【摘要】：磁力齒輪與機(jī)械齒輪相比具有噪聲低、無需潤滑、少維修、高可靠性和自動過載保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。同心式磁力齒輪通過調(diào)磁環(huán)上的調(diào)磁鐵塊對內(nèi)層和外層氣隙磁場進(jìn)行調(diào)制,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞和變速,同心式磁力齒輪可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩密度,但是傳動比不宜過高。偏心式諧波磁力齒輪利用氣隙長度的周期變化進(jìn)行磁場調(diào)制,省略了調(diào)磁環(huán),諧波磁力齒輪可以獲得更大的傳動比和更高的轉(zhuǎn)矩密度。因此,偏心式諧波磁力齒輪在低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。本文以偏心式諧波磁力齒輪為研究對象,對諧波磁力齒輪設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)開展基礎(chǔ)性研究,具體進(jìn)行了以下幾方面的研究:第一,本文應(yīng)用邊界攝動法,建立了適合小偏心的偏心式諧波磁力齒輪磁場矢量磁位二維解析模型。根據(jù)偏心式諧波磁力齒輪子區(qū)域的邊界條件,求解矢量磁位拉普拉斯方程或泊松方程,分別得到低速轉(zhuǎn)子和定子永磁體單獨(dú)作用時的偏心氣隙磁場,再根據(jù)疊加原理合成諧波齒輪氣隙磁場,得到諧波齒輪氣隙磁通密度解析表達(dá)式。將氣隙磁通密度,電磁轉(zhuǎn)矩以及不平衡磁拉力的解析計算結(jié)果與Ansoft有限元分析軟件計算結(jié)果相比較,一致性較好,驗(yàn)證了該解析模型的正確性。第二,基于理論精確的雙曲余切變換法,建立了適合大偏心的偏心式諧波磁力齒輪磁場標(biāo)量磁位二維解析模型。在w平面求得磁位差為1時偏心磁場的徑向磁通密度,得到徑向氣隙相對磁導(dǎo)函數(shù),用于修正無偏心的永磁電機(jī)徑向氣隙磁場,從而得到永磁電機(jī)偏心氣隙磁場。根據(jù)疊加定理得到偏心式諧波磁力齒輪的氣隙磁場。計算了兩級偏心式諧波磁力齒輪的氣隙磁通密度和電磁轉(zhuǎn)矩,與有限元法計算結(jié)果相比較,驗(yàn)證了該解析模型的正確性。該解析模型為偏心式諧波磁力齒輪的優(yōu)化設(shè)計提供了有效方法,對深入研究偏心式諧波磁力齒輪的電磁性能具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。第三,采用基于解析法的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計偏心式諧波磁力齒輪,將明確物理參數(shù)表示的解析模型與遺傳算法結(jié)合作為諧波磁力齒輪的優(yōu)化設(shè)計工具,優(yōu)化算法魯棒性強(qiáng)、適用性好、計算速度快,優(yōu)化過程不需要人工干預(yù),可以自動實(shí)現(xiàn)。比傳統(tǒng)的有限元優(yōu)化過程更加方便有效。優(yōu)化后的諧波磁力齒輪的電磁轉(zhuǎn)矩比優(yōu)化前的有所提高,驗(yàn)證了該優(yōu)化算法的正確性和有效性。第四,研制開發(fā)了國內(nèi)首臺兩級偏心式諧波磁力齒輪樣機(jī),搭建了諧波磁力齒輪樣機(jī)的試驗(yàn)平臺,進(jìn)行了樣機(jī)負(fù)載試驗(yàn)。兩級偏心式諧波磁力齒輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了同心旋轉(zhuǎn)輸出,解決了偏心式諧波磁力齒輪偏心運(yùn)動轉(zhuǎn)為同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的難題。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明,兩級偏心式諧波磁力齒輪樣機(jī)的傳動比與理論值-18.29:1基本一致,傳動效率達(dá)到91%以上,單級諧波磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到86kN·m/m~3,兩級諧波磁力齒輪轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到43kN·m/m~3,樣機(jī)傳動效率高、輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,具有推廣應(yīng)用的價值。本文研究為諧波磁力齒輪在低速直驅(qū)領(lǐng)域的實(shí)用化奠定基礎(chǔ),為實(shí)現(xiàn)磁力齒輪的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH132.41
【圖文】：

-直線運(yùn)動形式，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-3(a)所示。該直線式磁場調(diào)制式齒輪的傳動比為 3.25:1，傳遞的力密度可達(dá) 1.7MN·m/m3。直線式磁場調(diào)制式力齒輪可以應(yīng)用于線性電機(jī)、機(jī)床導(dǎo)軌等一些存在線性運(yùn)動的場合。(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 樣機(jī)實(shí)物圖圖 1-2 P. O. Rasmussen 提出的切向充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪

1.2.2 國內(nèi)研究概況二十世紀(jì)末，國內(nèi)學(xué)者開展了磁力齒輪的研究工作。2000 年，合肥工業(yè)大學(xué)趙韓教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組對稀土永磁材料的磁力齒輪的設(shè)計開發(fā)和計算方面進(jìn)行了研究[57-59]。2001 年，中國科學(xué)院和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院開展了磁力齒輪在人工心臟中應(yīng)用的課題研究[60-61]。磁力齒輪在一些領(lǐng)域已有所應(yīng)用。2005 年起香港大學(xué)和上海大學(xué)合作，展開磁場調(diào)制式磁力齒輪及其應(yīng)用方面的研究工作。2008 年，上海大學(xué)的劉新華博士在文獻(xiàn)[62-63]中闡述了磁場調(diào)制式磁力齒輪的工作原理，建立了磁力齒輪的有限元場路耦合模型，提出了外轉(zhuǎn)子交替極改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2010 年，上海大學(xué)的杜世勤博士和江建中教授在文獻(xiàn)[64-65]制作了徑向充磁的磁場調(diào)制式磁力齒輪樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)物圖和試驗(yàn)平臺如圖 1-4(a)和(b)所示，其轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到 56 kN·m/m3。

圖 1-6 K. T. Chau 教授提出的傳動比可變的新型磁力齒輪，東北大學(xué)的滿永奎教授提出一種新型的永磁—磁阻式磁構(gòu)示意圖如圖 1-7(a)和(b)所示。該磁力齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子極對數(shù)為 50，傳動比為 25:1。內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個極距，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一永磁體的利用率較高，傳動比高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，適用于速度場合。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張敬堯;潘雅清;陳彥瑞;井立兵;章躍進(jìn);;基于Matlab遺傳算法工具箱的同心式磁力齒輪優(yōu)化設(shè)計[J];機(jī)械傳動;2015年06期

2 李祥林;程明;鄒國棠;李順;;聚磁式場調(diào)制永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理與靜態(tài)特性[J];電工技術(shù)學(xué)報;2014年11期

3 井立兵;章躍進(jìn);;Halbach陣列同心式磁力齒輪磁場全局解析法分析[J];電機(jī)與控制學(xué)報;2014年10期

4 高竹發(fā);郝偉娜;周全;;Halbach陣列型擺線永磁齒輪渦流損耗的有限元計算[J];機(jī)械強(qiáng)度;2014年05期

5 葛研軍;劉艷龍;趙鵬;周凱凱;;磁場調(diào)制式永磁齒輪氣隙磁密數(shù)理模型建立及其運(yùn)行機(jī)理分析[J];機(jī)械傳動;2014年07期

6 蔣一誠;劉國海;趙文祥;孫龍綱;蔣婷婷;;新型磁齒輪復(fù)合電機(jī)的設(shè)計與分析[J];微電機(jī);2014年03期

7 龔宇;崔巍;章躍進(jìn);;考慮局部磁滯損耗的復(fù)合電機(jī)鐵損耗計算[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2014年30期

8 林鶴云;陽輝;黃允凱;房淑華;;記憶電機(jī)的研究綜述及最新進(jìn)展[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2013年33期

9 周曉燕;李琛;仇志堅;章躍進(jìn);;基于攝動法的交替極永磁電機(jī)偏心磁場解析計算[J];電工技術(shù)學(xué)報;2013年09期

10 菅志軍;;永磁磁力耦合器矩角特性和渦流損耗的研究[J];微電機(jī);2013年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 黑沫;精密諧波齒輪傳動系統(tǒng)建模與控制方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

2 李琛;磁通解耦型磁力變速永磁無刷電機(jī)基礎(chǔ)理論與設(shè)計研究[D];上海大學(xué);2015年

3 井立兵;Halbach 陣列同心式磁力齒輪全局解析法分析與優(yōu)化設(shè)計[D];上海大學(xué);2013年

4 王利利;磁場調(diào)制型永磁齒輪與低速電機(jī)的研究[D];浙江大學(xué);2012年

5 杜世勤;新型磁齒輪復(fù)合電機(jī)的設(shè)計研究[D];上海大學(xué);2010年

6 劉新華;新型磁場調(diào)制式磁性齒輪的設(shè)計研究[D];上海大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 高竹發(fā);擺線永磁齒輪的渦流損耗研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2013年

2 趙建虎;諧波傳動機(jī)構(gòu)柔輪的應(yīng)力分布及壽命特性分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

3 林佳;磁場調(diào)制型磁性齒輪的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

4 王雙全;磁阻—永磁磁性齒輪的研究[D];東北大學(xué);2010年

5 鐘永佳;薄壁滾筒式磁力傳動的初步研究[D];北京化工大學(xué);2010年

6 葉榮偉;諧波齒輪傳動嚙合參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

7 鄧輝華;稀土永磁齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)特性仿真技術(shù)研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號：2793620