新型磁齿轮原理及其应用

1、目录l 磁性齿轮（Magnetic Gear）的概念l 磁性齿轮的发展历史l 磁性齿轮的分类和样机l 新型磁齿轮运作的基本原理 l 新型磁齿轮磁场计算分析 l 磁性齿轮（MG）的制造装配过程l 磁性齿轮（MG）的主要参数l 磁性齿轮的主要优/缺点l 磁性齿轮的应用l 对磁性齿轮的总结和展望l 参考文献磁性齿轮的概念l 磁性齿轮由两部分组成：按照各自转轴旋转的径向磁化的圆筒永磁体结构。两部分的永磁体相互耦合，当其中任一个开始转动，另外一个就会受到一个磁力矩的作用，从而转动起来。这种装置可以用于替代机械的齿轮传动，并减小不必要的震动。也可以用于两个分离物体之间的力矩的传动。磁性齿轮的发展历史l 1

2、913年,美国的一个应用专利，描述了一个由凸磁极组成的两轴转动磁齿轮结构。l 1940年，Faus申请的美国专利，描述了一个由不同半径的两个圆碟，在圆碟上装有不同数目的永磁体而形成的两轴转动磁齿轮结构。l 1993年，随着稀土永磁体的发明，不同架构的磁齿轮结构被设计和制造出来。l 1997年，在有限元计算的帮助下，产生了用于磁齿轮的设计和参数分析的一个二维解析计算方法。l 现在，具有高转矩体积密度的新型磁齿轮，越来越引起传动领域工程技术人员的注意。 磁性齿轮的分类和样机l 像齿轮传动一样，永磁齿轮传动分外啮台传动、内啮台传动和齿轮齿条传动。如下图所示，外啮台传动是由一对圆环柱体构成其中每个柱体

3、均被径向多极充磁。两柱体因异性相吸同性相斥原故，当主动轮运动时带动从动轮运动。磁性齿轮的分类和样机l对于内啮台传动如下图所示。磁性齿轮的分类和样机l 齿轮齿条传动中的齿轮与外啮合传动中的齿轮相同，而齿条则是一带状磁体，磁极沿长度方向均布。 磁性齿轮的分类和样机l 永磁齿轮也能很容易地实现交错轴传动，其两轴夹角一般小于45度。磁性齿轮的分类和样机l永磁齿轮传动还有蜗轮磁齿轮、斜磁齿轮传动结构。磁性齿轮的分类和样机l 上述的磁齿轮共同的缺点是传动转矩较小，2004年英国人K.Atallah ,S.D.Calverley and D.Howe从理论和样机的具体实践上完成了一种新型磁齿轮（表面磁钢式）

4、的设计。磁性齿轮的分类和样机l丹麦人Peter Omand Rasmussen等人在英国人的基础上，设计和制造了一个聚磁式内转子的该种新型磁齿轮。新型磁齿轮运作的基本原理l这种新型磁齿轮运作的基本原理在于使用铁磁材料的调磁极片调制两边转子上永磁体产生的磁场，使调制好的磁场具有的谐波与对面转子上的永磁体相互作用，从而达到主动轮带动从动轮运行。新型磁齿轮运作的基本原理l 在铁磁材料的调磁极片没有放入磁齿轮之时，两边转子上永磁体在气隙中的磁密分布都可表达为：l 径向磁密)(cos()(),(0, 5 , 3 , 10mptmprbrBrmrmr(1) 新型磁齿轮运作的基本原理l 在铁磁材料的调磁极片

5、放入磁齿轮之后，假设铁磁材料的调磁极片的调制函数为：l 径向调制函数)(cos()()(),(, 3 , 2, 10tjnrrrssjrjrr(2 )新型磁齿轮运作的基本原理l (1)式和（2）式之中， 是转子上的永磁体的极对数， 是铁磁材料的调磁极片数。 、 分别是永磁体转子和调磁极片的旋转角速度。 是磁密分布的径向富里艾系数，同样， 是调制函数的径向富里艾系数。l 结合（1）式和（2）式，我们就可以得出经过调磁极片调制的气隙磁密：径向磁密的表达式 psnsrrmbrj),(),(),(0rrBrBrrr(3)新型磁齿轮运作的基本原理l (3)式经过运算，可得)()()(cos()()(21

6、)()()(cos()()(21)(cos()()(),(),(),(0, 5 , 3 , 1, 3 , 2, 10, 5 , 3 , 1, 3 , 2, 10, 5 , 3 , 100mptjnmpjnmpjnmprbrmptjnmpjnmpjnmprbrmptmprbrrrBrBsssrsrmmjrjsssrsrmmjrjrmrmrrrr新型磁齿轮的运作的基本原理l 这样的话，不管哪个转子永磁体产生的磁场，从（3）式我们可以得出其磁密分布空间谐波的极对数如下,l 而且可以得出磁密空间谐波的旋转角速度为l 从（4）、（5）两式，我们可以分析磁密的空间谐波分布和旋转角速度，进而得出磁齿轮的速比

7、，作为磁齿轮的设计的理论基础。 ,3,2,1,0,5,3,1,kmknmppskmsssrskmknmpknknmpmp,（4） （5） 新型磁齿轮的运作的基本原理l 为了更加清晰地说明磁齿轮的工作原理，本文在概念上设计了一个具体的磁性齿轮。右表列出了这个磁齿轮的设计参数。 高速转子的极对数2低速转子的极对数21调磁用的铁磁材料的极片数23低速转子铁心轭部的外径mm140低速转子铁心轭部的内径mm125低速转子永磁体的厚度mm6低速区气隙的外径mm113低速区气隙的内径mm111高速区气隙的外径mm95高速区气隙的内径mm93高速转子永磁体的厚度mm7高速转子铁心轭部的外径mm79高速转子铁心

8、轭部的内径mm60气隙的轴向长度mm80永磁体的剩磁BrT1.1新型磁齿轮运作的基本原理l在本算例中 =2，或者 21， =23。 当 =2时，主要的谐波有 次， 次等等；当 =21时，主要的谐波有 次， 次等等。ppp20 , 1p211, 1pp210 , 1psn21, 1p新型磁齿轮运作的基本原理l 从（5）式，我们可以看出，由于调磁极片的引入，即 ，经过调磁极片调制的气隙磁密空间谐波的旋转角速度，是不同于永磁体所在的转子的转动速度的。这样的话，在不同的转速下传递转矩，另一个永磁体转子的的极对数就必须等于 时的一个空间谐波的极对数。正如上面所分析的，2对极的转子的一个空间谐波的极对数为

9、21，正好等于另一个转子上的极对数，反之亦然。 0k0k新型磁齿轮运作的基本原理l 因为 的组合，可以产生除基波之外的幅值最大的空间谐波，那么另一个转子的极对数就必须等于（ ）。l 进而就可以给出这种齿轮的速比，当 ，亦即铁磁材料的调磁极片静止不动时，有 1, 1kmpns0sppnGsr（6） 新型磁齿轮磁场计算分析l 这种新型磁齿轮的研究和应用还处于起步阶段，对其进行气隙磁场计算和分析能提高设计的合理性。磁场计算使用数值解析结合法，具有气隙区域无网格，转子灵活转动的优点。计算所得的磁位结果，可以把整个气隙的磁位表达式写出来，可以方便地进行磁场计算的后处理。而且，对于求解区域里面有多个的圆环

10、域的气隙的情况，也可以一起求出各气隙的磁密分布来，这样就给予我们分析磁齿轮以极大的方便，是磁齿轮计算和设计的一个非常有用的工具。 l 针对上述设计，应用我们自主开发的数值解析结合法进行计算，下面列出该磁齿轮的磁场计算结果，并进行谐波分析。新型磁齿轮磁场计算分析l 传动力矩是永磁齿轮传动机构最重要的性能指标之一，准确计算永磁齿轮传动力矩，是设计、分析永磁齿轮的关键。以下是慢速区永磁体旋转360度电角度，而定子和快速区永磁体保持不动得到的转矩计算结果，其间间隔为6度电角度。 -150-100-50050100150-100-50050100electric angle/deg.torque/Nm高

11、速气隙区转矩低速气隙区转矩新型磁齿轮磁场计算分析l 根据360度电角度内，一个磁动势旋转180度电角度，两个磁动势之间的转矩便会产生一个峰值。那么我们就认定-90度,-102.93Nm(慢速区),9.8Nm(快速区)为最大转矩，即Tmax=102.93Nm。l 对应 位置的磁力线的分布见右图。 新型磁齿轮磁场计算分析l 低速区气隙合成磁密见下左图。低速区的合成气隙磁密对应的空间谐波分析见下右图。 050100150200250300350-2-1.5-1-0.500.511.52mechanical angle/deg.flux density/T02040608010000.20.40.60

12、.811.2pole-pairsflux density/T新型磁齿轮磁场计算分析l 高速区气隙合成磁密见下左图。高速区的合成气隙磁密对应的空间谐波分析见下右图。050100150200250300350-1.5-1-0.500.511.5mechanical angle/deg.flux density/T02040608010000.10.20.30.40.50.6pole-pairsflux density/T新型磁齿轮磁场计算分析l 低速区气隙里，由麦克斯韦应力张量法计算得到的转矩谐波分析见下左图。l 高速区气隙里，由麦克斯韦应力张量法计算得到的转矩谐波分析见下右图 。02040608

13、0100-120-100-80-60-40-200pole-pairstorque/Nm20406080100-10123456789pole-pairstorque/Nm磁性齿轮（MG）的制造装配过程l 各个部分具体的结构示意图。高速转子内轴铁心+2对永磁体 ，外转子（21对永磁体）磁性齿轮（MG）的制造装配过程l调磁铁块 磁性齿轮（MG）的制造装配过程l调磁铁块+内转子 磁性齿轮（MG）的制造装配过程l内转子+调磁铁块+外转子 磁性齿轮（MG）的主要参数l 磁齿轮两个转子之间的耦合关系是以下几个变量的函数： 1。极对数 2。所使用的材料 3。布局部件的形状和配置 4。 尺寸 5。 气隙磁性

14、齿轮的主要优/缺点l除轴承外无摩擦，再加上一些铁心损耗，能量损耗小，效率高；l单位体积对应的转矩密度高，为普通电机的10倍；l由于无机械接触，故无机械摩损，不用润滑，可靠性高，寿命长；l转速比恒定，转速的瞬时稳定度高；l不存在机械接触时产生的震动噪音；l过载时不会损坏减速器，而且在过载时随时切断传动关系，不仅减速器自身不会损坏，还能保护原动机。l缺点：快、慢速转子铁心及其上的永磁体和调磁用定子铁磁极片的铁损耗，将影响其高速运行时的效率。 磁性齿轮的应用l 减小了震动和噪声，有利于舰船（包括潜艇）的动力推进系统。l 减小维护，提高运行的可靠性，有利于全电飞机的飞行和风力发电运行。l 精确的峰值传

15、动转矩，固有的过负载保护能力，能满足制造机床的基本要求。l 输入和输出两轴系统之间没有直接的连接，而是靠磁场力来驱动，对于泵类装置来说，可以防止流动液体对装置的腐蚀。对磁性齿轮的总结和展望l 传统的磁齿轮的一个共同的缺点是永磁体的有效利用不够，工作时只使用了接触的一小部分磁体磁场，因而齿轮的传动转矩体积密度较小。 l 新型磁齿轮采用类似行星齿轮的拓扑结构，有效地利用了永磁体，因而具有较大的传动转矩体积密度。l 将来对于磁齿轮的机械结构设计要加大关注，使其在较长的轴向气隙工作长度时，能有效地运作。l 应用三维有限元计算考虑端部效应的磁场，使磁场计算结果更加精确。l 继续探索其他的传动比，全面优化

16、磁齿轮的结构。l 做好磁齿轮的工程应用方面的工作，边研究边推广。对磁性齿轮的总结和展望l 随着高性能价格比的永磁材料的出现和有关技术人员的努力，它的前景将是十分美好的。发展方向之一就是复合电机。 参考文献l1 K. Atallah and D. Howe, “A novel high-performance magnetic gear,” IEEE Trans. Magn., vol. 37, no. 4, pp. 28442846, Jul. 2001.l2 K. Atallah, Calverley S.D.and D. Howe, “Design, analysis and realis

17、ation of a high performance magnetic gear,” IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 151, No. 2,pp.135-143, Mar.2004l3 Peter Omand Rasmussen, Torben Ole Andersen, Frank T. Jrgensen, and Orla Nielsen, “Development of a High-Performance magnetic gear,” IEEE Trans. Industry Applications., Vol. 41, No. 3, May/June 2005 l4 Shinki Kikuchi, Katsuo Tsurumoto,”Design and Characteristics of A New Magnetic Worm Gear Using Permanent Magnet,” IEEE Transactions on Magnetics, VOL. 29. NO. 6. pp2930-2935, Nov.1993l5 Shinki Kikuchi, Katsuo Tsurumoto,” Trial Constru