高效偏心式谐波磁力齿轮气隙磁场解析分析与设计研究

发布时间：2020-08-14 22:27

【摘要】：磁力齿轮与机械齿轮相比具有噪声低、无需润滑、少维修、高可靠性和自动过载保护功能等优点。同心式磁力齿轮通过调磁环上的调磁铁块对内层和外层气隙磁场进行调制,实现转矩传递和变速,同心式磁力齿轮可以获得较大的转矩密度,但是传动比不宜过高。偏心式谐波磁力齿轮利用气隙长度的周期变化进行磁场调制,省略了调磁环,谐波磁力齿轮可以获得更大的传动比和更高的转矩密度。因此,偏心式谐波磁力齿轮在低速大转矩驱动领域有良好的应用前景。本文以偏心式谐波磁力齿轮为研究对象,对谐波磁力齿轮设计开发的关键技术开展基础性研究,具体进行了以下几方面的研究:第一,本文应用边界摄动法,建立了适合小偏心的偏心式谐波磁力齿轮磁场矢量磁位二维解析模型。根据偏心式谐波磁力齿轮子区域的边界条件,求解矢量磁位拉普拉斯方程或泊松方程,分别得到低速转子和定子永磁体单独作用时的偏心气隙磁场,再根据叠加原理合成谐波齿轮气隙磁场,得到谐波齿轮气隙磁通密度解析表达式。将气隙磁通密度,电磁转矩以及不平衡磁拉力的解析计算结果与Ansoft有限元分析软件计算结果相比较,一致性较好,验证了该解析模型的正确性。第二,基于理论精确的双曲余切变换法,建立了适合大偏心的偏心式谐波磁力齿轮磁场标量磁位二维解析模型。在w平面求得磁位差为1时偏心磁场的径向磁通密度,得到径向气隙相对磁导函数,用于修正无偏心的永磁电机径向气隙磁场,从而得到永磁电机偏心气隙磁场。根据叠加定理得到偏心式谐波磁力齿轮的气隙磁场。计算了两级偏心式谐波磁力齿轮的气隙磁通密度和电磁转矩,与有限元法计算结果相比较,验证了该解析模型的正确性。该解析模型为偏心式谐波磁力齿轮的优化设计提供了有效方法,对深入研究偏心式谐波磁力齿轮的电磁性能具有重要的理论意义和应用价值。第三,采用基于解析法的遗传算法优化设计偏心式谐波磁力齿轮,将明确物理参数表示的解析模型与遗传算法结合作为谐波磁力齿轮的优化设计工具,优化算法鲁棒性强、适用性好、计算速度快,优化过程不需要人工干预,可以自动实现。比传统的有限元优化过程更加方便有效。优化后的谐波磁力齿轮的电磁转矩比优化前的有所提高,验证了该优化算法的正确性和有效性。第四,研制开发了国内首台两级偏心式谐波磁力齿轮样机,搭建了谐波磁力齿轮样机的试验平台,进行了样机负载试验。两级偏心式谐波磁力齿轮结构实现了同心旋转输出,解决了偏心式谐波磁力齿轮偏心运动转为同心旋转运动的难题。样机试验结果表明,两级偏心式谐波磁力齿轮样机的传动比与理论值-18.29:1基本一致,传动效率达到91%以上,单级谐波磁力齿轮的转矩密度达到86kN·m/m~3,两级谐波磁力齿轮转矩密度达到43kN·m/m~3,样机传动效率高、输出转矩稳定,具有推广应用的价值。本文研究为谐波磁力齿轮在低速直驱领域的实用化奠定基础,为实现磁力齿轮的产业化具有重要意义。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH132.41
【图文】：

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-直线运动形式，其拓扑结构示意图如图 1-3(a)所示。该直线式磁场调制式齿轮的传动比为 3.25:1，传递的力密度可达 1.7MN·m/m3。直线式磁场调制式力齿轮可以应用于线性电机、机床导轨等一些存在线性运动的场合。(a) 结构示意图 (b) 样机实物图图 1-2 P. O. Rasmussen 提出的切向充磁的磁场调制式磁力齿轮

调制式,磁力,径向充磁,齿轮

1.2.2 国内研究概况二十世纪末，国内学者开展了磁力齿轮的研究工作。2000 年，合肥工业大学赵韩教授领导的科研小组对稀土永磁材料的磁力齿轮的设计开发和计算方面进行了研究[57-59]。2001 年，中国科学院和中国医学科学院开展了磁力齿轮在人工心脏中应用的课题研究[60-61]。磁力齿轮在一些领域已有所应用。2005 年起香港大学和上海大学合作，展开磁场调制式磁力齿轮及其应用方面的研究工作。2008 年，上海大学的刘新华博士在文献[62-63]中阐述了磁场调制式磁力齿轮的工作原理，建立了磁力齿轮的有限元场路耦合模型，提出了外转子交替极改进型拓扑结构。2010 年，上海大学的杜世勤博士和江建中教授在文献[64-65]制作了径向充磁的磁场调制式磁力齿轮样机，样机实物图和试验平台如图 1-4(a)和(b)所示，其转矩密度达到 56 kN·m/m3。

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图 1-6 K. T. Chau 教授提出的传动比可变的新型磁力齿轮，东北大学的满永奎教授提出一种新型的永磁—磁阻式磁构示意图如图 1-7(a)和(b)所示。该磁力齿轮的内转子极对数为 50，传动比为 25:1。内转子旋转一个极距，外转子旋转一永磁体的利用率较高，传动比高，传递转矩大，适用于速度场合。

【参考文献】