磁力齿轮(Magnetic Gear, MG)的概念最早源于20世纪初,C. Armstrong在专利中提出可利用磁场能进行能量传递,之后采用永磁体进行变速传动的磁力齿轮原型被提出。受限于磁体性能,磁力传动技术未能得到广泛关注。得益于20世纪80年代高性能稀土永磁的发展,磁力传动技术重新回到人们视野。
日本K. Tsurumoto教授等此后提出了几种磁力齿轮拓扑,均采用与机械齿轮原理类似的齿啮合结构,如渐开线型、涡轮蜗杆型、斜齿型等。这些结构下同一时间工作的磁极比例较少,故永磁体利用率较低。
同心磁力齿轮最先由英国D. Howe教授等于2001年提出,其采用与游标电机类似的磁场调制原理,能够实现对永磁转子磁动势的调制,从而使两个不同极对数和转速的永磁转子的气隙磁场耦合。其同心式结构使得全部磁极同时参与传动,故永磁体利用率高,转矩密度较传统磁齿轮显著上升。另外,该结构也便于其与永磁电机进行复合,从而提升电机系统的转矩密度。因此,磁场调制型磁力齿轮及其复合电机成为此后20年间磁力传动领域的主要研究方向。
除了磁场调制型磁力齿轮,另外几种永磁体利用率较高的磁力齿轮结构也相继被提出,如行星磁力齿轮、少齿差偏心磁力齿轮、谐波磁力齿轮等,其中行星磁力齿轮的同心式结构同样便于实现与旋转永磁电机的径向复合。
固定其中任一部件,另外两个旋转部件分别作为输入和输出轴,即能实现稳定的变速传动。
磁力齿轮的主要优势在于:无需润滑和定期维护,其无维护寿命在十年以上;自带失步过载保护特性,能有效避免齿轮卡死风险,减少传动系统对电机的冲击;可实现无接触密封传动,在医药、石油化工、航天等领域具有不可替代的作用;可靠性高,振动噪声低,还可减少机械接触带来的摩擦损耗,提升系统效率等。相较机械齿轮,磁力齿轮的主要劣势在于减速比和转矩密度较低。