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新型磁场调制式磁性齿轮的设计研究.pdf

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上海大学 博士学位论文 新型磁场调制式磁性齿轮的设计研究 姓名：刘新华 申请学位级别：博士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：江建中 20080601 上海大学博士学位论文 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前轮具有特殊的优势。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，具体做了以下儿方面的工作g 第一，采用解析法和工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囊点研究， 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，设计制造了一台传功比为7.33:1的新型磁性齿轮:并对 磁性齿轮的两个重要特性一一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工 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，编制了王维有限元程序，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 过对工维有限元、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景磁位法， 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，提高传动效革 的设计准则。根据新型磁性齿轮的工作原理，要实现~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 v 摘要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，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。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，其上海大学博士学位论文V 上海大学博士学位论文 同磁极对数对磁性描轮性能的影响，并在此基础上指出了新型磁性齿轮内转子 磁极对数施取原则。 第四，从提高磁性齿轮机械可靠性的角皮出发，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。实验结果褒明，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奋特性的研究。磁性齿轮 不具有自姐动能力，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