（机械制造及其自动化专业论文）高性能同轴式磁力齿轮结构参数设计及其实验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 年月日 指导教师签名： 年月 日 分类号 ud c 密级， 编号， 江藩犬擎 学位论文 高性能同轴式磁力齿轮 结构参数设计及其实验研究 s t u d yo ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd e s i g na n de x p e r i m e n t a l o fah i g hp e r f o r m a n c ec o a x i a lm a g n e t i cg e a r 指导教师杨超墨麴援 姓名芭玉揠 申请学位级别亟专业方向扭煎圭! ! 造壁墓自动丝 论文提交日期2 q ! ! 生月论文答辩日期2 q ! ! 生月旦 学位授予单位和日期 2 0 1 1 年月 答辩委员会主席 评阅人 江苏大学硕士学位论文 摘要 相比于机械齿轮传动，磁力齿轮传动作为磁力传动的一种，具有 隔振、无摩擦、无需润滑以及过载保护等优点；同时，磁力齿轮不仅 能保证准确的传动比，还可以改变输出机构的转速和转向，所以能适 应不同工况条件，因此，无论是从其应用价值，还是从其学术价值来 考虑，磁力齿轮研究都有很好的前景。 本文在较系统地了解高性能同轴式磁力齿轮的发展和研究现状 后，介绍了其运行原理。通过建立二维圆周模型，利用拉普拉斯方程 和泊松公式，对其磁场分布进行了理论分析。分析时，将高性能同轴 式磁力齿轮分为五个区域进行磁场分布计算，并据此进行了理论转矩 公式的推导，结合齿槽转矩理论公式的推导，完成了高性能同轴式磁 力齿轮磁场分布及其转矩的理论计算；为解决高性能磁力齿轮结构参 数的选择问题，运用有限元软件，分别分析了内外气隙长度、齿轮传 动比、内外永磁体厚度及长径比( 磁力齿轮轴长与外磁轭直径之比) 等，确定了高性能磁力齿轮结构参数的较优值；在得到高性能磁力齿 轮结构参数后，利用有限元方法，对其温度场分布进行了分析，得出 其周向和径向的温度大小及其分布情况；为验证转矩传递相关理论分 析的正确性，试制了样机，对其传递性能进行了实验测试，测试结果 对今后磁力齿轮的研究具有一定的参考价值。 关键词：高性能同轴式磁力齿轮；磁场分布；结构参数设计；温度场 分布；实验研究 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o n ，t h em a g n e t i cg e a rh a ss o m ea d v a n t a g e s c o m p a r e dt om e c h a n i c a lg e a r , i n c l u d i n gp h y s i c a li s o l a t i o n ，v i b r a t i o ni s o l a t i o n ，f r i c t i o n r e d u c t i o na n da u t o m a t i co v e r l o a dp r o t e c t i o n ，a n dm a g n e t i cg e a rh a s e x a c tr a t i o b o t h t h es p e e da n dt h ed i r e c t i o no ft h eo u t p u tm e c h a n i s mc a nb ec h a n g e db e c a u s eo f m a g n e t i cg e a rt of i tt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s s o ，t h er e s e a r c h e so nm a g n e t i c g e a rh a v et h eg r e a tp r o s p e c tc o n s i d e r i n gb o t ht h ea p p l i c a t i o nv a l u e a n dt h ea c a d e m i c v a l u e a f t e rk n o w i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dt h er e s e a r c hs t a t u so fm a g n e t i cg e a r , t h e o p e r a t i o np r i n c i p l ew a si n t r o d u c e d b yb u i l d i n g 2 dc i r c l em o d e l ，t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i so fm a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o nw a sc o m p l e t e du s i n gl a p l a c ee q u a t i o na n d p o i s s o ne q u a t i o n t h eh i g hp e r f o r m a n c ec o a x i a lm a g n e t i cg e a rw a ss e p a r a t e di n t o5 p a n s t oc a l c u l a t e m a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o n r e s p e c t i v e l y , a n d t h e nt h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u et h e o r y t o r q u ee q u a t i o n w a sd e r i v e d t h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o na n dt h et h e o r yt o r q u ed e r i v a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c ec o a x i a lm a g n e t i c g e a rw e r ec o m p l e t e dc o m b i n i n gw i t ht h ed e r i v i n go ft h ec o g g i n gt o r q u et h e o r y e q u a t i o n ；t h ef e a s o f t w a r ew a su t i l i z e dt oa n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo nt h et o r q u e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ew i t ht h es p e c i f i cc o n d i t i o n st os o l v et h ep r o b l e mh o wt o c h o o s es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ei n n e ra n do u t e ra i r g a p ，t h et r a n s m i s s i o n r a t i o ，t h ep e r m a n e n tm a g n e tt h i c k n e s sa n dt h ea s p e c tr a t i o ( t h ea x i sl e n g t ht ot h e o u t e r m a g n e t i cy o k ed i a m e t e r ) ，s o ，t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw a sa d v a n c e d ；b a s e do nt h e r e s u l t so ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fh i g hp e r f o r m a n c e c o a x i a lm a g n e t i cg e a rw a sr e s e a r c h e dw i t hf e m ，t h e nt h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o n ， i n c l u d i n gt h ec i r c u m f e r e n t i a la n dt h er a d i a ld i r e c t i o n ，w e r er e c e i v e dc l e a r l y ；i n o r d e r t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h er e l a t e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h et o r q u et r a n s m i s s i o n , as e to fe x p e r i m e n t sw e r ec a r d e d ，a n di ti ss u r et h a tt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s w o u l dh a v es o m er e f e r e n c ev a l u ef o rt h er e s e a r c h e so fh i g hp e r f o r m a n c ec o a x i a l m a g n e t i cg e a r i i i 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 k e yw o r d s ：h i 曲p e r f o r m a n c ec o a x i a lm a g n e t i cg e a r ；m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ； i v s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd e s i g n ；t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 磁力齿轮的发展概况1 1 2 1 传统磁力齿轮的发展1 1 2 2 高性能同轴式磁力齿轮的发展3 1 2 3 其它形式的磁力齿轮一8 1 3 高性能同轴式磁力齿轮的运行原理1 0 1 4 本文研究的关键问题1 3 1 5 本课题主要研究内容1 4 1 6 本章小结1 4 第二章磁力齿轮磁场分布与转矩分析1 6 2 1 磁力齿轮传动形式的确定1 6 2 2 磁力齿轮磁场分布理论分析1 8 2 2 1 磁力齿轮模型的建立1 8 2 2 2 磁力齿轮磁场分布分析2 0 2 3 磁力齿轮转矩分析3 0 2 3 1 电磁转矩的分析3 0 2 3 2 齿槽转矩的分析3 1 2 4 本章小结3 4 第三章磁力齿轮结构参数设计与分析。3 5 3 1 有限元方法及软件简介3 5 3 1 1 有限元方法简介3 5 3 1 2 有限元的发展3 5 3 1 3 电磁场有限元分析方法的发展3 5 3 2 磁力齿轮结构参数有限元分析3 6 3 2 1 基本假设3 6 3 2 2 结构参数有限元分析3 6 3 3 本章小结4 8 第四章磁力齿轮温度场分析4 9 4 1 温度场基本分析方法简介4 9 4 1 1 传热学研究方法简介。4 9 4 1 2 热传递的基本方式4 9 v 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 4 1 3 热分析基本定律5 0 4 2 磁力齿轮温度场理论分析5 1 4 2 1 热分析控制方程5 1 4 2 2 热分析有限元法5 2 4 3 磁力齿轮温度场a n s y s 有限元分析5 3 4 3 1a n s y s 软件简介5 3 4 3 2a n s y s 软件的热分析应用5 3 4 3 3 磁力齿轮温度场有限元模拟分析5 3 4 4 本章小结5 9 第五章高性能同轴式磁力齿轮传动实验研究 5 1 实验装置6 0 5 2 实验内容6 0 5 3 实验结果分析6 2 5 4 本章小结6 5 第六章总结与展望 6 1 全文内容总结6 6 6 2 展望6 7 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的论文及参与研究课题 v i 6 9 7 6 7 7 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 磁力传动是应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，来实现力或转矩( 或 者是功率) 的传递【1 1 。和传统机械传动相比，其传动更加平稳，也可以实现电机的 过载保护功能和多种运动形式的动力传递，同时，由于磁传动部件结构简便，所 以能有效提高设备的工作效率。 虽然有这些优点，但由于磁性材料的限制，磁传动技术的发展经历了一个漫 长的过程，最早用于磁传动部件的为铁氧体磁性材料和铝镍钴磁性材料，主要适 合于小功率的磁传动装置，如小型电动机、扬声器、磁控管、磁辊以及旋转检测 用频率发生器等 z l ，但其所能提供的力矩较小，易退磁和受使用现场工作温度的 影响较大，而且造价和维护费用高，因此，随着磁传动技术的发展，已不能满足 需要，也制约了磁传动技术的进一步发展。到了二十世纪六十年代，n d f e b 永 磁体被研制成功，完成了永磁材料发展史上的一次“质的飞跃 ，目前，已经大 范围应用在光读出头、电动机以及汽车传感器等设备中。 作为磁传动技术典型应用的代表，磁力联轴器的研制解决了输送危险性介质 化工泵的泄漏问题，经过多年的研究发展，己成为一个完整的产业。相比于磁力 联轴器，磁传动技术的另一种应用磁力齿轮发展较晚，但其发展速度较快， 到目前为止，国内外已有大量关于磁力齿轮研究的文章问世。 1 2 磁力齿轮的发展概况 和机械齿轮相比，磁力齿轮的输入与输出之间是非接触性的，所以可以减小 机械噪声和振动，同时也无需润滑；具有确定的峰值转矩，且自身具有过载保护 能力；其永磁体直接安装在转子表面，简化了生产工艺。 1 2 1 传统磁力齿轮的发展 磁力齿轮的概念最早见于2 0 世纪初，1 9 1 3 年美国就有人申请了关于磁力齿 轮的专利 a l ，所提出的电磁力齿轮是由两旋转轴构成，两旋转轴则是由电磁极片 相连接的。到1 9 4 0 年，h t f a u s 发表了一篇专利1 4 1 ，详细说明了包括蜗轮蜗杆 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 在内的各种结构的磁力齿轮。 虽然磁力齿轮有诸多优点，但是长期以来它并没有引起人们太多的关注。造 成这种现象主要有两方面原因：一是由于过去永磁材料的磁性能较差，导致磁力 齿轮的整体性能不够理想；另一个更重要的原因是受传统磁力齿轮拓扑结构限 制，磁力齿轮中永磁体利用率非常低，导致磁力齿轮的转矩密度无法提高1 5 9 1 ， 限制了磁力齿轮的推广应用。图1 1 为典型的传统径向式磁力齿轮结构。 ( a ) 外啮合式结构( b ) 内啮合式结构 图1 1 传统径向式磁力齿轮结构【1 0 l 黛律 赣心 1 9 8 3 年日本住友金属株式会社和美国通用汽车公司分别研制成功第三代稀 土永磁材料( 钕铁硼永磁体) ，这种永磁材料最大磁能积可达5 0 m g o e 。1 9 8 7 年， 日本学者k t s u r u m o t o 和s k i k u c h i 采用稀土永磁材料试制了传动比为3 ：1 和3 3 ：1 的磁力齿轮，包括蜗轮蜗杆齿轮和磁力斜齿轮，其结构如图1 2 所示。 ( a ) 渐开线式结构( b ) 蜗轮蜗杆结构( c 磁力斜齿轮结构 图1 2k t s u m m o t o 和s 1 i k u c l l i 设计的磁力齿轮结构图1 1 1 2 0 0 5 年，澳大利亚学者m h n a g f i a l 和丹麦学者e t j o r g e n s e n 将钕铁硼永磁 材料应用到传统磁力齿轮中，设计了传动比为3 ：1 的径向式外啮合磁力齿轮，其 结构示意图和样机实验平台如图1 3 所示。同年，e t j o r g e n s e n 等对径向式外啮 合磁力齿轮做了系统的二维分析，并设计出传动比为4 ：1 的径向式外啮合磁力齿 2 江苏大学硕士学位论文 轮样机，其结构示意图和样机实验平台如图1 4 所示。根据文献【1 3 】可得，在大、 小齿轮间隔气隙为l1 1 1 1 1 1 情况下，该样机转矩密度为1 7 6k n r n m 3 。可见即使采用 高性能的钕铁硼永磁材料，传统结构磁力齿轮的转矩密度仍然偏低。 - - 图1 3 m h n a 酊a l 设计开发的磁力齿轮结构示意图及样机照片【1 2 l 图1 4 e t j o r g e n s e n 等设计开发的磁力齿轮结构示意图及实验平台【1 3 l 相对来说，传动比为1 ：l 的传统磁力齿轮永磁体利用率较高，因此，国内外 学者对传动比为1 ：1 的啮合式和轴向式磁力齿轮进行了详尽的研究体1 7 1 ，通过大 量二维和三维有限元分析，研究人员对其磁场的模拟以及转矩的解析计算、实验 测定等方面的研究已较深入。目前，也有一些学者对啮合式磁力齿轮做了更进一 步的探究，例如永磁与电磁直齿圆柱混合齿轮的研究等【n 1 。 1 9 9 6 年，台湾学者yd y a o 提出的锥形磁力齿轮机构【1 9 i ，如图1 5 ，该结 构磁力齿轮的输出转矩大小主要取决于其磁极数与相对耦合面积。除此之外， 2 0 0 2 年，韩国学者k y u n g h oh a 等提出了空间交叉轴系传动的磁力齿轮，之后， 上海大学的研究人员对其进行了分析【2 l - 2 2 ，其结构和样机如图1 6 所示。 1 2 2 高性能同轴式磁力齿轮的发展 为克服传统磁力齿轮转矩传递能力的不足，2 0 0 1 年，英国谢菲尔德大学的 3 l - 渤一 妊 、-夕 一 ，- t 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 量 s k e w m l g l e 。 t a i r 卿 ，o d r i v i n ga x i s 图1 5 锥形磁力齿轮结构图【1 9 1 图1 6 空间交叉轴系传动的磁力齿轮结构图1 2 0 1 k a t a l l a h 和d h o w e 两位教授提出了一种新型的高性能同轴式磁力齿轮【2 3 1 ，并 说明了其转矩传递原理，其结构如图1 7 所示。从结构上看磁场调制式磁力齿轮 主要由三部分构成，分别是具有较少磁极的内转子( 高速转子) 和具有较多磁极的 外转子( 低速转子) ，以及一个由高导磁材料( 硅钢片) 和非导磁材料( 高性能尼龙) 交错组成的调磁装置。这种新型磁力齿轮内、外转子为同轴式结构，在转矩传递 过程中所有的永磁体都参与转矩传递，因而能有效提高永磁体的利用率，其转矩 密度可以比传统磁力齿轮高出很多。 图1 7 高性能同轴式磁力齿轮结构图 2 3 1 此后，以d h o w e 教授为首的科研小组对其所提出的新型磁力齿轮进行了更 深一步的研究伫牝6 1 ，文献【2 3 】中，首先对磁力齿轮的运行原理做了分析，然后根 据不同的传动比进行了研究，分析时，磁力齿轮内外永磁体厚度均取6 m m ，外 4 江苏大学硕士学位论文 磁轭直径取1 4 0 m m ，内磁轭直径取7 0 m m ，内外气隙取2 m m ，将传动比分别设 为5 5 ：1 、5 7 5 ：1 和1 1 ：1 ，如图1 8 所示。在分析了三种不同传动比下的内外气隙 磁密波形及转矩传递能力后，得出结论：传动比为5 7 5 ：1 时的转矩传递是最稳定 的，根据分析得出的结论试制了样机，如图1 9 所示。 曼妻 戛 图1 8 三种不同传动比对应的磁力齿轮结构图】图1 9 样机实验平台i 矧 2 0 0 4 年，上海大学黄苏融等学者提出了轴向磁力齿轮机构口7 】，其结构如图 1 1 0 ；2 0 0 5 年，d h o w e 提出线性高性能磁力齿轮结构啪1 ，如图1 1 1 所示，同 时也对轴向磁力齿轮机构做了分析。这两种磁力齿轮和文献 2 3 1 所提出的磁力齿 轮运行原理完全相同，但应用场合有所区别，因为研究前景较大。 定子蛾片永盛体 f 撼，子 图1 1 0 轴向磁力齿轮机构【2 7 l图1 1 1 线性高性能磁力齿轮结构团】 国外的研究者除了d h o w e 教授为首的科研小组外，还有丹麦奥尔堡大学的 po r a s m u s s e n 教授领导的研究小组，该研究小组对d h o w e 提出的新型磁场调 制式磁力齿轮进行了结构改进 2 9 1 ，内转子永磁体采用内置聚磁式拓扑结构，如图 1 1 2 所示，这样可以有效防止粘装式永磁体因内转子的高速转动产生的离心力而 发生脱离，同时，根据相关分析试制了磁力齿轮样机，如图1 1 3 所示，该磁力 齿轮内转子磁极对数为4 ，外转子磁极对数为2 2 ，调磁极片的数量为2 6 ，其传 5 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 动比为5 5 ：l 。文献除对该结构的磁力齿轮进行磁场分析外，还将样机与几种典型 机械齿轮性能进行了对比分析，分析结果表明新型磁力齿轮的多项性能接近甚至 超过了某些机械齿轮，因此具有较好的应用前景。 1 外转子：调磁极片3 职瞒子4 永i 匿体 图1 1 2p o r a s m u s s e n 的磁力齿轮结构图1 2 9 1图1 1 ：3 试验样机图1 2 9 1 另外，德国学者w o l f g a n g h a f l a 领导的研究小组采用积分法对传动比为9 ：1 的新型磁力齿轮进行了计算分析，其模型见图1 1 4 所示，将磁力齿轮的外转子 固定，旋转调磁极片和内转子，其工作原理也是利用调磁极片进行调磁。 低速转子永 戳体 图1 1 4 w o l f g a n g h a f l a 的分析模型图刚 磁力齿轮的应用目前在国内国外都有，在国内，主要是应用在电机方面，具 体的有香港大学电动车辆研究中心和上海大学合作的电动车研究，以及风力发电 设备【3 1 1 。利用新型磁力齿轮低速高转矩的特性，可以将其整合到无刷电机中，再 将这种电机应用于电动机内胎中，这样既可以提高启动平稳性，也可以缩小应用 体积，图1 1 5 ( a ) 茭j 应用于电动车上的永磁直流无刷电机结构图【3 2 】；另一方面， 磁力齿轮反过来也可以进行增速，利用这一特性，香港大学电动车辆研究中心和 6 江苏大学硕士学位论文 上海大学又研制了应用于风力发电的电机p 3 。5 1 ，并得到了应用，图1 1 5 ( b ) 为应 用于风力发电机的永磁直流无刷电机结构图【3 5 】。 ( a ) 应用于电动车的磁力齿轮永磁内轮电机【3 1 ，3 2 】 l 隶蕞俸2 勤齿艳外转子3 止调礞厥片 4 电褪5 鬣力出轮内转子发电机外转子) 6 缝圈 ( b ) 应用于风力发电机的磁力齿轮外转式永磁无刷发电机【3 5 j 图1 1 5 磁力齿轮在电机上的应用 国内的浙江大学和英国克兰菲尔德大学合作，也将磁力齿轮应用到无刷电 机中p 6 3 刀，不过，这种电机使用交流电作为电源，结构的体积更小，永磁体的使 用数量更少。它利用三相交流电的绕组能够产生旋转磁场的特点，将磁力齿轮的 内转子替换成交流电机的线圈绕组，从而可以得到很低的转速，其转速甚至可以 低至1 3 6 r p m 。在一些需要低转速的场合使用可以减少甚至去除减速装置。此外， 香港理工大学也将磁力齿轮应用到电机中【3 8 捌，江苏大学则对如何将磁力齿轮更 好的应用到磁力泵中做了一定程度的研究，目前，也取得了一些成果 4 0 l 。 国外对于高性能磁力齿轮的研究起步较早，除了英国谢菲尔德大学、丹麦奥 尔堡大学和德国斯图加特大学的研究小组外，还有法国的亨利庞加莱大学1 4 、韩 国的延世大学m 1 、埃及的亚历山大大学m 】以及美国的德克萨斯a & m 大学等。 2 0 0 8 年，英国谢菲尔德大学r g 教授提出“p d d ”的概念，即利用磁力齿轮的 过载保护特性，将磁力齿轮应用到伺服系统中，并于2 0 1 0 年试制了样机，如 7 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 图1 1 6 ，简单地说，就是直接将磁力齿轮应用于电机中，实现低速大转矩传动； 延世大学的j s c h o i 等人主要是通过有限元分析，对磁力齿轮中永磁体排布的 情况做了一些研究，研究表明，当永磁体按照h a l b a c h 磁体结构排列时，能够获 得更高的转矩值【4 5 l ；亚历山大大学的a s a k h a l i k 等人将磁力齿轮应用于永磁 齿轮箱中晰】，再将这种永磁齿轮箱代替传统的机械齿轮箱，用于石油的开采工作， 其分析结构图如图1 1 7 ；德克萨斯a & m 大学的n w f r a n k 等人则将磁力齿轮 用于海洋推进设备系统中 4 7 , 4 8 1 ；另外，美国的w j m c d o n a l d 等人将磁力齿轮应 用于钻井平台上，并申请了发明专利 4 9 1 。 图1 1 6图1 1 7 图1 1 6 磁力齿轮应用于伺服系统l 图1 1 7 a s 八k h a l i k 提出的磁力齿轮箱结构图1 4 6 1 1 输入轴2 输出轴3 齿轮14 齿轮25 轴承座6 壳7 滚针轴承 1 2 3 其它形式的磁力齿轮 除了传统磁力齿轮和以上介绍的新型高性能磁力齿轮以外，还有其他形式的 磁力齿轮，包括谐波磁力齿轮、摆线磁力齿轮、高性能行星磁力齿轮以及高速磁 力齿轮。下面对这四种形式的齿轮都做一个介绍。 2 0 0 7 年，谢菲尔德大学的j r e n s 等人开发出谐波磁力齿轮1 5 0 1 ，并对其进行 了相关研究5 1 1 。和传统的机械谐波齿轮相比，磁力谐波齿轮用永磁体代替了齿牙， 其三维结构见图1 1 8 。由分析可知，磁力谐波齿轮可以和机械谐波齿轮一样实现 很大的传动比，其对于永磁体的利用率也较高，所以该磁力谐波齿轮同样也可以 得到很高的传动转矩，其有效体积的转矩密度可以达到1 1 0k n m 3 。 2 0 0 8 年，丹麦et j c r g e n s e n 等人提出一种基于摆线齿轮原理的新型摆线磁 力齿轮结构，如图1 1 9 s 2 1 ，其中包括三个部分，a 为输出轴，b 和c 分别是内 8 江苏大学硕士学位论文 0固 3 a 钟 1 定予2 轴承3 高速转子4 低速转子 图1 1 8 磁力谐波齿轮三维结构图 5 1 l 转子和外转子。同磁力谐波齿轮类似，摆线磁力齿轮也是用永磁体代替了传统的 机械齿牙。但是摆线齿轮是按摆线原理研制而成的，所以其传动比变化比较大， 若外转子齿数为4 4 ，内转子齿数为4 2 ，则图1 1 9 ( a ) 、( b ) 和( c ) 中的传动比分别为 2 2 ：1 、2 2 ：2 1 、2 2 ：1 ，由此可以看出，图1 1 9 ( a ) 和( c ) 的传动比数值上是相等的， 只是方向不一致，但由于图1 1 9 ( c ) 中的外转子是固定的，所以整体性比较好，因 而可应用的场合也比较多。 p 嘞矽 。，鼍 褫。 ( b ) 图1 1 9 摆线齿轮原理图【5 2 l 2 0 0 8 年，台湾成功大学的c c h u a n g ，英国格拉斯哥大学的d gd o r r e l l 以 及台湾虎尾科技大学的b j l i n 等人联合对磁力行星齿轮进行了理论分析与实 验研究5 3 1 。磁力齿轮的传动原理与传统磁力齿轮的传动原理类似，只是将行星齿 轮的齿牙替换成永磁体，其结构如图1 2 0 所示。由于磁力行星齿轮的每一个轮 上至少有两对永磁体对转矩的传递起到作用，所以相对与传统的磁力齿轮，永磁 体的利用率更高，传动性能有所增强。 2 0 0 7 年，中国东北大学的满永奎等人提出一种新型磁力齿轮变速器f 5 4 j ，它 包括内转子、外转子和定子，径向同心、相嵌式套装，内转子与外转子、外转子 9 n ，糍 ；l 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 4 1 磁力行星轮二蠢力太阳轮3 ，表磁唪4 护铁5 勤齿6 行星来 图1 2 0 磁力行星齿轮结构图及其样机图 5 3 j 与定子之间留有间隙的非接触式结构；内转子上具有至少一副成对设置的、永磁 体材料的内转子磁极；外转子位于中层，具有成对均匀分布的、梳齿结构的、由 铁磁材料构成的外转子磁极；定子位于外层，具有连续的梳齿，采用铁磁材料； 内、外转子磁极与定子梳齿位于同一平面上，其结构图见图1 2 1 。满永奎等人根 据研制原理做了深入的说明。 1 内转子2 外转子3 定子 图1 2 1 新型磁力齿轮变速器结构图嘲 1 3 高性能同轴式磁力齿轮的运行原理 根据文献【2 3 】，磁场调制式磁力齿轮的基本工作原理是：具有p 对永磁磁极 的转子以速度q 旋转时，永磁体所产生的磁场经过静止的调磁极片( 假定调磁极 片调磁极片数为仇) 调制后，在气隙中形成一空间分布磁场，该磁场在半径为， 空间角度为汐处的磁感应强度径向分量b r ( r ，秒) 可表示为伫3 1 1 0 一 江苏大学硕士学位论文 - _ 一一 耳( ，印2 l 。互k p ) c o s ( m p ( 9 一q ，) + m p s o ) l l4 。( ，) + 乃( ，) c 。s ( 以秒) 1 ( 1 1 ) 一1 3 5 ， l户五。一7 、。7 j 其中，k 为没有调磁极片时气隙磁场磁感应强度径向分量傅立叶系数；f 为时间 变量；岛为初始空间相位角；a r 。为调磁极片磁导平均值：厶为引入调磁极片后， 调磁极片对磁场径向分量调制函数的傅立叶分解系数；聊、表示止整数；p 、q 、 刀。等参数意义如前所述，相关参数可参见图12 2 。 图1 2 2 高性能同轴式磁力齿轮的参数图 通过变换，i i 戈( 1 1 ) 可以写成如下形式【2 3 1 b ，( ，秒) = 以。( 厂) ( ，) c o s ( m p ( o 一 2t ) + m p o o ) + 言车。五町( ，) 6 ，。( ，) c 。s i ( r a p + i n s ) f 咿一丝业f ”1 ，3 ，5 ，户1 2 ，3 lkm p + n 。 + 专暑三a 町( ，) ( r ) c o s i ( m p 一加，) 卜一丝学f ”1 3 ，5 产l ，2 3 2 ， i 、lm p j n ， + + ( 1 2 ) 从谐波分析的角度看，式( 1 2 ) 中余弦函数内空间角度秒的系数表征的是谐波 次数。综合式( 1 2 ) 中空间角度秒的系数，该气隙磁场所包含的各次谐波磁场次数 可统一表示为郾l 成。t = j 叩+ 饥j 肌= 1 , 3 ，5 ，o o ( 1 3 ) k = o ，1 2 ，+ - 3 ，“， 同理从谐波分析的角度看，式( 2 ) 中余弦函数内时间变量t 的系数表征的是谐 巩 绋 矾 峨 叩 仰 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 波磁场对应的旋转速度。综合式( 1 2 ) 中时间变量t 的系数，该气隙磁场所包含的 各次谐波磁场对应旋转速度可统一表示为l 2 赤q m = l 3 ，5 ，0 0 ( 1 4 ) k = 0 ，1 ，2 ，3 ，0 0 综合式( 1 3 ) 和式( 1 4 ) ，根据旋转速度的不同，可以将气隙谐波磁场分为两大 类，一类是没有调磁极片时，即k = o 时所对应的谐波磁场，其特点是谐波磁场转 速与转子转速q 相同，可以将这些谐波磁场称为基本谐波磁场；另一类是由于 调磁极片的引入，也就是k 0 时所对应的谐波磁场，其特点是谐波磁场的转速 与转子转速q 不同，可以将这些谐波磁场称为调制谐波磁场。 根据文献【2 3 】，在所有调制谐波磁场中，m = l k = - 1 的组合所对应的异一。次 调制谐波磁场幅值最大。具体讲只一，次谐波磁场的次数及对应转速为】 置一。= i p - n s l = 去q 0 5 这里应注意，p 表不谐波级数，p 代表磁极对数，两者慈义不i 司。 根据机电能量转换定律，两个磁场要进行稳定的能量传递，这两个磁场的磁 极对数必须相同侈6 l 。因此在磁场调制式磁力齿轮中，总是将另外一个转子磁极对 数取为i p - n 。i 对。这样磁场调制作用产生只，一。次调制谐波磁场与另外一个转子主 磁场相互作用就会产生同步转矩。由于日一。次调制谐波磁场的旋转速度为 上g ，因此在此同步转矩作用下，另外一个转子也以同步转速上q 旋转， p r l sp h s 这样就实现了一个转子以速度g 旋转，而另外一个转子以速度上g 旋转的 p n s 转速变比功能，因此磁力齿轮的传动比可表示为 ：z 3 1 1 2 江苏大学硕士学位论文 铲南2 了p - - n s f pnl p l p 一亿 ( 1 6 ) 应该注意到，磁场调制式磁力齿轮中气隙磁场谐波含量丰富，除上述曰一，次 调制谐波磁场与另一转子主磁场相互作用产生的转矩外，各次谐波磁场与另一转 子磁场相互作用也会产生转矩。但是由于其余各次谐波磁场幅值相对较小，因此 这些转矩对平均转矩的影响较小。 1 4 本文研究的关键问题 到目前为止，对磁力齿轮的研究可以概括为以下几个方面： 1 、磁力齿轮运行原理研究； 劲磁力齿轮运行性能的实验研究； 3 ) 磁力齿轮磁场的分布研究； 4 ) 磁力齿轮应用研究。 随着有限元技术的发展，磁力齿轮的磁场有限元研究取得了一定的进展，对 于特定结构参数下磁力齿轮的转矩研究也比较深入，但有的问题仍然没有得到解 决，比如磁力齿轮的参数优化以及磁力齿轮的温度场分布等问题。 一方面，如何合理选取磁力齿轮的结构参数值。据所查的国内外的资料来看， 在模拟之前或是在对样机进行试验之前，都没有给出模型构建时所选参数的原因 是什么，所以，本文觉得应该通过有限元方法对磁力齿轮结构参数的合理选取进 行比较详细的分析，这样，在构建模型和试制样机时会有理论依据作为参考。 另一方面，由于内外转子的转动，根据电磁感应原理，当调磁极片处于变化 的磁场中时，因硅钢片切割磁感线，将不可避免的产生涡流，涡流效应一方面会 减弱原来的永磁体磁场，降低传递转矩；另一方面将产生涡流损耗，并以焦耳热 的形式释放，造成一定的功率损失，降低传动效率，并致使磁力齿轮的工作环境 升高。温度对永磁材料性能的影响很大，永磁材料的磁性能随温度的升高而降低， 当永磁材料的工作温度高于居里温度时，会出现完全退磁现象。通常用于磁力齿 轮中的永磁材料的工作温度并不高，烧结钕铁硼永磁材料一般只能在不到1 0 0 。c 的温度下工作，而高矫顽力系列的工作温度也不能超过1 5 0 ，适用于2 0 0 以 1 3 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 上的就更少1 5 7 1 。当磁力齿轮中调磁极片的温度过高时，会使得内外永磁体的温度 上升，若永磁体温度过高，必然会带来磁性的降低，进而导致传动性能的下降， 所以，对高性能同轴式磁力齿轮的温度场进行研究是必要的。 1 5 本课题主要研究内容 本文对高性能同轴式磁力齿轮的研究主要包括以下几个方面 ( 1 ) 高性能同轴式磁力齿轮中磁场分布分析 在对磁力齿轮的磁场进行分析时，由于三维磁场分析的复杂性和不确定性， 加上磁力齿轮永磁体数目较多，使得对于其的三维分析就更加困难，因而，本文 在进行磁场分布分析时，将其三维磁场简化成了二维磁场。利用拉普拉斯公式和 泊松方程，推导出其二维磁场的分布。 ( 2 ) 高性能同轴式磁力齿轮的结构参数变化对其性能的影响 高性能同轴式磁力齿轮的结构参数包括内外永磁体和内外转子形成的内外 气隙、内外永磁体的厚度、调磁极片的厚度及宽度、内外磁极对数( 本文中以传 动比的形式表示) 以及磁力齿轮的轴向长度与径向长度的比值( 本文以长径比表 示) 等。利用有限元分析软件a n s o f t 对各个参数进行分析，得出在其它条件不 变的情况下各个参数对转矩传递性能的影响，这对于磁力齿轮结构的性能分析具 有重要作用。 ( 3 ) 高性能同轴式磁力齿轮的温度场分布分析 因为永磁材料的磁性能随着温度的变化而变化，导致高性能同轴式磁力齿轮 的转矩传递性能也会受温度的影响。本文在a n s y s 有限元分析软件中建立温度 场分析二维有限元模型，通过边界条件的加载、有限元分析计算和后处理，得出 高性能同轴式磁力齿轮温度大小，温度场分布及其变化规律，并对造成其温度变 化的原因进行分析，为高性能同轴式磁力齿轮的性能优化提供理论依据。 1 6 本章小结 本章介绍了传统磁力齿轮、新型磁力齿轮以及其他形式的磁力齿轮的发展和 现状，并对高性能同轴式磁力齿轮的运行原理做了阐明。 针对高性能同轴式磁力齿轮的磁场分布理论分析、结构参数的合理选取和温 度场分布方面研究较少的问题，本文选择这三个方面作为主要的研究内容，并试 1 4 江苏大学硕士学位论文 制了试验样机进行实验验证。这些研究能够为今后高性能同轴式磁力齿轮的设计 提供参考。 本文研究内容得到以下基金资助： 国家自然科学基金：非接触式磁感应磁力传动的设计方法与实验 研究。基金号：5 1 0 7 5 1 8 9 。 高性能同轴式磁力齿轮结构优化设计及其实验研究 第二章磁力齿轮磁场分布与转矩分析 高性能同轴式磁力齿轮的理论分析计算包括磁力齿轮磁场分布分析与计算、 磁力齿轮转矩分析与计算等，在进行理论分析与计算之前，需要先对磁力齿轮的 传动形式进行分析。 2 1 磁力齿轮传动形式的确定 由文献【2 3 】可知，磁力齿轮主要是由三部分组成的，分别是内转子、外转子 和调磁极片，三者可以发生相对运动，根据磁力齿轮的运行原理，可以求得经调 磁极片调磁后的磁密谐波转速表达式伫3 1 q 广面m 十p 帆+ ：警q ( 2 1 ) 经研究，当取m = 1 , k = 一1 时，空间磁密谐波的能量最大，若将m 和k 的值 代入式( 2 1 ) ，可以得到经调磁后的磁密谐波的转速值为l q 。一，= j l g 一上l q = l q j l q ( 2 2 ) p h sp l l sl i s ph s p 式( 2 2 ) 中，p 表示磁极对数；他表示调磁极片的数量：q 一。表示历= 1 七= - 1 时 从动转子的旋转转速；q 表示调磁极片的旋转转速；g 表示主动转子的旋转转 速。 由式( 2 2 ) 可以看出，磁力齿轮的其中一个永磁转子和调磁极片的转速均会 影响到另一个永磁转子的转速，如果固定其中一个转子使之作