁齒輪無刷直線電機

3 磁齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

磁齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對于整個結(jié)構(gòu)以及復合電機本身都有著很重要的影響，特別是磁力大小的變化，會直接影響到設備的工作性能和運行效率。這里分別對目前出現(xiàn)的主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，從多目標優(yōu)化、遺傳算法、響應面方法集中說明各自方法的優(yōu)缺點。

3.1 多目標優(yōu)化

Filippini為了減少磁齒輪的計算量，將磁，熱和機械約束條件嵌入到隨機算法中[2-3]，以便立即識別不可行的幾何形狀，對其施加多目標優(yōu)化約束條件，并采用半分析設計程序，提供可嵌入優(yōu)化循環(huán)的快速仿真工具。受此啟發(fā)，文獻[13]為了實現(xiàn)新型多端口行星磁齒輪永磁電機中不同電氣或機械端口之間功率和轉(zhuǎn)矩的靈活組合和分離，提出了一種考慮多工況模式的多目標優(yōu)化設計方法?；诟鞣N驅(qū)動模式將整個優(yōu)化分為三個步驟，在每個步驟中，分別使用多目標遺傳算法，響應面法和直接篩選法。

3.2 遺傳算法

同軸磁齒輪是一種結(jié)構(gòu)新穎，前景廣闊的傳動齒輪。然而，其電磁場的計算較為復雜。文獻[4]在Matlab工具箱中使用遺傳算法的分析方法計算磁場分布和電磁轉(zhuǎn)矩，為其優(yōu)化設計提供了一個很好的工具。優(yōu)化結(jié)果表明，該遺傳算法具有實用性和有效性，為同軸磁齒輪的分析和設計提供了一種新的方法，對于同軸磁齒輪的研究和應用具有重要意義。

同樣對同軸磁齒輪優(yōu)化方法做出改進的還有文獻[30]，文中對同軸磁齒輪中的磁場分布在極坐標系中進行分析計算，然后通過有限元法結(jié)合粒子群優(yōu)化算法進行驗證，給出了關鍵設計參數(shù)對扭矩能力的影響。此外，文獻[5]使用有限元方法結(jié)合遺傳算法分別對雙層磁齒輪電機和單層磁齒輪電機的的電磁性能并進行了定量比較，結(jié)果表明，所提出的雙層磁齒輪電機可以獲得比單層磁齒輪電機機器更高的轉(zhuǎn)矩密度，更適合于低速高轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動應用。

3.3 響應面方法

在對磁齒輪復合電機進行分析優(yōu)化時，會發(fā)現(xiàn)設計變量過多，這顯然增加了優(yōu)化問題的復雜性。文獻[31]討論了一種減少設計變量的方法，即應用響應面法，其將電機和磁齒輪的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩表示為各自尺寸的多項式函數(shù)。在應用響應面法之前，為電動機和磁性齒輪定義了優(yōu)化問題，其優(yōu)化目標和約束函數(shù)是從所考慮的電磁裝置的分析電磁模型導出的。

同樣，文獻[32-33]基于響應曲面設計創(chuàng)建設計試驗，結(jié)合磁齒輪復合電機參數(shù)變量建模，確定用于優(yōu)化響應的因子設置，降低磁齒輪傳動中的傳遞轉(zhuǎn)矩脈動，并通過比較從響應面分析和初始模型得到的優(yōu)化模型的特征來評估優(yōu)化設計的有效性。

4 磁齒輪復合電機的應用

磁齒輪的研究不斷深入，其拓撲結(jié)構(gòu)品種多樣，運行性能不斷提高，磁齒輪相關配套產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應用也日趨成熟。多年持續(xù)不斷的研究及大量試驗已經(jīng)表明，通過優(yōu)化磁齒輪的新型拓撲結(jié)構(gòu)可以大幅度提升轉(zhuǎn)矩密度，完全有能力取代傳統(tǒng)機械齒輪，達到創(chuàng)新機構(gòu)質(zhì)的飛躍[10-12]。磁齒輪與電機的整合裝置，促使了直接驅(qū)動設備的快速發(fā)展。

磁齒輪復合電機傳動機構(gòu)雖然逐步應用于現(xiàn)今的動力裝置中，如：晶圓真空機械手臂的傳動機構(gòu)[8]、先進電動車輛的動力與傳動整合裝置[13]、太陽能熱發(fā)電[24]、潮汐能發(fā)電[26]、航空航天[27]、發(fā)電機增速齒輪箱[29]、人工心臟[34]、游梁式抽油機[35]、高速鉆頭傳動機構(gòu)等[36-37]、無人飛行器[38]、3D打印[39]等高轉(zhuǎn)矩/低轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)矩/高轉(zhuǎn)速的應用場合，提供了新思路和新選擇。

不可否認，上述應用還有較大能改進的空間，尤其在控制系統(tǒng)方面，如能研究出適合磁齒輪復合電機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電機的恒壓輸出和恒轉(zhuǎn)矩輸出，則能對電能質(zhì)量有較大的改善。

5 結(jié) 語

磁齒輪作為現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)重要機構(gòu)，突破了傳統(tǒng)設計理念，不僅使得磁齒輪復合電機的應用更加多樣化，也為機器動力與傳動系統(tǒng)的性能改善與應用擴大了使用范圍。因此，對于磁齒輪及復合電機的研究具有重要的科學價值和實踐意義。

基于上述，本文詳細闡述了磁齒輪多種新結(jié)構(gòu)以及磁齒輪與電機結(jié)合帶來的全新驅(qū)動理念，從多目標優(yōu)化、遺傳算法、響應面方法等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法以提升磁齒輪復合電機性能方面做了詳細說明，隨著對控制系統(tǒng)進一步優(yōu)化以及磁性材料性能的進一步深入，有望將磁齒輪復合電機商業(yè)化應用。