机电集成超环面传动磁场研究

论文摘要

机电集成超环面传动是以超环面行星蜗杆传动为基础,集机械、电磁、控制于一体的新型复合传动。该传动通过磁场间的耦合作用实现运动和动力的传递与输出。因此,对机电集成超环面传动磁性驱动机理及相关问题开展研究具有重要的理论意义与实用价值。本文从磁性啮合原理、磁性驱动机理、构件磁场计算及磁场耦合作用、原理样机的设计与实验等方面对机电集成超环面传动进行了深入系统的研究。以电磁学理论为基础,分标量磁位和矢量磁位给出了磁场计算的基本公式,给出了三种坐标系下磁场计算表达式。以超环面行星蜗杆传动为基础,结合磁场啮合的特点,分析了机电集成超环面传动的磁性啮合原理,给出了各构件间的啮合运动关系,分单齿啮合和多齿啮合两种情况推导出了机电集成超环面传动的正确啮合条件及正确啮合条件下啮合齿数的计算公式;分析了该传动的受力情况,给出了各构件独立的磁回路及其啮合时的整体磁回路,为磁场的计算奠定了理论基础。建立了机电集成超环面传动蜗杆单相及三相交流电磁场的计算模型,推导出单相螺旋通电导线在空间产生磁场的计算公式,利用叠加原理得到蜗杆整体磁场的空间分布计算表达式,完成了机电集成超环面传动蜗杆电磁场的分析计算,给出了蜗杆电磁场在不同坐标系下的分解结果,并利用公式对蜗杆线圈的电磁场进行了计算,揭示了蜗杆电磁场空间的分布规律。以永磁理论为基础,完成了机电集成超环面传动行星轮轮齿磁场及行星轮整体磁场的分析计算,建立了圆柱永磁齿磁场分布的计算模型,推导出圆柱永磁齿磁场在空间分布计算公式,给出永磁齿坐标系和行星轮整体坐标系之间的转换矩阵,利用坐标变换原理得到了行星轮整体磁场的计算公式,对永磁齿轴线和不同轴截面上磁场分布进行了分析计算,得到行星轮磁场空间的分布规律,并通过有限元软件的模拟,验证了推导结果的正确性。利用有限元方法对机电集成超环面传动定子永磁体螺旋齿的磁场进行了分析计算,建立了定子的有限元模型,从稳定磁场的偏微分方程出发,利用变分原理推导出恒定磁场相应的条件变分问题,对机电集成超环面传动定子永磁体螺旋齿有限元计算中的关键问题进行了详细分析,并利用有限元软件对定子整体磁场和局部磁场进行了计算,得到机电集成超环面传动定子永磁体螺旋齿磁场的分布规律。建立了机电集成超环面传动定子与行星轮、蜗杆与行星轮磁性耦合的力学模型,给出了行星轮轮齿永磁体的等效电流模型,推导出定子磁场与行星轮磁场、蜗杆电磁场与行星轮磁场相互耦合的磁场力计算公式,得出机电集成超环面传动输出转矩的计算公式,并利用公式对该传动的输出转矩进行了计算,分析了输出转矩的影响因素及影响规律,为该传动的承载能力设计奠定了基础。完成了机电集成超环面传动原理样机的设计和原理性实验,实验结果验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 磁场的数值计算方法
• 1.4 研究目的和主要内容
• 第2章 机电集成超环面传动基本原理
• 2.1 机电集成超环面传动的磁场理论基础
• 2.1.1 磁感应强度和磁场强度
• 2.1.2 安培环路定律
• 2.1.3 磁通连续性定律
• 2.1.4 标量磁位和向量磁位
• 2.1.5 磁场的边界条件
• 2.1.6 磁场能量
• 2.1.7 磁性材料
• 2.2 机电集成超环面传动原理
• 2.2.1 基本原理
• 2.2.2 啮合分析
• 2.2.3 受力分析
• 2.2.4 磁路分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 机电集成超环面传动蜗杆电磁场研究
• 3.1 蜗杆的结构
• 3.2 旋转磁场的产生
• 3.2.1 单相交流电的磁势
• 3.2.2 线圈组的磁势
• 3.2.3 三相绕组的旋转磁势
• 3.3 机电集成超环面传动蜗杆磁场的计算
• 3.3.1 电枢齿槽的方程
• 3.3.2 单相电枢产生的磁场
• 3.3.3 三相电枢产生的磁场
• 3.3.4 磁场的分解
• 3.3.5 蜗杆的螺旋磁场
• 3.3.6 结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 机电集成超环面传动行星轮磁场研究
• 4.1 行星轮的结构
• 4.2 行星轮永磁齿磁场的计算
• 4.2.1 单个行星轮齿的磁场计算
• 4.2.2 行星轮坐标系的设定
• 4.2.3 行星轮整体磁场的计算
• 4.3 结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 机电集成超环面传动定子磁场的有限元分析
• 5.1 永磁体的简化物理模型
• 5.2 磁场的有限元分析基本理论
• 5.2.1 磁场问题的变分表述
• 5.2.2 单元的划分和插值函数
• 5.2.3 条件变分问题的离散化
• 5.3 永磁体的有限元计算
• 5.3.1 区域的剖分
• 5.3.2 单元分析
• 5.3.3 总体合成
• 5.3.4 第一类边界条件的处理
• 5.3.5 结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 机电集成超环面传动输出转矩研究
• 6.1 机电集成超环面传动的驱动原理
• 6.2 行星轮永磁齿的等效电流模型
• 6.3 行星轮磁场力的计算
• 6.4 机电集成超环面传动输出转矩计算
• 6.5 结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 机电集成超环面传动的原理实验
• 7.1 原理样机的设计
• 7.1.1 设计思想
• 7.1.2 设计参数
• 7.2 实验
• 7.2.1 实验过程
• 7.2.2 结果及分析
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介