磁性部件是電動(dòng)機(jī)和非接觸式驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器中的標(biāo)準(zhǔn)，但是新的發(fā)展可以看到磁體取代了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械齒輪。Paul Stevens報(bào)告了新的基于磁體的電力傳輸部件及其為設(shè)計(jì)者提供的優(yōu)勢(shì)。

傳動(dòng)裝置，聯(lián)軸器和阻尼器，以及電機(jī)和執(zhí)行器，都能很好地滿足現(xiàn)有技術(shù)，但這些技術(shù)都有其局限性和缺點(diǎn)。例如，齒輪需要潤(rùn)滑，產(chǎn)生噪聲并且遭受固有摩擦，這降低了它們的機(jī)械無效性。

從玩具和門捕捉到電動(dòng)機(jī)和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的一切中使用的磁性是商業(yè)組織和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行的研究的主題。改進(jìn)的場(chǎng)強(qiáng)和設(shè)計(jì)技術(shù)意味著更小和更輕的磁體可以代替更大的復(fù)合磁體或創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。

領(lǐng)導(dǎo)研究的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)之一是英國(guó)謝菲爾德大學(xué)。Magnomatics公司成立于2006年，是謝菲爾德大學(xué)的一家分公司，旨在將磁傳動(dòng)系統(tǒng)，高扭矩電機(jī)，機(jī)電執(zhí)行器和阻尼器的突破性研究商業(yè)化。這項(xiàng)工作由Kais Atallah博士和David Howe教授在大學(xué)的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。今天，Magnomatics與大學(xué)保持密切聯(lián)系，利用現(xiàn)有的技術(shù)專長(zhǎng)和研究設(shè)施。Atallah博士原來的研究小組成員現(xiàn)在成為Magnomatics技術(shù)團(tuán)隊(duì)的核心。

Magnomatics的活動(dòng)中心在于 – 但不限于 – 磁性齒輪傳動(dòng)，其中部件通過非接觸磁耦合而不是嚙合的機(jī)械齒輪齒傳遞扭矩。根據(jù)實(shí)施例，Magnomatics說可能的傳動(dòng)比為1.01:1至1000:1。

與機(jī)械齒輪相比，他的發(fā)明聲稱提供的優(yōu)點(diǎn)包括減少維護(hù)，提高可靠性，不需要潤(rùn)滑劑，更高的效率，精確的峰值扭矩傳遞，固有的過載保護(hù)，降低的傳動(dòng)系統(tǒng)脈動(dòng)，不對(duì)準(zhǔn)公差和低噪聲。在一些應(yīng)用中，輸入和輸出軸物理隔離也是有益的。

磁力齒輪使用永磁體傳遞扭矩

磁性齒輪使用永磁體在輸入軸和輸出軸之間傳遞扭矩。該公司表示，與機(jī)械齒輪相比，扭矩密度可達(dá)到99％或更高的效率，在部分負(fù)載條件下比機(jī)械齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率。此外，對(duì)于更高的額定功率，磁性齒輪可以比機(jī)械齒輪更小，更輕和成本更低。由于移動(dòng)部件之間沒有接觸，因此沒有磨損，不需要潤(rùn)滑（圖1）。如果施加過大的扭矩，磁性齒輪也可以防止過載，如果過度扭矩被移除，則自動(dòng)和安全地重新嚙合。

低比磁齒輪使用一系列鋼極靴來調(diào)制由具有不同數(shù)量磁極的兩個(gè)永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)。在這種布置中，磁體陣列以不同的速度旋轉(zhuǎn)，其中齒輪比由每個(gè)陣列中的磁體的比率確定。輸入和輸出軸之間的運(yùn)動(dòng)傳遞通過使用強(qiáng)大的永磁體和中間調(diào)制元件（圖2）被動(dòng)地實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子之間的高度磁耦合允許實(shí)現(xiàn)與機(jī)械齒輪相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩密度。具有幾乎零轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的50:1到1.01:1的傳動(dòng)比是容易實(shí)現(xiàn)的。有趣的是，當(dāng)需要薄“煎餅”設(shè)計(jì)時(shí)（圖3），低比率磁齒輪可以在常規(guī)徑向場(chǎng)或軸向布置中實(shí)現(xiàn)。Magnomatics的低比率磁齒輪是公司的新型永磁電機(jī)（偽直接驅(qū)動(dòng)（PDD））的一個(gè)組成部分，它提供比傳統(tǒng)電機(jī)齒輪箱組合（見下文）高得多的轉(zhuǎn)矩密度。

Magnomatics高比磁齒輪使用旋轉(zhuǎn)的發(fā)散氣隙來調(diào)制由輸入和輸出轉(zhuǎn)子上的永磁體陣列產(chǎn)生的場(chǎng)。與低速比齒輪一樣，轉(zhuǎn)子之間的高度耦合允許實(shí)現(xiàn)非常高的扭矩密度。高比率磁齒輪的簡(jiǎn)單而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)使得在單個(gè)同軸級(jí)中可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1000:1的比率。因此，該系統(tǒng)為復(fù)雜，高成本，多級(jí)機(jī)械齒輪提供了優(yōu)雅，無摩擦的替代方案。

與傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)不同，磁齒輪概念的多功能性允許以非常高的力密度實(shí)現(xiàn)線性變體。線性變體是完全可逆的，并且可以用作行程放大器或作為力放大器以適合目標(biāo)應(yīng)用 – 其可以是流量控制閥致動(dòng)器，可伸縮機(jī)器人臂或直接驅(qū)動(dòng)波動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。

這種磁齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被認(rèn)為非常適合于否則可能依賴于無效的旋轉(zhuǎn) – 線性轉(zhuǎn)換技術(shù)（例如球螺桿或?qū)輻U）的致動(dòng)系統(tǒng); 它也作為液壓致動(dòng)器的潛在替代品吸引了人們的興趣。如果需要，線性齒輪裝置可以與無刷永磁直線電動(dòng)機(jī)組合以產(chǎn)生具有超高力密度的線性偽直接驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器。

雖然線性非接觸“齒輪傳動(dòng)”變速器離旋轉(zhuǎn)非接觸齒輪一步遠(yuǎn)，但一個(gè)側(cè)向思維很快就揭示了其他可能性。Magnomatics已經(jīng)開發(fā)的一種這樣的發(fā)展是磁性，非接觸式無級(jí)變速器（CVT）或無限變速器（IVT），其提供可控的比率和功率傳遞。磁性CVT是高效且緊湊的，不需要冷卻或潤(rùn)滑，并且適合于多種應(yīng)用，例如混合動(dòng)力車輛和風(fēng)力渦輪機(jī)。解決大多數(shù)CVT設(shè)計(jì)中固有的摩擦學(xué)挑戰(zhàn)可能證明是困難的，因此非接觸概念聽起來非常有吸引力。

通常機(jī)器設(shè)計(jì)需要電機(jī)直接或通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)負(fù)載。因此，Magnomatics開發(fā)了一個(gè)將低比率磁齒輪與永磁電動(dòng)機(jī)相結(jié)合的單元。被稱為偽直接驅(qū)動(dòng)（PDD）機(jī)，據(jù)說這種開發(fā)提供的扭矩密度比使用具有常規(guī)齒輪箱的高性能永磁電動(dòng)機(jī)（圖4）時(shí)的扭矩密度大幾倍。PDD機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) – 在2005年推出 – 與傳統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器相比，具有顯著的尺寸和重量減少，由于超高效率，簡(jiǎn)化的機(jī)器設(shè)計(jì)，無需輔助冷卻，并且與機(jī)械齒輪傳動(dòng)（圖5）。

由于可以使用的磁應(yīng)力和電應(yīng)力的限制，常規(guī)電機(jī)只能實(shí)現(xiàn)相對(duì)低的扭矩輸出。對(duì)于緊湊型系統(tǒng)，通常需要機(jī)械傳動(dòng)裝置以使高速，低扭矩機(jī)器與其較低速度，較高扭矩的負(fù)載相匹配，這引起了對(duì)潤(rùn)滑，冷卻，維修和潛在的災(zāi)難性故障和干擾的需要超載。

PDD機(jī)器的潛在應(yīng)用范圍從混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)器到直接驅(qū)動(dòng)公用事業(yè)規(guī)模的風(fēng)力渦輪機(jī)和船舶推進(jìn)系統(tǒng)。Magnomatics說，PDD機(jī)器可以配置為徑向場(chǎng)，軸向場(chǎng)和線性拓?fù)洹?/p>

PDD機(jī)器無疑是一個(gè)令人興奮的產(chǎn)品，但也有其他磁鐵產(chǎn)品，雖然不那么刺激，仍然以優(yōu)雅的方式解決特定的工程問題。Magnomatics說它有專業(yè)知識(shí)和建模能力來解決這些問題。例如，磁性聯(lián)接器可以將扭矩從一個(gè)系統(tǒng)傳遞到另一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)保持氣密密封以防止泄漏和污染。聯(lián)軸器是同步的（輸出軸速度恰好等于輸入速度），并且這種聯(lián)軸器可以設(shè)計(jì)成具有最大100％的機(jī)械效率。磁耦合器廣泛用于泵，以將電動(dòng)機(jī)與液體隔離，并消除具有有限壽命且易于泄漏的動(dòng)態(tài)密封; 相反，膜或密封壁位于轉(zhuǎn)子之間的磁隙中。

在某些方面類似于磁耦合，渦流或感應(yīng)耦合用作限制扭矩的功率傳輸元件，以防止在過載下的傳動(dòng)系故障。聯(lián)接器是魯棒的，并且當(dāng)針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化時(shí)，可以非常有效。如果需要，扭矩分布可以被定制為提供連接以不同速度旋轉(zhuǎn)的軸并且安全地重新接合驅(qū)動(dòng)器而不引入傳動(dòng)系沖擊負(fù)載的能力。該裝置可以是具有永磁體激勵(lì)的純無源的，或者具有纏繞場(chǎng)激勵(lì)的有源的; 這允許控制負(fù)載容量并且系統(tǒng)快速地去耦合。

每組應(yīng)用要求導(dǎo)致不同的設(shè)計(jì)，其中扭矩速度曲線和效率與制造復(fù)雜性和系統(tǒng)成本平衡。Magnomatics為諸如高性能重量?jī)?yōu)化的航空航天應(yīng)用，強(qiáng)勁的高沖擊工業(yè)驅(qū)動(dòng)器和備用發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域設(shè)計(jì)了廣泛的傳輸耦合。該公司廣泛的建模能力使渦流電流耦合設(shè)計(jì)能夠在轉(zhuǎn)矩 – 速度特性，損耗，動(dòng)態(tài)特性和熱效應(yīng)方面得到優(yōu)化，從而在給定的工作條件下實(shí)現(xiàn)最緊湊的封裝。

基于磁體的齒輪和聯(lián)軸器的近距離，渦流阻尼器使航空航天客戶能夠滿足諸如起落架和用于更多電動(dòng)飛機(jī)的飛行控制表面致動(dòng)的應(yīng)用的苛刻要求。渦流阻尼器還可用于結(jié)構(gòu)的隔振，用于高性能車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)支架，力反饋裝置和工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制。