新型磁齒輪原理及其應用

新型磁齒輪原理及其應用第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的概念磁性齒輪由兩部分組成：按照各自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的徑向磁化的圓筒永磁體結構。兩部分的永磁體相互耦合，當其中任一個開始轉(zhuǎn)動，另外一個就會受到一個磁力矩的作用，從而轉(zhuǎn)動起來。這種裝置可以用于替代機械的齒輪傳動，并減小不必要的震動。也可以用于兩個分離物體之間的力矩的傳動。第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的發(fā)展歷史1913年,美國的一個應用專利，描述了一個由凸磁極組成的兩軸轉(zhuǎn)動磁齒輪結構。1940年，F(xiàn)aus申請的美國專利，描述了一個由不同半徑的兩個圓碟，在圓碟上裝有不同數(shù)目的永磁體而形成的兩軸轉(zhuǎn)動磁齒輪結構。1993年，隨著稀土永磁體的發(fā)明，不同架構的磁齒輪結構被設計和制造出來。1997年，在有限元計算的幫助下，產(chǎn)生了用于磁齒輪的設計和參數(shù)分析的一個二維解析計算方法?，F(xiàn)在，具有高轉(zhuǎn)矩體積密度的新型磁齒輪，越來越引起傳動領域工程技術人員的注意。第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的分類和樣機

像齒輪傳動一樣，永磁齒輪傳動分外嚙臺傳動、內(nèi)嚙臺傳動和齒輪齒條傳動。如下圖所示，外嚙臺傳動是由一對圓環(huán)柱體構成．其中每個柱體均被徑向多極充磁。兩柱體因異性相吸．同性相斥原故，當主動輪運動時．帶動從動輪運動。第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的分類和樣機對于內(nèi)嚙臺傳動．如下圖所示。第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的分類和樣機

齒輪齒條傳動中的齒輪與外嚙合傳動中的齒輪相同，而齒條則是一帶狀磁體，磁極沿長度方向均布。

第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的分類和樣機永磁齒輪也能很容易地實現(xiàn)交錯軸傳動，其兩軸夾角一般小于45度。第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的分類和樣機永磁齒輪傳動還有蝸輪磁齒輪、斜磁齒輪傳動結構。第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的分類和樣機上述的磁齒輪共同的缺點是傳動轉(zhuǎn)矩較小，2004年英國人K.Atallah,S.D.CalverleyandD.Howe從理論和樣機的具體實踐上完成了一種新型磁齒輪（表面磁鋼式）的設計。第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的分類和樣機丹麥人PeterOmandRasmussen等人在英國人的基礎上，設計和制造了一個聚磁式內(nèi)轉(zhuǎn)子的該種新型磁齒輪。第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理這種新型磁齒輪運作的基本原理在于使用鐵磁材料的調(diào)磁極片調(diào)制兩邊轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的磁場，使調(diào)制好的磁場具有的諧波與對面轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，從而達到主動輪帶動從動輪運行。第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理在鐵磁材料的調(diào)磁極片沒有放入磁齒輪之時，兩邊轉(zhuǎn)子上永磁體在氣隙中的磁密分布都可表達為：徑向磁密(1)第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理在鐵磁材料的調(diào)磁極片放入磁齒輪之后，假設鐵磁材料的調(diào)磁極片的調(diào)制函數(shù)為：徑向調(diào)制函數(shù)(2)第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理(1)式和（2）式之中，是轉(zhuǎn)子上的永磁體的極對數(shù)，是鐵磁材料的調(diào)磁極片數(shù)。、分別是永磁體轉(zhuǎn)子和調(diào)磁極片的旋轉(zhuǎn)角速度。是磁密分布的徑向富里艾系數(shù)，同樣，是調(diào)制函數(shù)的徑向富里艾系數(shù)。結合（1）式和（2）式，我們就可以得出經(jīng)過調(diào)磁極片調(diào)制的氣隙磁密：徑向磁密的表達式

(3)第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理(3)式經(jīng)過運算，可得第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪的運作的基本原理這樣的話，不管哪個轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場，從（3）式我們可以得出其磁密分布空間諧波的極對數(shù)如下,而且可以得出磁密空間諧波的旋轉(zhuǎn)角速度為從（4）、（5）兩式，我們可以分析磁密的空間諧波分布和旋轉(zhuǎn)角速度，進而得出磁齒輪的速比，作為磁齒輪的設計的理論基礎。

（4）（5）第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪的運作的基本原理為了更加清晰地說明磁齒輪的工作原理，本文在概念上設計了一個具體的磁性齒輪。右表列出了這個磁齒輪的設計參數(shù)。高速轉(zhuǎn)子的極對數(shù)2低速轉(zhuǎn)子的極對數(shù)21調(diào)磁用的鐵磁材料的極片數(shù)23低速轉(zhuǎn)子鐵心軛部的外徑[mm]140低速轉(zhuǎn)子鐵心軛部的內(nèi)徑[mm]125低速轉(zhuǎn)子永磁體的厚度[mm]6低速區(qū)氣隙的外徑[mm]113低速區(qū)氣隙的內(nèi)徑[mm]111高速區(qū)氣隙的外徑[mm]95高速區(qū)氣隙的內(nèi)徑[mm]93高速轉(zhuǎn)子永磁體的厚度[mm]7高速轉(zhuǎn)子鐵心軛部的外徑[mm]79高速轉(zhuǎn)子鐵心軛部的內(nèi)徑[mm]60氣隙的軸向長度[mm]80永磁體的剩磁Br[T]1.1第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理在本算例中=2，或者＝21，=23。當=2時，主要的諧波有次，次等等；當=21時，主要的諧波有次，次等等。第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理從（5）式，我們可以看出，由于調(diào)磁極片的引入，即，經(jīng)過調(diào)磁極片調(diào)制的氣隙磁密空間諧波的旋轉(zhuǎn)角速度，是不同于永磁體所在的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度的。這樣的話，在不同的轉(zhuǎn)速下傳遞轉(zhuǎn)矩，另一個永磁體轉(zhuǎn)子的的極對數(shù)就必須等于時的一個空間諧波的極對數(shù)。正如上面所分析的，2對極的轉(zhuǎn)子的一個空間諧波的極對數(shù)為21，正好等于另一個轉(zhuǎn)子上的極對數(shù)，反之亦然。第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪運作的基本原理因為的組合，可以產(chǎn)生除基波之外的幅值最大的空間諧波，那么另一個轉(zhuǎn)子的極對數(shù)就必須等于（）。進而就可以給出這種齒輪的速比，當，亦即鐵磁材料的調(diào)磁極片靜止不動時，有

（6）第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪磁場計算分析這種新型磁齒輪的研究和應用還處于起步階段，對其進行氣隙磁場計算和分析能提高設計的合理性。磁場計算使用數(shù)值解析結合法，具有氣隙區(qū)域無網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子靈活轉(zhuǎn)動的優(yōu)點。計算所得的磁位結果，可以把整個氣隙的磁位表達式寫出來，可以方便地進行磁場計算的后處理。而且，對于求解區(qū)域里面有多個的圓環(huán)域的氣隙的情況，也可以一起求出各氣隙的磁密分布來，這樣就給予我們分析磁齒輪以極大的方便，是磁齒輪計算和設計的一個非常有用的工具。

針對上述設計，應用我們自主開發(fā)的數(shù)值解析結合法進行計算，下面列出該磁齒輪的磁場計算結果，并進行諧波分析。第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪磁場計算分析

傳動力矩是永磁齒輪傳動機構最重要的性能指標之一，準確計算永磁齒輪傳動力矩，是設計、分析永磁齒輪的關鍵。以下是慢速區(qū)永磁體旋轉(zhuǎn)360度電角度，而定子和快速區(qū)永磁體保持不動得到的轉(zhuǎn)矩計算結果，其間間隔為6度電角度。

第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪磁場計算分析根據(jù)360度電角度內(nèi)，一個磁動勢旋轉(zhuǎn)180度電角度，兩個磁動勢之間的轉(zhuǎn)矩便會產(chǎn)生一個峰值。那么我們就認定-90度,-102.93Nm(慢速區(qū)),9.8Nm(快速區(qū))為最大轉(zhuǎn)矩，即Tmax=102.93Nm。對應位置的磁力線的分布見右圖。

第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪磁場計算分析低速區(qū)氣隙合成磁密見下左圖。低速區(qū)的合成氣隙磁密對應的空間諧波分析見下右圖。第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪磁場計算分析高速區(qū)氣隙合成磁密見下左圖。高速區(qū)的合成氣隙磁密對應的空間諧波分析見下右圖。第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新型磁齒輪磁場計算分析低速區(qū)氣隙里，由麥克斯韋應力張量法計算得到的轉(zhuǎn)矩諧波分析見下左圖。高速區(qū)氣隙里，由麥克斯韋應力張量法計算得到的轉(zhuǎn)矩諧波分析見下右圖。第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪（MG）的制造裝配過程各個部分具體的結構示意圖。高速轉(zhuǎn)子內(nèi)軸＋鐵心+2對永磁體，外轉(zhuǎn)子（21對永磁體）第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪（MG）的制造裝配過程調(diào)磁鐵塊第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪（MG）的制造裝配過程調(diào)磁鐵塊+內(nèi)轉(zhuǎn)子第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪（MG）的制造裝配過程內(nèi)轉(zhuǎn)子+調(diào)磁鐵塊+外轉(zhuǎn)子

第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪（MG）的主要參數(shù)磁齒輪兩個轉(zhuǎn)子之間的耦合關系是以下幾個變量的函數(shù)：

1。極對數(shù)

2。所使用的材料

3。布局部件的形狀和配置

4。尺寸

5。氣隙第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的主要優(yōu)/缺點除軸承外無摩擦，再加上一些鐵心損耗，能量損耗小，效率高；單位體積對應的轉(zhuǎn)矩密度高，為普通電機的10倍；由于無機械接觸，故無機械摩損，不用潤滑，可靠性高，壽命長；轉(zhuǎn)速比恒定，轉(zhuǎn)速的瞬時穩(wěn)定度高；不存在機械接觸時產(chǎn)生的震動噪音；過載時不會損壞減速器，而且在過載時隨時切斷傳動關系，不僅減速器自身不會損壞，還能保護原動機。缺點：快、慢速轉(zhuǎn)子鐵心及其上的永磁體和調(diào)磁用定子鐵磁極片的鐵損耗，將影響其高速運行時的效率。第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性齒輪的應用

減小了震動和噪聲，有利于艦船（包括潛艇）的動力推進系統(tǒng)。減小維護，提高運行的可靠性，有利于全電飛機的飛行和風力發(fā)電運行。精確的峰值傳動轉(zhuǎn)矩，固有的過負載保護能力，能滿足制造機床的基本要求。輸入和輸出兩軸系統(tǒng)之間沒有直接的連接，而是靠磁場力來驅(qū)動，對于泵類裝置來說，可以防止流動液體對裝置的腐蝕。第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月對磁性齒輪的總結和展望傳統(tǒng)的磁齒輪的一個共同的缺點是永磁體的有效利用不夠，工作時只使用了接觸的一小部分磁體磁場，因而齒輪的傳動轉(zhuǎn)矩體積密度較小。新型磁齒輪采用類似行星齒輪的拓撲結構，有效地利用了永磁體，因而具有較大的傳動轉(zhuǎn)矩體積密度。將來對于磁齒輪的機械結構設計要加大關注，使其在較長的軸向氣隙工作長度時，能有效地運作。應用三維有限元計算考慮端部效應的磁場，使磁場計算結果更加精確。繼續(xù)探索其他的傳動比，全面優(yōu)化磁齒輪的結構。做好磁齒輪的工程應用方面的工作，邊研究邊推廣。第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月對磁性齒輪的總結和展望隨著高性能價格比的永磁材料的出現(xiàn)和有關技術人員的努力，它的前景將是十分美好的。發(fā)展方向之一就是復合電機。

第35頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月參考文獻[1]K.AtallahandD.Howe,“Anovelhigh-performancemagneticgear,”IEEETrans.Magn.,vol.37,no.4,pp.2844–2846,Jul.2001.[2]K.Atallah,CalverleyS.D.andD.Howe,“Design,analysisandrealisationofahighperformancemagneticgear,”IEEProc.-Electr.PowerAppl.,Vol.151,No.2,pp.135-143,Mar.2004[3]PeterOmandRasmussen,TorbenOleAndersen,FrankT.J?rgensen,andOrlaNielsen,“DevelopmentofaHigh-Performancemagneticgear,”IEEETrans.IndustryApplications.,Vol.41,No.3,May/June2005[4]ShinkiKikuchi,KatsuoTsurumoto,”DesignandCharacteristicsofANewMagneticWormGearUsingPermanentMagnet,”IEEETransactionsonMagnetics,VOL.29.NO.6.pp2930-2935,Nov.1993[5]ShinkiKikuchi,KatsuoTsurumoto,”TrialConstructionofANewMagneticSkewGearUsingP