永磁體助磁的磁力齒輪理論分析與優(yōu)化設計

摘要：【目的】針對表貼式磁力齒輪存在的結構強度低和凸極磁阻式磁力齒輪存在的轉矩脈動大的問題，提出了一種永磁體助磁的磁力齒輪結構?！痉椒ā渴紫?，介紹了該磁力齒輪的基本結構和工作原理，其內(nèi)轉子采用了與永磁體助磁式磁阻電動機相似的轉子結構；其次，推導并獲取了一種計算磁力齒輪內(nèi)、外氣隙磁密分布的解析式，分析了磁力齒輪特性；最后，以提高輸出轉矩和降低轉矩脈動為目標，進行多目標優(yōu)化，并通過有限元仿真驗證了理論分析的準確性?！窘Y果】研究為永磁體助磁的磁力齒輪設計提供了參考。

關鍵詞：磁力齒輪；解析法；氣隙磁密；多目標優(yōu)化

中圖分類號：TH132. 4 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 011

0 引言

齒輪的主要作用是實現(xiàn)轉速和轉矩的轉換。機械齒輪存在許多固有問題[1]，其中一些問題可通過采用磁力齒輪得到解決，因此，磁力齒輪受到了越來越廣泛的關注和重視。目前市面上的新型電動汽車均采用了磁力齒輪技術，這種技術不僅使電動汽車變得更加輕便，而且使行駛中產(chǎn)生的噪聲顯著降低。在機械制造方面，可通過采用磁力齒輪替代傳統(tǒng)的機械齒輪的方式實現(xiàn)精密傳動，延長使用壽命[2-5]。此外，磁力齒輪技術還可以應用于磁力發(fā)電中，高效的傳動方式可以降低能耗?？傊帕X輪作為一種新型傳動機構，具有優(yōu)越的性能和廣泛的應用前景[6]。

文獻[7]提出了一種新型徑向同心式磁場調(diào)制型磁力齒輪拓撲結構，這種磁力齒輪的永磁體利用率高，傳動轉矩大且轉矩密度高，但僅適用于中、低速傳動。為了進一步改善磁力齒輪的性能，文獻[8]中的內(nèi)、外轉子永磁體均采用了Halbach充磁方式，這種方式可以增加氣隙磁場強度、改善磁力齒輪的轉矩能力，但由于充磁方式復雜，安裝成本較高。為了提高機械可靠性，文獻[9]中的內(nèi)轉子采用輻條嵌入式永磁體排布，該結構有一定的聚磁效應，能夠增強磁力齒輪的傳遞能力。文獻[10]8600905根據(jù)游標磁阻電動機原理，提出了一種磁阻式磁力齒輪，該結構的高速轉子采用了簡單的疊壓硅鋼片式凸極結構，有效簡化了高速轉子機械結構、增加了機械強度，因此，適用于高速、超高速傳動。但由于這種磁力齒輪的永磁體總用量少于傳統(tǒng)表貼式磁力齒輪，所以，其轉矩密度小，僅為傳統(tǒng)磁力齒輪的30%～40%，且轉矩脈動較大。文獻[11]101-102提出了一種內(nèi)轉子含有磁障結構的磁力齒輪，該磁力齒輪有效改善了磁阻式磁力齒輪轉矩脈動大的問題，但其輸出轉矩依舊低于傳統(tǒng)磁力齒輪。

本文對一種新型內(nèi)轉子結構的磁力齒輪進行了研究。利用等效磁路法和解析法，對該磁力齒輪的氣隙磁密進行分析，通過有限元仿真研究其傳動性能，并根據(jù)永磁體助磁的磁力齒輪的傳動特點，圍繞提高輸出轉矩和降低轉矩脈動的目的，對該磁力齒輪進行了多目標優(yōu)化設計。

1 基本結構與工作原理

1. 1 基本結構

永磁體助磁的磁力齒輪主要由3個部分構成：外轉子、調(diào)磁環(huán)和內(nèi)轉子。外轉子鐵軛的內(nèi)表面貼有徑向充磁的永磁體（相鄰永磁體反向充磁）；調(diào)磁環(huán)由固定不動的硅鋼片和非導磁物質交替排列構成；內(nèi)轉子結構與永磁體助磁的同步磁阻電動機的轉子相似，設計為3 層磁障結構。選用3 層磁障結構是因為相較于其他多層磁障結構，其更有利于減小該磁力齒輪的轉矩波動。在磁障中嵌入平行充磁的鐵氧體，3部分由兩層氣隙隔開（靠近內(nèi)轉子的稱為內(nèi)氣隙，靠近外轉子的稱為外氣隙），無機械接觸，內(nèi)外轉子可以自由旋轉。永磁體助磁的磁力齒輪截面如圖1所示。