基于等效磁阻网络法的同轴磁场调制式磁齿轮的建模与优化

发布时间：2020-10-27 02:33

　　 随着永磁材料和各种拓扑的兴起,磁齿轮凭借无机械接触式的转矩传输方式,开始在工业传动领域占有一席之地。磁齿轮的迅速发展需要一种快速并准确的分析工具来优化其设计并使这种新技术实现商业化。本文以同轴磁场调制式磁齿轮作为研究对象,改进了一种应用于该种磁齿轮的二维等效磁阻网络模型。磁阻网络模型是一种使用可调集总参数系统来等效表示磁网络中的磁场分布的分析工具,可通过模型计算实现对磁齿轮内部磁场的精确分析,这种方法的特点是计算速度快并且结果较为准确。由于不考虑磁饱和,在实际的设计中可实现磁网络模型的线性简化,在不牺牲转矩预测精度的前提下可极大的缩短运行仿真的时间,以二维等效磁阻网络模型为基础,研究了永磁体和调磁环圆心角对平均转矩的影响,本文将磁阻网络模型与多元宇宙算法相结合,提出了一种高效的磁齿轮优化方法,获得最大转矩的设计参数并通过对比分析验证了所提出优化方法的准确性。通过查阅相关文献资料,初步确定了同轴磁场调制式磁齿轮的关键设计参数,包括内外转子极对数,调磁环极块数量等。介绍了同轴磁场调制式磁齿轮的拓扑结构和基本工作原理,对磁齿轮内外气隙的磁场做了解析并推导出磁齿轮的转矩表达式。在MATLAB编程环境下,建立了同轴磁场调制式磁齿轮的磁网络数学模型。对系统磁网络中的磁阻元件和等效磁通源元件的计算方法以及磁网络模型的矩阵形式做了详细阐述说明。随后将得到的矩阵模型进行求解并得到磁齿轮中磁场的分布。基于线性前提,对等效磁阻网络模型做了适当简化,消除了串联磁阻之间的节点,仿真时间大为削减,通过将磁阻网络模型的转矩和气隙磁通密度预测与非线性有限元分析的结果进行比较,验证了简化模型的准确性。将简化模型作为基础,通过参数扫描法研究了气隙厚度,转子永磁体厚度、调磁环厚度以及内外转子永磁体和调磁环极块圆心角对磁齿轮平均转矩的影响,并给出了合理的设计范围。文章最后将磁网络模型与多元宇宙算法结合,得到了一种收敛快速,计算准确的新型磁齿轮优化方法,此方法可同时对多个参数进行全局优化,整体优化时间较短并且具有较高的准确性,可应用于工程实际中的设计参数初选。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH132.41
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
        1.1.1 磁齿轮在风力涡轮机中的应用
        1.1.2 全球风力发电的发展前景
        1.1.3 传统机械齿轮存在的问题
    1.2 国内外磁齿轮研究现状
        1.2.1 国外磁齿轮的发展过程
        1.2.2 关于2017年IEEE网站磁齿轮文献的统计
    1.3 国内磁齿轮研究现状
    1.4 等效磁阻网络法的研究现状
    1.5 本文研究的主要内容
第二章 同轴磁场调制式磁齿轮的结构与工作原理
    2.1 同轴磁场调制式磁齿轮的基本结构
    2.2 同轴磁场调制式磁齿轮的基本工作原理
        2.2.1 基本方程以及运行模式
        2.2.2 气隙磁场解析表达式及转矩表达式
    2.3 本章小结
第三章 等效磁阻网络模型基本原理与建模过程
    3.1 磁网络网格剖分规则
        3.1.1 径向剖分和切向剖分
        3.1.2 网格单元和单元节点
        3.1.3 线性等效磁阻的计算
        3.1.4 非线性等效磁阻计算
        3.1.5 等效恒定磁通源计算
    3.2 磁网络模型的矩阵形式
        3.2.1 同轴磁场调制式磁齿轮的整体物理模型
        3.2.2 节点磁势法
        3.2.3 气隙磁密以及转矩求解
    3.3 磁网络建模结果的验证
        3.3.1 同轴磁场调制式磁齿轮二维有限元对比模型的建立
        3.3.2 有限元与磁网络法仿真结果对比
    3.4 本章小结
第四章 同轴磁场调制式磁齿轮磁网络模型的简化与变换
    4.1 初始磁网络物理模型的简化
        4.1.1 初始磁网络物理模型的简化过程
        4.1.2 同轴磁场调制式磁齿轮的几何对称分析
        4.1.3 磁齿轮磁网络法的动态建模及简化过程
    4.2 磁齿轮最大静态转矩特性仿真分析
    4.3 本章小结
第五章 磁网络模型参数对磁齿轮转矩特性影响
    5.1 调磁环径向厚度的影响
    5.2 内外转子磁轭径向长度变化对转矩特性的影响
    5.3 气隙厚度对转矩特性的影响
    5.4 永磁体厚度对转矩特性的影响
    5.5 内外转子永磁体以及调磁环极块圆心角参数组合优化
    5.6 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

【参考文献】

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本文编号：2857893