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    同軸磁齒輪極數(shù)配合規(guī)律

    2021-11-15 07:46:32何明杰彭俊羅英露李偉業(yè)
    兵工學(xué)報(bào) 2021年10期
    關(guān)鍵詞:磁動勢磁密永磁體

    何明杰, 彭俊, 羅英露, 李偉業(yè)

    (1.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司, 湖南 株洲 412001; 2.襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司, 湖北 襄陽 441047)

    0 引言

    為提升電機(jī)的功率密度和減小體積,一般需將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)得較高。通常采用減速設(shè)備來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)和負(fù)載之間的匹配。傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪減速設(shè)備存在振動大、噪聲高、可靠性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需潤滑、維護(hù)量大等問題[1],不利于其在特殊軍工場合的應(yīng)用。為解決以上問題,磁齒輪逐漸引起各國學(xué)者重視。磁齒輪具有非接觸傳動、振動小、噪聲低、可靠性高、效率高和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。磁齒輪的研究可追溯至1901年,當(dāng)時(shí)世界上第一款電勵磁磁齒輪被美國學(xué)者提出[2]。隨后,世界上首款永磁體勵磁的磁齒輪于1941年被提出來,但是由于永磁材料的限制,其轉(zhuǎn)矩密度非常低[3]。1968年,基于磁場調(diào)制原理的同軸磁齒輪被美國學(xué)者提出并申請了專利,該結(jié)構(gòu)極大地提升了磁齒輪的轉(zhuǎn)矩密度[4]。隨著永磁材料的發(fā)展,稀土永磁體獲得了廣泛應(yīng)用,大量采用稀土永磁材料的同軸磁齒輪被各國學(xué)者爭相研究[5-6]。

    目前,針對磁齒輪的研究主要分為以下幾類:新結(jié)構(gòu)研究[7-12]、磁齒輪對比研究[13-20]、轉(zhuǎn)矩波動抑制研究[21-22]、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[23-28]等。

    文獻(xiàn)[7]提出了一種磁阻式磁齒輪,其內(nèi)轉(zhuǎn)子采用凸極結(jié)構(gòu),可在較高轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行,但該磁齒輪的轉(zhuǎn)矩密度較低。文獻(xiàn)[8]提出一種外轉(zhuǎn)子和調(diào)制齒上均安裝永磁體的磁阻式磁齒輪,在一定程度上提高了磁齒輪的轉(zhuǎn)矩密度。文獻(xiàn)[9]對比研究了不同結(jié)構(gòu)交替極磁齒輪在輸出轉(zhuǎn)矩方面的差異。文獻(xiàn)[10]提出一種采用T形調(diào)制齒的磁齒輪,該磁齒輪具有較大的聚磁效應(yīng),且可減小端部漏磁,從而提高了轉(zhuǎn)矩密度。文獻(xiàn)[11]深入研究了磁齒輪調(diào)制齒形狀對輸出轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)[12]提出一種可利用端部漏磁的新型同軸磁齒輪,在一定程度上提高了磁齒輪的輸出轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[13]對比分析了傳動比對磁齒輪輸出轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)[14]對比分析了采用稀土永磁材料和鐵氧體磁齒輪在輸出轉(zhuǎn)矩、效率、成本等方面的差異,研究結(jié)果表明采用鐵氧體永磁材料磁齒輪的輸出轉(zhuǎn)矩相對較低,但其效率和成本均優(yōu)于采用稀土永磁材料的磁齒輪。文獻(xiàn)[15]對磁齒輪的端部效應(yīng)進(jìn)行了深入研究,結(jié)果表明當(dāng)磁齒輪軸向長度較短,即為盤式結(jié)構(gòu)時(shí),在設(shè)計(jì)階段需考慮端部漏磁的影響。文獻(xiàn)[16-18]對徑向磁通磁齒輪、軸向磁通磁齒輪和橫向磁通磁齒輪的輸出特性進(jìn)行了全面對比分析。文獻(xiàn)[19]對比分析了不同調(diào)制環(huán)形狀同軸磁齒輪之間的轉(zhuǎn)矩性能差異。文獻(xiàn)[20]基于有限元法對比分析了行星磁齒輪與同軸磁齒輪的轉(zhuǎn)矩輸出性能,并對同軸磁齒輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了減小磁齒輪的轉(zhuǎn)矩波動,文獻(xiàn)[21-22]提出了一種采用Halbach永磁陣列的磁齒輪。文獻(xiàn)[23-25]分別基于差分進(jìn)化算法和基因遺傳算法對磁齒輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高磁齒輪的轉(zhuǎn)矩密度、減小轉(zhuǎn)矩波動。文獻(xiàn)[26]基于磁齒輪設(shè)計(jì)理論,采用有限元法對其主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[27-28]針對永磁體表貼式磁齒輪分別提出混合解析模型和集中參數(shù)等效磁路模型,以便于磁齒輪的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    盡管近幾十年來國內(nèi)外學(xué)者對磁齒輪進(jìn)行了眾多研究,但仍缺乏對磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子極對數(shù)、外轉(zhuǎn)子極對數(shù)和調(diào)制齒數(shù)量選取原則的系統(tǒng)性研究。因此,本文基于氣隙磁密諧波磁場,對同軸磁齒輪極對數(shù)的選取原則進(jìn)行深入分析,并給出能夠產(chǎn)生較高穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)、外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)和調(diào)制環(huán)齒數(shù)配合規(guī)律。

    1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    圖1所示為內(nèi)轉(zhuǎn)子極對數(shù)5、外轉(zhuǎn)子極對數(shù)19、調(diào)制齒個(gè)數(shù)24(5/19-24)的同軸磁齒輪,該結(jié)構(gòu)的永磁體安置于內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子表面,又稱為永磁體表貼式同軸磁齒輪。調(diào)制環(huán)位于內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間,其由多個(gè)導(dǎo)磁性能良好的調(diào)制齒組成。

    本文研究的磁齒輪均以內(nèi)轉(zhuǎn)子作為輸入軸、外轉(zhuǎn)子作為輸出軸,調(diào)制環(huán)保持靜止,此時(shí)磁齒輪的工作原理簡述如下:調(diào)制環(huán)對內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體和外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢分別進(jìn)行調(diào)制,當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子極對數(shù)、外轉(zhuǎn)子極對數(shù)和調(diào)制齒個(gè)數(shù)滿足一定條件后,內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體可分別在內(nèi)外氣隙中產(chǎn)生極對數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度均相同的諧波磁場,通過二者的相互作用產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。

    假定內(nèi)轉(zhuǎn)子作為輸入軸、外轉(zhuǎn)子作為輸出軸,調(diào)制環(huán)保持靜止不動,則磁齒輪的傳動比Gr可定義為

    (1)

    式中:ωi和ωo分別為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。

    2 氣隙磁場分析

    2.1 磁動勢和比磁導(dǎo)

    永磁體表貼式同軸磁齒輪二維展開模型如圖2所示。圖2中,θo、θi分別為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁極中心線距離調(diào)制齒中心線的初始位置,θ為距離坐標(biāo)原點(diǎn)的圓周位置角。

    以調(diào)磁齒中心線為坐標(biāo)原點(diǎn),定義內(nèi)轉(zhuǎn)子極對數(shù)為Ni,則內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢的電周期為2π/Ni,可得到內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢的傅里葉級數(shù)為

    (2)

    式中:t為內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)間;Fim為內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢第m次諧波的傅里葉系數(shù),m為內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢諧波次數(shù)。

    同理,定義外轉(zhuǎn)子極對數(shù)為No,則外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢的電周期為2π/No,外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢的傅里葉級數(shù)可表示為

    (3)

    式中:Fon為外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢第n次諧波的傅里葉系數(shù),n為外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢諧波次數(shù)。

    磁齒輪調(diào)制環(huán)對氣隙比磁導(dǎo)具有調(diào)制作用,定義調(diào)制環(huán)齒數(shù)為Ns,經(jīng)調(diào)制環(huán)調(diào)制后的氣隙比磁導(dǎo)周期為2π/Ns,氣隙比磁導(dǎo)的傅里葉級數(shù)可表示為

    (4)

    式中:Pδ0為氣隙比磁導(dǎo)常數(shù)分量;Pδk為氣隙比磁導(dǎo)k次諧波分量的傅里葉系數(shù),k為氣隙比磁導(dǎo)諧波次數(shù)。

    2.2 氣隙磁密

    根據(jù)電機(jī)磁動勢- 比磁導(dǎo)基本理論,磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢經(jīng)調(diào)制環(huán)調(diào)制后產(chǎn)生的氣隙磁密可由(5)式計(jì)算得到:

    (5)

    式中:Bδi(θ,t)為內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密;Bδo(θ,t)為外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密。

    結(jié)合(2)式~(5)式,可得到內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密解析式為

    (6)

    (7)

    內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢諧波幅值Fim和Fon分別與諧波次數(shù)m和n呈反比,氣隙比磁導(dǎo)諧波幅值Pδk與諧波次數(shù)k也呈反比,故隨著諧波次數(shù)增加,其幅值明顯減小,磁動勢和氣隙比磁導(dǎo)高次諧波對氣隙磁密的影響相對較小,可忽略。因此,氣隙磁密主要由永磁體磁動勢基波分量、氣隙比磁導(dǎo)常數(shù)分量和基波分量共同決定。此時(shí),(6)式和(7)式可簡化為

    (8)

    (9)

    式中:Pδ1為氣隙比磁導(dǎo)1次諧波分量的傅里葉系數(shù)。

    2.3 諧波磁場分析

    如(8)式所示,內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢和氣隙比磁導(dǎo)相互作用后產(chǎn)生的氣隙磁密主要由3項(xiàng)組成:第1項(xiàng)為永磁體磁動勢基波分量與氣隙比磁導(dǎo)常數(shù)分量相互作用產(chǎn)生的氣隙磁密;第2項(xiàng)和第3項(xiàng)為氣隙比磁導(dǎo)基波分量對永磁體磁動勢基波分量調(diào)制后產(chǎn)生的氣隙磁密。類似地,外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢和氣隙比磁導(dǎo)相互作用后產(chǎn)生的氣隙磁密也由3項(xiàng)組成:第1項(xiàng)為永磁體磁動勢基波分量與氣隙比磁導(dǎo)常數(shù)分量相互作用產(chǎn)生的氣隙磁密;第2項(xiàng)和第3項(xiàng)為氣隙比磁導(dǎo)基波分量對永磁體磁動勢基波分量調(diào)制后產(chǎn)生的氣隙磁密。

    磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢與氣隙比磁導(dǎo)相互作用產(chǎn)生的氣隙磁密諧波極對數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度如表1所示;外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢與氣隙比磁導(dǎo)相互作用產(chǎn)生的氣隙磁密諧波極對數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度如表2所示。

    表1 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢與氣隙比磁導(dǎo)相互作用產(chǎn)生的氣隙磁密諧波分析Tab.1 Air-gap flux density harmonics produced by the interaction of inner-rotor MMF and air-gap specific permeance

    表2 外轉(zhuǎn)子永磁磁場與氣隙比磁導(dǎo)相互作用產(chǎn)生的氣隙磁密諧波分析Tab.2 Air-gap flux density harmonics produced by the interaction of outer-rotor MMF and air-gap specific permeance

    3 磁齒輪極對數(shù)選取原則分析

    根據(jù)電機(jī)基本設(shè)計(jì)理論,磁齒輪能產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的必要條件為:內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密和外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密存在極對數(shù)相同、旋轉(zhuǎn)角速度也相同的分量。因此,結(jié)合表1和表2可得到磁齒輪可產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的必要條件,如表3所示。

    受轉(zhuǎn)子外徑尺寸的限制,磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)一般應(yīng)小于外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù),故一般不采用表3中條件3、5和8所示的極對數(shù)配合。基于表3中簡化后的條件可知,條件1、2、4、6、7和9可劃分為3類,如表4所示。

    表3 磁齒輪穩(wěn)定傳遞轉(zhuǎn)矩的條件Tab.3 Conditions for steadily transmitting torque

    如表4所示,條件①表明磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)和外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)相等、內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度相同,因此滿足該條件磁齒輪的傳動比為1.滿足該條件的磁齒輪依靠內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的基波磁密(其極對數(shù)分別為Ni和No)的相互作用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。此外,滿足該條件磁齒輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)子極對數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度與調(diào)制環(huán)齒數(shù)無關(guān),因此該類型磁齒輪無需調(diào)制環(huán)。此時(shí),該磁齒輪僅能無接觸式傳遞轉(zhuǎn)矩,對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速無增加或減小,其作用類似于連接軸或法蘭。

    表4 磁齒輪穩(wěn)定傳遞轉(zhuǎn)矩的簡化條件Tab.4 Simplified conditions for steadily transmitting torque

    條件②表明磁齒輪外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)等于內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)與2倍調(diào)制環(huán)齒數(shù)之和。滿足該條件的磁齒輪由極對數(shù)為No-Ns和Ni+Ns的氣隙磁密相互作用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。此外,滿足該條件磁齒輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同,旋轉(zhuǎn)角速度需滿足(10)式,其傳動比為No/Ni.

    (10)

    條件③表明磁齒輪外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)等于內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)與調(diào)制環(huán)齒數(shù)之和。對于滿足該條件的磁齒輪,內(nèi)氣隙中的主要工作諧波極對數(shù)為Ni和No-Ns,外氣隙中的主要工作諧波極對數(shù)為No和Ni+Ns.滿足該條件磁齒輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同,旋轉(zhuǎn)角速度需滿足(10)式,其傳動比為No/Ni.

    條件④表明磁齒輪調(diào)制環(huán)齒數(shù)等于內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)之和。對于滿足該條件的磁齒輪,內(nèi)氣隙中的主要工作諧波極對數(shù)為Ni和Ns-No,外氣隙中的主要工作諧波極對數(shù)為No和Ns-Ni.滿足該條件磁齒輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反,旋轉(zhuǎn)角速度需滿足(11)式,其傳動比為-No/Ni.

    (11)

    對于磁齒輪而言,其內(nèi)外氣隙的磁密基波幅值最高,且其極對數(shù)分別為Ni和No.因此,相同條件下,滿足條件①的磁齒輪可產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩。由于氣隙磁密諧波極對數(shù)越大,其幅值越小,因此滿足條件②和③磁齒輪的最高轉(zhuǎn)矩小于滿足條件④磁齒輪的最高轉(zhuǎn)矩,且滿足條件②磁齒輪的最大轉(zhuǎn)矩最小。

    4 不同極對數(shù)磁齒輪性能對比

    4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要設(shè)計(jì)參數(shù)

    為了驗(yàn)證上述理論分析,并充分對比表4所述4類磁齒輪的性能差異,本文設(shè)計(jì)了4臺磁齒輪M1、M2、M3和M4,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別如圖3和表5所示。

    圖3 4種不同類型磁齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topologies of magnetic gears

    表5 4種磁齒輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.5 Structure parameters of four magnetic gears

    4.2 氣隙磁密

    磁齒輪M1、M2、M3和M4內(nèi)氣隙和外氣隙中的磁密分布曲線分別如圖4(a)和圖4(b)所示,從中可見在磁齒輪內(nèi)氣隙和外氣隙中均含有大量諧波磁場。由圖4(c)和圖4(d)可知:磁齒輪內(nèi)氣隙和外氣隙中諧波幅值最高的磁場極對數(shù)分別為5對極和19對極;僅磁齒輪M1的氣隙中含有15對極磁場諧波;對于磁齒輪M2,經(jīng)齒數(shù)為7的調(diào)制環(huán)對5對極的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁磁場和19對極的外轉(zhuǎn)子永磁磁場調(diào)制后,產(chǎn)生了極對數(shù)為2和12的偶數(shù)對極磁場諧波;對于磁齒輪M3和M4,其氣隙中僅含有奇數(shù)對極諧波磁場。

    圖4 磁齒輪磁密曲線和磁場諧波分析Fig.4 Air-gap flux densities of four magnetic gears

    為進(jìn)一步分析磁齒輪M2、M3和M4的工作諧波,本文對內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體和外轉(zhuǎn)子永磁體分別單獨(dú)勵磁時(shí)的內(nèi)外氣隙磁密進(jìn)行了分析,相應(yīng)的分析結(jié)果分別如表6~表8所示。

    由表6可見:1)對于磁齒輪M2,內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)為5,其磁動勢經(jīng)齒數(shù)為7的調(diào)制環(huán)調(diào)制后,可在內(nèi)氣隙中產(chǎn)生出極對數(shù)為5、12、15和19的諧波,其中5、12和15對極諧波幅值較高,19對極諧波幅值相對較?。煌廪D(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)為19,其磁動勢經(jīng)齒數(shù)為7的調(diào)制環(huán)調(diào)制后,可在內(nèi)氣隙中產(chǎn)生較小幅值的12和19對極諧波,5對極和15對極諧波磁密幅值小于0.01 T,可忽略。因此,內(nèi)氣隙中主要工作諧波的極對數(shù)為12和19,但產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小。2)在外氣隙中,內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢經(jīng)調(diào)制環(huán)調(diào)制產(chǎn)生的19對極諧波幅值較低。因此,盡管外轉(zhuǎn)子永磁體在外氣隙中產(chǎn)生了較高幅值的19對極諧波,但其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對較小。對于磁齒輪M2,由于內(nèi)氣隙和外氣隙中幅值較高的諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小,因此磁齒輪M2的轉(zhuǎn)矩較小。

    表6 磁齒輪M2氣隙磁密諧波分析Tab.6 Harmonics of inner and outer air-gap flux densities for M2 T

    由表7可見:1)對于磁齒輪M3,經(jīng)齒數(shù)為14的調(diào)制環(huán)調(diào)制后,5對極的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體可在內(nèi)氣隙中產(chǎn)生出幅值較高的5對極和19對極諧波;外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)為19,經(jīng)調(diào)制環(huán)調(diào)制后也可在內(nèi)氣隙中產(chǎn)生5對極和19對極諧波,但其幅值相對較低。因此,通過兩種5對極諧波和19對極諧波的分別相互作用,可產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩。2)在外氣隙中,經(jīng)齒數(shù)為14的調(diào)制環(huán)調(diào)制后,5對極的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體可產(chǎn)生極對數(shù)分別為5、9、19、33和37的諧波,但極對數(shù)為19、33和37的諧波幅值相對較低。外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)為19,經(jīng)齒數(shù)為14的調(diào)制環(huán)調(diào)制后,可產(chǎn)生極對數(shù)分別為5、9、19、33和37的諧波,且極對數(shù)為5、19和33的諧波幅值相對較高。因此,5對極諧波為工作諧波,且其幅值相對較高,故磁齒輪M3可產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對磁齒輪M2的較高。

    表7 磁齒輪M3氣隙磁密諧波分析Tab.7 Harmonics of inner and outer air-gap flux densities for M3 T

    由表8可見:1)對于磁齒輪M4,經(jīng)齒數(shù)為24的調(diào)制環(huán)調(diào)制后,5對極的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體可在內(nèi)氣隙中產(chǎn)生出幅值較高的5對極、15對極和29對極諧波。19對極的外轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢經(jīng)調(diào)制環(huán)調(diào)制后可在內(nèi)氣隙中產(chǎn)生極對數(shù)為5和19的諧波,且其幅值較高。因此,內(nèi)氣隙中5對極諧波為主要工作諧波,且產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較高。2)在外氣隙中,5對極的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁動勢經(jīng)齒數(shù)為24的調(diào)制環(huán)調(diào)制后,可產(chǎn)生較高的5對極和19對極諧波。外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)為19,其磁動勢經(jīng)調(diào)制環(huán)調(diào)制后可產(chǎn)生基于上述分析可知:與磁齒輪M2和M3相比,磁齒輪M4內(nèi)外氣隙中的工作諧波幅值均較高,其具有最強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩輸出能力;磁齒輪M2因其氣隙中的工作諧波幅值較低,其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩低于磁齒輪M3和M4.

    表8 磁齒輪M4氣隙磁密諧波分析Tab.8 Harmonics of inner and outer air-gap flux densities for M4 T

    19對極和43對極諧波,且其幅值均較高。因此,外氣隙中的主要工作諧波為19對極諧波,且內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的19對極諧波幅值均較高,從而使磁齒輪M4具有較高的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

    4.3 轉(zhuǎn)矩特性

    磁齒輪M1、M2、M3和M4的轉(zhuǎn)矩特性如圖5所示。由圖5可知:磁齒輪M1、M2、M3和M4內(nèi)轉(zhuǎn)子可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩分別為388.9 N·m、-1.7 N·m、-17.6 N·m和59 N·m;外轉(zhuǎn)子可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩分別為388.9 N·m、6.8 N·m、67.1 N·m和224 N·m.顯然,磁齒輪M1在4種磁齒輪中具有最強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩輸出能力,但其傳動比僅為1,不具有轉(zhuǎn)矩放大能力,表明該磁齒輪僅能用于非接觸式傳遞轉(zhuǎn)矩,其作用與連接軸或法蘭類似。磁齒輪M4具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和較大的傳動比,而磁齒輪M2和M3的輸出轉(zhuǎn)矩較低,一般不采用該極對數(shù)配合的磁齒輪。

    圖5 M1、M2、M3和M4的轉(zhuǎn)矩輸出特性Fig.5 Torques output characteristics of magnetic gears M1, M2,M3 and M4

    基于上述分析可知,極對數(shù)滿足表4中條件①的磁齒輪具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩傳遞能力,但其傳動比為1,不具有轉(zhuǎn)矩放大能力;若磁齒輪極對數(shù)滿足表4中的條件④,則該磁齒輪的傳動比為-No/Ni,且轉(zhuǎn)矩傳遞能力也較強(qiáng),但內(nèi)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反;極對數(shù)滿足表4中條件②和條件③的磁齒輪輸出轉(zhuǎn)矩較差,一般不予采用。

    因此,在設(shè)計(jì)磁齒輪時(shí),一般根據(jù)表4中的條件④對磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)、外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)和調(diào)制環(huán)齒數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),以獲得較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和更高的傳動比。

    5 樣機(jī)測試

    針對磁齒輪M4(內(nèi)轉(zhuǎn)子極對數(shù)為5,外轉(zhuǎn)子極對數(shù)為19,調(diào)制環(huán)齒數(shù)為24),本文進(jìn)行了樣機(jī)加工制造,其主要設(shè)計(jì)參數(shù)與表5中所給參數(shù)相同。該磁齒輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(a)所示,其中內(nèi)轉(zhuǎn)子與高速轉(zhuǎn)軸相連,外轉(zhuǎn)子與低速轉(zhuǎn)軸相連,調(diào)制位于內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間,其通過螺母與機(jī)殼相連。圖6(b)~圖6(e)分別為外轉(zhuǎn)子、調(diào)制環(huán)、內(nèi)轉(zhuǎn)子和整機(jī)實(shí)物圖。如圖6(c)所示,該磁齒輪調(diào)制環(huán)由多個(gè)調(diào)制齒拼接而成,相鄰調(diào)制齒之間通過環(huán)氧樹脂材料填充。同時(shí),為了增加調(diào)制環(huán)機(jī)械剛度,在調(diào)制環(huán)兩端施加端環(huán)進(jìn)行固定。磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體通過高強(qiáng)度膠進(jìn)行粘貼,確保其與轉(zhuǎn)子鐵心緊密接觸。為了進(jìn)一步增強(qiáng)內(nèi)轉(zhuǎn)子的可靠性,防止磁齒輪工作過程中永磁體脫落,內(nèi)轉(zhuǎn)子外圍利用碳纖維進(jìn)行了綁扎。

    圖6 極對數(shù)為5/19-24的磁齒輪樣機(jī)Fig.6 Prototype of magnetic gear with 5/19-24 pole pairs

    為驗(yàn)證該磁齒輪原理的可行性,本文開展空載試驗(yàn)測試了內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反,且內(nèi)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度滿足(11)式,即內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的-3.8倍,表明該磁齒輪的傳動比為-3.8,與理論分析完全一致。若不考慮磁齒輪自身損耗,則外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的3.8倍。

    圖7 磁齒輪轉(zhuǎn)速Fig.7 Operation speed of the prototype

    6 結(jié)論

    本文基于磁動勢- 比磁導(dǎo)理論推導(dǎo)了磁齒輪氣隙磁密解析式,深入分析了磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子永磁體經(jīng)調(diào)制環(huán)調(diào)制后產(chǎn)生的氣隙磁密諧波,并研究了磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)Ni、外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)No和調(diào)制環(huán)齒數(shù)Ns的選取原則。得出主要結(jié)論如下:

    1)No=Ni,且無調(diào)制環(huán),則磁齒輪具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩傳遞能力。此時(shí)內(nèi)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同,傳動比為1,對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速無增強(qiáng)或減小作用,可將其看作一種非接觸式聯(lián)軸器或法蘭,應(yīng)用于特種車輛、潛艇等特種裝備的扭矩傳遞裝置時(shí),可極大程度減小振動和噪聲。

    2)No+Ni=Ns,則磁齒輪的傳動比可設(shè)計(jì)的較大,具有降低轉(zhuǎn)速、增強(qiáng)扭矩的作用,且轉(zhuǎn)矩傳遞能力強(qiáng),可將其用作特種車輛傳動系統(tǒng)的減速裝置。

    3) 若No=Ni,且No+Ni=Ns,則內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同、旋轉(zhuǎn)方向相反、扭矩大小相同,將其應(yīng)用于直升飛機(jī),可省去反扭矩旋翼,從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),具有體積小、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

    由此可見,磁齒輪可對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速有一定的增強(qiáng)和減小作用,且具有無接觸、免維護(hù)、低振動、低噪聲等優(yōu)點(diǎn),在特殊軍工場合具有廣泛應(yīng)用前景。

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