[科普中国]-磁性齿轮

磁性齿轮（英语：Magnetic Gear，简称MG）基本上是一个不具有传统齿轮齿型的传动装置，利用磁耦合力相吸相斥达到传动的目的，称乎其为磁性齿轮仅仅只是构型相似、传动目的一致，本质上不隶属传统齿轮。在以平行为传动方式的MG发展快速，与传统齿轮相比，其不管在传动效率、传动比、加工方面都大幅领先，该装置已经实用在工业界多年，学术界也在持续发展。

发展史MG的最早出现于1901年的美国专利，不过当时未被重视。虽然1941年Faus提出与传统齿轮有相似型态的MG后，不过当时市面上仅有铁氧体，其在磁性齿轮上使用率低并且效能差，发展又逐渐落寞。1980年代后，钕铁硼磁铁(NdFeB)的发明虽然再次让研究开展，不过由于传动时的扭矩密度仍低，无法应用在工业界，仅停留在学术发展阶段。后来有学者于2001年针对共轴式MG(Coaxial-MG,CMG)提出磁场调变(magnetic field modulation )大幅改善扭矩传送密度低的缺点，甚至证实MG在传送扭矩密度以及角速度可高达97%的效率；此后针对CMG不断有进一步改善的研究成果出现，并且开始大量出现整合MG于其它装置中的研究发表，至今为止研究仍然不断开展。

MG传动基本上为两个结构体互相靠着磁耦合力传动，一般可分为平行轴传动和共交轴传动，共交轴传动的发展首先由1987年Tsurumoto, K.提出内旋(Involute)传动式MG, 该构型上所带有之磁铁型态、分布排列相当复杂，学术界改分析磁铁排列较简单的MG，1991年S. Arimoto提出类似这种型态的传动解析之后陆续有学者对于平行轴传动发表各式各样的研究。1993到1994年，垂直传动型态问世， K. Tsurumoto提出磁性螺旋齿轮(magnetic worm gear)，和磁性歪齿轮(magnetic skew gear)，不过构型过于复杂难以解析，多数学者仍改投入研究平行轴传动；但于1996年时，Yao, Y. D.发表磁性斜齿轮(magnetic bevel gear)，但学术界多数对于电磁学领域的构装难有解析解，更别说要解析垂直传动，固该篇期刊仅采用实验法验证，到了2012年，Muruganandam, G.提出改善磁性斜齿轮的扭矩密度之数学模型，但使用了许多假设或近似。

由于平行轴传动MG的发展已逐渐成熟与完备，目前学术界开始有解析共交轴传动MG的趋势，最新的研究整合了磁性斜齿轮与磁场调变技术，发表在IEEE International Conference，不过尚未将内文公开。

研究课题解析MG的传动扭矩

解析MG的最大拖动扭矩

MG传动稳定度分析

MG材料创新选用

MG整合应用

MG传动效率分析

新型MG的开发

几何类型以转动轴平行与否分类

转动轴互为平行

磁性正齿轮

转动轴互为垂直

磁性螺旋齿轮

磁性歪齿轮

磁性斜齿轮

机构优点齿轮机构若利用无接触式传动机构，将较传统接触式齿轮具有下列优点：

由超距力完成传动，降低机械能损耗

圆弧形表面，不需加工齿形与计算模数，使加工成本与难度降低；

传动为无接触式，无需润滑接触面使保养简易，亦抑制噪音产生；

设备中因摩擦皆处所产生的粉尘与油污不会对超距接触产生影响，并具备防水特性；

具有扭矩过载保护特性

一般传统接触式耦合齿轮于扭矩大于安全上限时，会产生崩齿现象，将永久破坏齿轮并产生碎屑，影响其他 部分的齿轮耦合，反之磁性齿轮在扭矩过载时将会产生失步现象，使磁极转动至下一个对 应之磁极并相吸，继续恢复机械传动，使机械恢复运作，且具有过载保护的功能。1

机构应用MG已被大量使用在工业上，随着其类型的不同，使用面向亦不同，以下举出当前的应用领域数个:
(1)风力发电机(2)马达(3)混合动力车辆飞轮机构 (4)齿轮箱 (5)无尘室

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学