發(fā)布時(shí)間：2020-08-14 22:27

【摘要】：磁力齒輪與機(jī)械齒輪相比具有噪聲低、無(wú)需潤(rùn)滑、少維修、高可靠性和自動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。同心式磁力齒輪通過(guò)調(diào)磁環(huán)上的調(diào)磁鐵塊對(duì)內(nèi)層和外層氣隙磁場(chǎng)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(dòng)比不宜過(guò)高。偏心式諧波磁力齒輪利用氣隙長(zhǎng)度的周期變化進(jìn)行磁場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(duì)象,對(duì)諧波磁力齒輪設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)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(dòng)法,建立了適合小偏心的偏心式諧波磁力齒輪磁場(chǎng)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(shí)的偏心氣隙磁場(chǎng),再根據(jù)疊加原理合成諧波齒輪氣隙磁場(chǎng),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(jì)算結(jié)果與Ansoft有限元分析軟件計(jì)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(chǎng)標(biāo)量磁位二維解析模型。在w平面求得磁位差為1時(shí)偏心磁場(chǎng)的徑向磁通密度,得到徑向氣隙相對(duì)磁導(dǎo)函數(shù),用于修正無(wú)偏心的永磁電機(jī)徑向氣隙磁場(chǎng),從而得到永磁電機(jī)偏心氣隙磁場(chǎng)。根據(jù)疊加定理得到偏心式諧波磁力齒輪的氣隙磁場(chǎng)。計(jì)算了兩級(jí)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(jì)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(jì)提供了有效方法,對(duì)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(jià)值。第三,采用基于解析法的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)工具,優(yōu)化算法魯棒性強(qiáng)、適用性好、計(jì)算速度快,優(yōu)化過(guò)程不需要人工干預(yù),可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。比傳統(tǒng)的有限元優(yōu)化過(guò)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(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)兩級(jí)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(tái),進(jìn)行了樣機(jī)負(fù)載試驗(yàn)。兩級(jí)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(dòng)轉(zhuǎn)為同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的難題。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明,兩級(jí)偏心式諧波磁力齒輪樣機(jī)的傳動(dòng)比與理論值-18.29:1基本一致,傳動(dòng)效率達(dá)到91%以上,單級(jí)諧波磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到86kN·m/m~3,兩級(jí)諧波磁力齒輪轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到43kN·m/m~3,樣機(jī)傳動(dòng)效率高、輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,具有推廣應(yīng)用的價(jià)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TH132.41
【圖文】：

-直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-3(a)所示。該直線(xiàn)式磁場(chǎng)調(diào)制式齒輪的傳動(dòng)比為 3.25:1，傳遞的力密度可達(dá) 1.7MN·m/m3。直線(xiàn)式磁場(chǎng)調(diào)制式力齒輪可以應(yīng)用于線(xiàn)性電機(jī)、機(jī)床導(dǎo)軌等一些存在線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)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(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪

1.2.2 國(guó)內(nèi)研究概況二十世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)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(duì)稀土永磁材料的磁力齒輪的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和計(jì)算方面進(jìn)行了研究[57-59]。2001 年，中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院開(kāi)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(kāi)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)物圖和試驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)比可變的新型磁力齒輪，東北大學(xué)的滿(mǎn)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(duì)數(shù)為 50，傳動(dòng)比為 25:1。內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)極距，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一永磁體的利用率較高，傳動(dòng)比高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，適用于速度場(chǎng)合。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2793620