论文摘要
磁性齿轮依靠磁场作用传递转矩,其输入与输出之间非接触性传递的特点使得它在特定场合较机械齿轮具有特殊的优势。但是传统结构磁性齿轮转矩密度低,限制了磁性齿轮的推广应用。新型磁场调制式磁性齿轮内外转子采用同心式结构,有效提高了永磁体的利用率,其转矩密度较传统结构有了较大的提高,因此具有较好的应用前景。本文围绕这种新型磁场调制式磁性齿轮展开研究,具体做了以下几方面的工作:第一,采用解析法和二维有限元法对磁场调制式磁性齿轮的工作原理进行了详细分析,特别是对调磁环在这种新型磁性齿轮中的作用进行了重点研究,突出了调磁环所起到的磁场调制作用;在对新型磁性齿轮的转矩脉动问题进行分析研究的基础上,设计制造了一台传动比为7.33:1的新型磁性齿轮;并对磁性齿轮的两个重要特性——即静态转矩特性和稳态运行转矩特性进行了有限元计算分析。第二,根据国外文献资料,其所开发新型磁性齿轮样机实测最大转矩与二维有限元计算结果存在较大差异。本文在详细介绍基于标量磁位的三维有限元方法的基础上,编制了三维有限元程序,并将该程序成功地应用到新型磁性齿轮的分析之中,研究了新型磁性齿轮端部效应对计算静态转矩特性的影响。通过对二维有限元、三维有限元不考虑端部效应、三维有限元考虑端部效应计算结果以及实验结果的对比分析,表明新型磁性齿轮的端部效应非常明显,准确的静态转矩计算必须采用三维有限元进行。同时由于本文采用了标量磁位法,使得三维有限元计算时间大大减少,为采用三维有限元法进行新型磁性齿轮参数优化设计奠定了基础。第三,磁性齿轮中铁损耗是其主要损耗,本文以有限元为辅助工具,对新型磁性齿轮的铁损耗问题进行了详细分析,指出了降低铁损耗,提高传动效率的设计准则。根据新型磁性齿轮的工作原理,要实现一定范围内的传动比,其内转子磁极对数有多种选取方案。本文从优化设计的角度出发,对比分析了不同磁极对数对磁性齿轮性能的影响,并在此基础上指出了新型磁性齿轮内转子磁极对数选取原则。第四,从提高磁性齿轮机械可靠性的角度出发,提出了一种外转子改进型拓扑结构,并申请了专利。利用三维有限元程序对该结构进行了参数优化设计,研究了4个主要设计参数对磁性齿轮性能的影响情况,并在此基础上制造了样机。实验结果表明,该样机转矩密度和传递效率均较高,具有推广应用的价值。第五,目前磁性齿轮的研究基本上都是关于其静态特性的研究。磁性齿轮不具有自起动能力,其运转是依靠外部装置驱动运行的,要进行比较完善的磁性齿轮动态性能研究,就必须建立起其外部驱动装置与磁性齿轮的联合仿真模型。本文以时步法为基础,建立起了电机配磁性齿轮传递系统的有限元联合仿真模型,解决了联合仿真模型中具有3条运动边界的问题,编制了控制联合仿真模型运行的主控程序。搭建了电机配磁性齿轮传动系统联合仿真平台,并进行了仿真研究。仿真结果表明本文所建立的联合仿真模型的正确性。该联合仿真模型的成功建立,为深入研究磁性齿轮动态性能提供了可能,同时也为实现两个有限元模型进行联合仿真提供了一次成功的范例。