新型磁齒輪原理及其應(yīng)用

1、目錄l磁性齒輪（Magnetic Gear）的概念l磁性齒輪的發(fā)展歷史l磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理 l新型磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算分析 l磁性齒輪（MG）的制造裝配過(guò)程l磁性齒輪（MG）的主要參數(shù)l磁性齒輪的主要優(yōu)/缺點(diǎn)l磁性齒輪的應(yīng)用l對(duì)磁性齒輪的總結(jié)和展望l參考文獻(xiàn)磁性齒輪的概念l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(jié)構(gòu)。兩部分的永磁體相互耦合，當(dāng)其中任一個(gè)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，另外一個(gè)就會(huì)受到一個(gè)磁力矩的作用，從而轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。這種裝置可以用于替代機(jī)械的齒輪傳動(dòng)，并減小不必要的震動(dòng)。也可以用于兩個(gè)分離物體之間的力矩的傳動(dòng)。磁性齒輪的發(fā)展歷史l1913年,美國(guó)的一個(gè)應(yīng)用專(zhuān)

2、利，描述了一個(gè)由凸磁極組成的兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)磁齒輪結(jié)構(gòu)。l1940年，F(xiàn)aus申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利，描述了一個(gè)由不同半徑的兩個(gè)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(dòng)磁齒輪結(jié)構(gòu)。l1993年，隨著稀土永磁體的發(fā)明，不同架構(gòu)的磁齒輪結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)和制造出來(lái)。l1997年，在有限元計(jì)算的幫助下，產(chǎn)生了用于磁齒輪的設(shè)計(jì)和參數(shù)分析的一個(gè)二維解析計(jì)算方法。l現(xiàn)在，具有高轉(zhuǎn)矩體積密度的新型磁齒輪，越來(lái)越引起傳動(dòng)領(lǐng)域工程技術(shù)人員的注意。 磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l像齒輪傳動(dòng)一樣，永磁齒輪傳動(dòng)分外嚙臺(tái)傳動(dòng)、內(nèi)嚙臺(tái)傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)。如下圖所示，外嚙臺(tái)傳動(dòng)是由一對(duì)圓環(huán)柱體構(gòu)成其中每個(gè)柱體均被徑向多極充磁。兩柱體因異性相吸同

3、性相斥原故，當(dāng)主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)。磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l對(duì)于內(nèi)嚙臺(tái)傳動(dòng)如下圖所示。磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l齒輪齒條傳動(dòng)中的齒輪與外嚙合傳動(dòng)中的齒輪相同，而齒條則是一帶狀磁體，磁極沿長(zhǎng)度方向均布。 磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l永磁齒輪也能很容易地實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)軸傳動(dòng)，其兩軸夾角一般小于45度。磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l永磁齒輪傳動(dòng)還有蝸輪磁齒輪、斜磁齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l上述的磁齒輪共同的缺點(diǎn)是傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，2004年英國(guó)人K.Atallah ,S.D.Calverley and D.Howe從理論和樣機(jī)的具體實(shí)踐上完成了一種新型磁齒輪（表面磁鋼式）的設(shè)計(jì)。磁性齒輪的分類(lèi)和樣機(jī)l丹麥人Pet

4、er Omand Rasmussen等人在英國(guó)人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)聚磁式內(nèi)轉(zhuǎn)子的該種新型磁齒輪。新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理l這種新型磁齒輪運(yùn)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(chǎng)，使調(diào)制好的磁場(chǎng)具有的諧波與對(duì)面轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，從而達(dá)到主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪運(yùn)行。新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理l在鐵磁材料的調(diào)磁極片沒(méi)有放入磁齒輪之時(shí)，兩邊轉(zhuǎn)子上永磁體在氣隙中的磁密分布都可表達(dá)為：l徑向磁密)(cos()(),(0, 5 , 3 , 10mptmprbrBrmrmr(1) 新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理l在鐵磁材料的調(diào)磁極片放入磁齒輪之后，假設(shè)鐵磁材料的調(diào)磁極片的調(diào)制函數(shù)

5、為：l徑向調(diào)制函數(shù))(cos()()(),(, 3 , 2, 10tjnrrrssjrjrr(2 )新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理l(1)式和（2）式之中， 是轉(zhuǎn)子上的永磁體的極對(duì)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)。l結(jié)合（1）式和（2）式，我們就可以得出經(jīng)過(guò)調(diào)磁極片調(diào)制的氣隙磁密：徑向磁密的表達(dá)式 psnsrrmbrj),(),(),(0rrBrBrrr(3)新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理l(3)式經(jīng)過(guò)運(yùn)算，可得)()()(cos()()(21)()()(cos()()(21)(cos()()(),

6、(),(),(0, 5 , 3 , 1, 3 , 2, 10, 5 , 3 , 1, 3 , 2, 10, 5 , 3 , 100mptjnmpjnmpjnmprbrmptjnmpjnmpjnmprbrmptmprbrrrBrBsssrsrmmjrjsssrsrmmjrjrmrmrrrr新型磁齒輪的運(yùn)作的基本原理l這樣的話，不管哪個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從（3）式我們可以得出其磁密分布空間諧波的極對(duì)數(shù)如下,l而且可以得出磁密空間諧波的旋轉(zhuǎn)角速度為l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(jìn)而得出磁齒輪的速比，作為磁齒輪的設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。 ,3,2,1,0,5,3,1,

7、kmknmppskmsssrskmknmpknknmpmp,（4） （5） 新型磁齒輪的運(yùn)作的基本原理l為了更加清晰地說(shuō)明磁齒輪的工作原理，本文在概念上設(shè)計(jì)了一個(gè)具體的磁性齒輪。右表列出了這個(gè)磁齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)。 高速轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)2低速轉(zhuǎn)子的極對(duì)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mm140低速轉(zhuǎn)子鐵心軛部的內(nèi)徑mm125低速轉(zhuǎn)子永磁體的厚度mm6低速區(qū)氣隙的外徑mm113低速區(qū)氣隙的內(nèi)徑mm111高速區(qū)氣隙的外徑mm95高速區(qū)氣隙的內(nèi)徑mm93高速轉(zhuǎn)子永磁體的厚度mm7高速轉(zhuǎn)子鐵心軛部的外徑mm79高速轉(zhuǎn)子鐵心軛部的內(nèi)徑mm60氣隙的軸向長(zhǎng)度mm80永磁體的剩磁BrT1.1

8、新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理l在本算例中 =2，或者 21， =23。 當(dāng) =2時(shí)，主要的諧波有 次， 次等等；當(dāng) =21時(shí)，主要的諧波有 次， 次等等。ppp20 , 1p211, 1pp210 , 1psn21, 1p新型磁齒輪運(yùn)作的基本原理l從（5）式，我們可以看出，由于調(diào)磁極片的引入，即 ，經(jīng)過(guò)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(dòng)速度的。這樣的話，在不同的轉(zhuǎn)速下傳遞轉(zhuǎn)矩，另一個(gè)永磁體轉(zhuǎn)子的的極對(duì)數(shù)就必須等于 時(shí)的一個(gè)空間諧波的極對(duì)數(shù)。正如上面所分析的，2對(duì)極的轉(zhuǎn)子的一個(gè)空間諧波的極對(duì)數(shù)為21，正好等于另一個(gè)轉(zhuǎn)子上的極對(duì)數(shù)，反之亦然。 0k0k新型磁齒輪

9、運(yùn)作的基本原理l因?yàn)?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(gè)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)就必須等于（ ）。l進(jìn)而就可以給出這種齒輪的速比，當(dāng) ，亦即鐵磁材料的調(diào)磁極片靜止不動(dòng)時(shí)，有 1, 1kmpns0sppnGsr（6） 新型磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算分析l這種新型磁齒輪的研究和應(yīng)用還處于起步階段，對(duì)其進(jìn)行氣隙磁場(chǎng)計(jì)算和分析能提高設(shè)計(jì)的合理性。磁場(chǎng)計(jì)算使用數(shù)值解析結(jié)合法，具有氣隙區(qū)域無(wú)網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算所得的磁位結(jié)果，可以把整個(gè)氣隙的磁位表達(dá)式寫(xiě)出來(lái)，可以方便地進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算的后處理。而且，對(duì)于求解區(qū)域里面有多個(gè)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(lái)，這樣就給予我們分析磁齒

10、輪以極大的方便，是磁齒輪計(jì)算和設(shè)計(jì)的一個(gè)非常有用的工具。 l針對(duì)上述設(shè)計(jì)，應(yīng)用我們自主開(kāi)發(fā)的數(shù)值解析結(jié)合法進(jìn)行計(jì)算，下面列出該磁齒輪的磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行諧波分析。新型磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算分析l 傳動(dòng)力矩是永磁齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最重要的性能指標(biāo)之一，準(zhǔn)確計(jì)算永磁齒輪傳動(dòng)力矩，是設(shè)計(jì)、分析永磁齒輪的關(guān)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(dòng)得到的轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果，其間間隔為6度電角度。 -150-100-50050100150-100-50050100electric angle/deg.torque/Nm高速氣隙區(qū)轉(zhuǎn)矩低速氣隙區(qū)轉(zhuǎn)矩新型磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算分析l根據(jù)360度電角度內(nèi)，一

11、個(gè)磁動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)180度電角度，兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)之間的轉(zhuǎn)矩便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值。那么我們就認(rèn)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。l對(duì)應(yīng) 位置的磁力線的分布見(jiàn)右圖。 新型磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算分析l低速區(qū)氣隙合成磁密見(jiàn)下左圖。低速區(qū)的合成氣隙磁密對(duì)應(yīng)的空間諧波分析見(jiàn)下右圖。 050100150200250300350-2-1.5-1-0.500.511.52mechanical angle/deg.flux density/T02040608010000.20.40.60.811.2pole-pairsflux density/T新型磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算分

12、析l高速區(qū)氣隙合成磁密見(jiàn)下左圖。高速區(qū)的合成氣隙磁密對(duì)應(yīng)的空間諧波分析見(jiàn)下右圖。050100150200250300350-1.5-1-0.500.511.5mechanical angle/deg.flux density/T02040608010000.10.20.30.40.50.6pole-pairsflux density/T新型磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算分析l低速區(qū)氣隙里，由麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩諧波分析見(jiàn)下左圖。l高速區(qū)氣隙里，由麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩諧波分析見(jiàn)下右圖 。020406080100-120-100-80-60-40-200pole-pairstorque/N

13、m20406080100-10123456789pole-pairstorque/Nm磁性齒輪（MG）的制造裝配過(guò)程l各個(gè)部分具體的結(jié)構(gòu)示意圖。高速轉(zhuǎn)子內(nèi)軸鐵心+2對(duì)永磁體 ，外轉(zhuǎn)子（21對(duì)永磁體）磁性齒輪（MG）的制造裝配過(guò)程l調(diào)磁鐵塊 磁性齒輪（MG）的制造裝配過(guò)程l調(diào)磁鐵塊+內(nèi)轉(zhuǎn)子 磁性齒輪（MG）的制造裝配過(guò)程l內(nèi)轉(zhuǎn)子+調(diào)磁鐵塊+外轉(zhuǎn)子 磁性齒輪（MG）的主要參數(shù)l磁齒輪兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的耦合關(guān)系是以下幾個(gè)變量的函數(shù)： 1。極對(duì)數(shù) 2。所使用的材料 3。布局部件的形狀和配置 4。 尺寸 5。 氣隙磁性齒輪的主要優(yōu)/缺點(diǎn)l除軸承外無(wú)摩擦，再加上一些鐵心損耗，能量損耗小，效率高；l單位體積對(duì)應(yīng)

14、的轉(zhuǎn)矩密度高，為普通電機(jī)的10倍；l由于無(wú)機(jī)械接觸，故無(wú)機(jī)械摩損，不用潤(rùn)滑，可靠性高，壽命長(zhǎng)；l轉(zhuǎn)速比恒定，轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)穩(wěn)定度高；l不存在機(jī)械接觸時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)噪音；l過(guò)載時(shí)不會(huì)損壞減速器，而且在過(guò)載時(shí)隨時(shí)切斷傳動(dòng)關(guān)系，不僅減速器自身不會(huì)損壞，還能保護(hù)原動(dòng)機(jī)。l缺點(diǎn)：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(yùn)行時(shí)的效率。 磁性齒輪的應(yīng)用l減小了震動(dòng)和噪聲，有利于艦船（包括潛艇）的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。l減小維護(hù)，提高運(yùn)行的可靠性，有利于全電飛機(jī)的飛行和風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行。l精確的峰值傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，固有的過(guò)負(fù)載保護(hù)能力，能滿足制造機(jī)床的基本要求。l輸入和輸出兩軸系統(tǒng)之間沒(méi)有直接的連接，

15、而是靠磁場(chǎng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于泵類(lèi)裝置來(lái)說(shuō)，可以防止流動(dòng)液體對(duì)裝置的腐蝕。對(duì)磁性齒輪的總結(jié)和展望l傳統(tǒng)的磁齒輪的一個(gè)共同的缺點(diǎn)是永磁體的有效利用不夠，工作時(shí)只使用了接觸的一小部分磁體磁場(chǎng)，因而齒輪的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩體積密度較小。 l新型磁齒輪采用類(lèi)似行星齒輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地利用了永磁體，因而具有較大的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩體積密度。l將來(lái)對(duì)于磁齒輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要加大關(guān)注，使其在較長(zhǎng)的軸向氣隙工作長(zhǎng)度時(shí)，能有效地運(yùn)作。l應(yīng)用三維有限元計(jì)算考慮端部效應(yīng)的磁場(chǎng)，使磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果更加精確。l繼續(xù)探索其他的傳動(dòng)比，全面優(yōu)化磁齒輪的結(jié)構(gòu)。l做好磁齒輪的工程應(yīng)用方面的工作，邊研究邊推廣。對(duì)磁性齒輪的總結(jié)和展望l隨著高性能價(jià)格比的永磁

16、材料的出現(xiàn)和有關(guān)技術(shù)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(fù)合電機(jī)。 參考文獻(xiàn)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 realisation of a high performance magnetic gear,” IEE Proc.-El

17、ectr. 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 Constructi