新型磁場調(diào)制式磁性齒輪的設(shè)計研究.pdf

1、磁性齒輪依靠磁場作用傳遞轉(zhuǎn)矩，其輸入與輸出之間非接觸性傳遞的特點使得它在特定場合較機械齒輪具有特殊的優(yōu)勢。但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁性齒輪轉(zhuǎn)矩密度低，限制了磁性齒輪的推廣應用。新型磁場調(diào)制式磁性齒輪內(nèi)外轉(zhuǎn)子采用同心式結(jié)構(gòu)，有效提高了永磁體的利用率，其轉(zhuǎn)矩密度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了較大的提高，因此具有較好的應用前景。本文圍繞這種新型磁場調(diào)制式磁性齒輪展開研究，具體做了以下幾方面的工作： 第一，采用解析法和二維有限元法對磁場調(diào)制式磁性齒輪的工作原理進行

2、了詳細分析，特別是對調(diào)磁環(huán)在這種新型磁性齒輪中的作用進行了重點研究，突出了調(diào)磁環(huán)所起到的磁場調(diào)制作用；在對新型磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩脈動問題進行分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計制造了一臺傳動比為7.33:1的新型磁性齒輪；并對磁性齒輪的兩個重要特性--即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性和穩(wěn)態(tài)運行轉(zhuǎn)矩特性進行了有限元計算分析。 第二，根據(jù)國外文獻資料，其所開發(fā)新型磁性齒輪樣機實測最大轉(zhuǎn)矩與二維有限元計算結(jié)果存在較大差異。本文在詳細介紹基于標量磁位的三維有限元方法的基礎(chǔ)

3、上，編制了三維有限元程序，并將該程序成功地應用到新型磁性齒輪的分析之中，研究了新型磁性齒輪端部效應對計算靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性的影響。通過對二維有限元、三維有限元不考慮端部效應、三維有限元考慮端部效應計算結(jié)果以及實驗結(jié)果的對比分析，表明新型磁性齒輪的端部效應非常明顯，準確的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩計算必須采用三維有限元進行。同時由于本文采用了標量磁位法，使得三維有限元計算時間大大減少，為采用三維有限元法進行新型磁性齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 第三，磁性

4、齒輪中鐵損耗是其主要損耗，本文以有限元為輔助工具，對新型磁性齒輪的鐵損耗問題進行了詳細分析，指出了降低鐵損耗，提高傳動效率的設(shè)計準則。根據(jù)新型磁性齒輪的工作原理，要實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的傳動比，其內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)有多種選取方案。本文從優(yōu)化設(shè)計的角度出發(fā)，對比分析了不同磁極對數(shù)對磁性齒輪性能的影響，并在此基礎(chǔ)上指出了新型磁性齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)選取原則。第四，從提高磁性齒輪機械可靠性的角度出發(fā)，提出了一種外轉(zhuǎn)子改進型拓撲結(jié)構(gòu)，并申請了專利。利用三維

5、有限元程序?qū)υ摻Y(jié)構(gòu)進行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，研究了4個主要設(shè)計參數(shù)對磁性齒輪性能的影響情況，并在此基礎(chǔ)上制造了樣機。實驗結(jié)果表明，該樣機轉(zhuǎn)矩密度和傳遞效率均較高，具有推廣應用的價值。 第五，目前磁性齒輪的研究基本上都是關(guān)于其靜態(tài)特性的研究。磁性齒輪不具有自起動能力，其運轉(zhuǎn)是依靠外部裝置驅(qū)動運行的，要進行比較完善的磁性齒輪動態(tài)性能研究，就必須建立起其外部驅(qū)動裝置與磁性齒輪的聯(lián)合仿真模型。本文以時步法為基礎(chǔ)，建立起了電機配磁性齒輪傳遞系統(tǒng)