誰能介紹下磁吸齒輪？

我現在正在研究的一個項目就是關於磁齒輪（magnetic gear或者MG）的。夾具俠已經提到了MG的一些優勢，我就不重複了。我先來說說MG的一些歷史吧。

最早的MG大概是這樣的：

這種設計非常直觀，也就是用磁鐵之間的力代替機械力來傳動。但是這個設計並沒有太多的應用。這主要是因為torque density不夠，也就是單位質量下傳遞的扭矩非常小。造成小扭矩的原因有兩個：第一，這種結構在某個時間點，只有一兩對磁鐵之間有相互作用，而大多數的磁鐵之間都沒有耦合；第二，當前磁鐵所能提供的磁場強度有限（這個設計最早出現在上世紀初，當時還只有非常弱的鐵氧化物磁鐵吧）。

隨著時代的進步，現在已經有越來越多的研究旨在解決這兩個問題。針對第一點，目前最流行的一種思路是模仿行星齒輪結構，也被叫做axial magnetic gear。它的結構是這樣的

這種齒輪主要分為三個部分：inner rotor（高速），flux modulator（圖中的ferromagnetic poles，一般固定）和outer rotor（低速）。每個rotor上有不同數量的magnetic poles （目前最優解是採用hallbach array）。而Flux modulator是由導磁的poles均勻分布組成。Flux modulator的主要作用是產生gear ratio。 它的具體作用估計要寫好幾頁紙才能說明白。如果有興趣，你可以看相關方面的文獻。簡而言之，它就是對兩個rotor上產生的磁場進行modulation，實現兩個rotor之間的完美耦合。

這個MG結構的主要優點是：1）gear ratio比較大（因為和行星齒輪很像）；2）在每個時間點，兩個rotors上所有的磁鐵都處於耦合狀態，耦合扭矩大。這種結構應該是目前torque density 最大的設計。

針對第二個缺陷，目前主要的思路是採用稀土磁鐵或者是超導磁鐵。具體思路我接下來再說。

最近MG研究又慢慢熱起來了。主要原因有幾個：

a) 目前電動汽車和電動飛機研究非常火爆。MG非常適合需要電力驅動的領域。尤其是一種叫做pseudo direct drive的器件：

這種器件直接將電動機和MG組合在一起，使得驅動機構變得極為簡單。現在的汽車，都是發動機帶動傳動裝置然後驅動四個輪子。這個設計不僅部件中損耗大，而且powertrain的優化非常麻煩。如果四個輪子採用這種pseudo direct drive驅動，那麼我們就可以非常簡單地控制每個輪子輸出的扭矩，從而實現車輛效率的最優化。

b) 如我之前所提到的那樣，限制MG的主要原因之一是現有永磁體太弱。但是隨著科技的進步，高溫超導材料的出現將徹底解決這個問題。目前已經有研究開始使用超導材料獲得極強磁場，進而得到巨大無比的torque density。這些研究現在還局限在太空領域（畢竟，太空中照不到太陽的地方，溫度都極低，非常適合超導材料的應用）。

MG的劣勢也很明顯。現在最主要的問題有兩個：1）torque ripples 和2）頻率低。torque ripples主要是flux modulator這種設計本身的缺陷；頻率低則是由於渦流損耗。現有的齒輪在高轉速下，渦流損耗極大，傳動效率急劇下降。我現在在做的就是解決這兩個問題。雖然有一定進展，但是長路漫漫。歡迎題主入此坑。

磁齒輪利用磁力傳動 ,是沒有機械接觸的齒輪嚙合。正是由於齒輪間的嚙合無接觸 ,無摩擦能耗、傳動平穩,才體現出了磁齒輪效率高、可靠性高及使用壽命長的優點。其次它無需潤滑 ,清潔、無油污、防塵防水等。且具有過載保護作用 ,過載時不會損壞減速器 ,而且在過載時隨時切斷傳動關係 ,不僅減速器自身不會損壞 ,還能保護原動機。

磁吸齒輪最大的應用在電機裡面，所謂PDD，可以實現高效率低轉速的馬達（Magnomatics』 patented Pseudo Direct Drive）。可以看看這家公司介紹原理的視頻。相當於將行星齒輪集成到馬達內部，實現減速增扭，幾乎沒有摩擦和磨損，沒有噪音振動，免維護。在電動汽車、機器人等領域，這個發明簡直前途無量啊。

PDD Key Benefits

Eliminates gearbox

Very high efficiency (&>97%)

High reliability

Low maintenance

Low cooling requirements

Inherent torque overload protection

Low NVH

Large airgaps enable high shock ratings

Standard power electronic inverter/converter

Low Cogging Torque (&<0.2% of rated torque)

Significantly smaller and lighter than direct drive equivalents

High power factor (can be tailored for field weakening applications)

In-built torsional compliance reduces drivetrain pulsations

原理視頻鏈接如下：