磁力齿轮传动的发展概况与展望

磁力齿轮的出现丰富了磁力传动的形式,具有良好的应用前景。该文对传统磁力齿轮、高性能同轴式磁力齿轮、其他形式的磁力齿轮的研究发展概况分别进行了阐述,其中,重点介绍了高性能同轴式磁力齿轮的发展及其应用研究,并提出了磁力齿轮的四种运行形式。最后,对磁力齿轮在工程上的应用前景进行展望。     

阻尼绕组对磁力齿轮动态特性的改善

与传统机械齿轮相比,磁场调制式磁力齿轮输入与输出轴之间非机械连接,具有无磨损、无润滑、大速比与过载保护等特点,使得其在变速机械方面具有特殊应用价值。然而,由于两转子间存在非刚性磁耦合特性,导致在启动以及负载和速度发生变化时,出现暂态振荡现象。为了提高整个传动系统的动态稳定性,提出一种在高速转子侧增加阻尼绕组的结构设计,在电磁场有限元分析基础上,建立了动态仿真模型,对磁力齿轮增加阻尼绕组前后动态性能进行对比研究,结果证明阻尼绕组结构能有效减小传动系统的振荡幅值,缩短调节时间。     

高转矩密度偏心式谐波磁力齿轮原理与仿真设计

与同轴式磁力齿轮相比,偏心式谐波磁力齿轮更适用于大传动比领域.在传统磁力齿轮的基础上,外永磁体采用切向充磁且嵌入式安装在定子侧,内永磁体采用60°Halbach阵列.建立有限元分析模型,分析比较了两种磁力齿轮的磁场分布,在静态模型下分析了两种磁力齿轮的磁力线分布,对其气隙磁密、谐波与转矩分别进行对比分析.仿真结果表明,较传统的磁力齿轮结构,改进后的偏心式谐波磁力齿轮具有谐波含量小、转矩大、效率高等优点.     

一种基于工形调磁铁块的磁力齿轮的研究

基于磁场调制原理提出了一种应用于磁力齿轮的工形调磁铁块,建立了基于工形调磁铁块的磁力齿轮有限元模型。分析磁力齿轮内外气隙的磁密分布,论证了工形调磁铁块结构的可行性。通过计算磁力齿轮内外转子的最大静态转矩,发现基于工形调磁铁块的磁力齿轮有稳定的传动比和高转矩密度。研究磁力齿轮的稳态转矩特性,发现内外转子的转矩脉动存在很大差异。基于工形调磁铁块的磁力齿轮在拥有相同传动性能的同时,减少了材料的用量,降低了制造成本。     

磁力齿轮温度场仿真与试验研究

稀土钕铁硼永磁材料温度系数较高,高温下剩余磁密Br下降,磁力齿轮转矩传递能力降低;同时导致永磁体内禀矫顽力Hci下降,可能造成局部失磁,使磁力齿轮性能严重恶化。因此,对磁力齿轮的设计和运行而言,有必要研究其运行时内部温度场的分布。分析计算轴向磁场调制式磁力齿轮的热源分布情况,建立磁力齿轮三维温度场有限元模型,仿真计算磁力齿轮关键部件内的温度分布,完成样机温升试验验证工作。样机试验数据与有限元结果相吻合,验证了仿真模型的准确性,以及温度对磁力齿轮性能的影响。     

磁场调制式同心齿轮的结构优化和参数分析

首先简要介绍了磁场调制式同心齿轮的原理,在此基础上提出一种外转子改进型磁力齿轮拓扑结构,对其外转子磁力线和气隙磁密进行分析。用电磁分析软件建立磁力齿轮的有限元计算模型,改变调磁环铁心宽度及外转子永磁体的宽度和高度等参数,分别计算最大静态转矩,得到其与结构参数的关系。静态转矩随结构参数均呈先增大后减小的变化,表明选择合理的结构参数才能优化器件的性能,为磁力齿轮的设计提供了有益参考。     

Halbach阵列同心式磁力齿轮参数分析与优化设计

直驱式同心式磁力齿轮在低速大转矩领域有广泛的应用前景。为获得较正弦分布气隙磁场,所用永磁体采用Halbach阵列充磁,用二维全局解析法计算同心式磁力齿轮磁场分布;分析了调磁环铁心宽度、调磁环高度及外转子轭部厚度等参数与磁力齿轮最大静态转矩之间的关系。磁场全局解析法计算结果与有限元分析结果一致性较好,验证了解析模型的正确性;根据参数分析结果,制作了一台内转子4对极、外转子17对极的Halbach阵列同心式磁力齿轮样机,样机试验结果表明,合理选择结构参数可以提高磁力齿轮的转矩密度,对磁力齿轮的设计提供一种有益参考。     

分式线性变换下比磁导法在偏心式谐波磁力齿轮气隙磁场解析计算中的应用

偏心谐波磁力齿轮相比传统磁力齿轮具有高传动比下输出转矩密度大的特点,准确获得其气隙磁场分布是偏心谐波磁力齿轮设计及优化的关键。该文将分式线性变换与比磁导函数相结合,获得偏心谐波磁力齿轮气隙磁场的解析解。为克服切向磁导隐没的缺点,将极坐标系下的径向和切向比磁导计算转化为直角坐标系下的x、y方向的比磁导计算,由此修正未偏心的x、y方向的气隙磁场分量,然后根据叠加原理合成得到偏心谐波磁力齿轮气隙磁场分布。与有限元分析结果对比,解析法所得的气隙磁密、电磁转矩基本一致,验证了解析模型的有效性和合理性。     

轴向磁场调制型磁力齿轮的设计方法

分析轴向磁场调制型磁力齿轮运行机理,提出轴向磁场调制型磁力齿轮定子与转子关键部件的设计方法,从理论上阐述了定子厚度对磁力齿轮运行性能的影响;定子铁心硅钢片采取径向叠压方式可以最大程度地抑制定子铁耗;永磁体采取分块结构,可大幅降低磁钢涡流损耗.运用三维有限元仿真分析方法验证设计方法的合理性和可行性.样机试验进一步验证了仿真方法的正确性.     

磁场调制式磁力齿轮及其有限元计算

为避免机械齿轮振动,或要在分开物体间传递力矩,可以采用磁力齿轮传动装置。设计该磁力传动装置时需要对其设计参数进行精确计算。在电机设计时,使用有限元方法对一种大力矩磁力齿轮——磁场调制式磁力齿轮进行了磁场计算,为设计该磁力齿轮提供了有力的工具。     

新型永磁调磁式磁齿轮的设计与优化

为了提高磁齿轮的输出转矩和运行转速、减小永磁体的涡流损耗,提出一种新型永磁调磁式磁齿轮,分析其工作原理和转矩特性,结果表明相比较传统的磁齿轮,新型永磁调磁式磁齿轮具有传动效率高、转矩密度高、可高速传动的优点。在此基础上,为了获得新型磁齿轮的最优结构参数,以提升输出转矩和减小齿槽转矩为优化目标,提出一种基于参数敏感性和响应面法相结合的多目标优化方法,对新型磁齿轮的永磁调磁块、外转子及内转子永磁体等结构参数进行优化设计,利用有限元法分析优化前后新型磁齿轮的电磁性能,表明多目标优化方法可进一步提升新型磁齿轮的输出性能,为其应用和优化设计奠定了基础。     

传统充磁与正弦充磁磁齿轮磁场分布及转矩特性对比分析

为提高磁场调制式磁齿轮的转矩密度,改变传统充磁方式,分析了一种正弦充磁磁齿轮。利用Ansoft软件构建了两种充磁方式磁齿轮的有限元模型,在静态模型下分析了两种磁齿轮的磁力线分布,计算了内外层气隙磁通密度,获得了内外层气隙磁密的各主要谐波;计算了模型中内外转子的静态转矩和稳态运行转矩。对两种充磁方式磁齿轮的气隙磁密、谐波以及转矩进行了比较,结果表明在同体积下正弦充磁磁齿轮具有较小的谐波含量和较高的转矩。     

一种Halbach磁体结构同心磁力齿轮传动装置的设计和实现

提出了一种使用Halbach磁体结构产生磁场,并对磁场进行调制的同心磁力齿轮传动装置。该传动装置由机壳、安装在机壳内腔的悬臂式的外转子和内转予组成。内、外转子永磁体之间有调磁环。调磁环由铁心块组成,并固定在机壳的端板上。磁体结构采用Halbach阵列,得到的气隙磁密接近正弦分布。对样机测试后表明,该装置取得了较好的正弦磁场分布、稳定的转速比值和较高的传动效率。     

异步电机气隙磁场谐波成份的验证

异步电机气隙磁场谐波方面的论述甚多，在定量验证方面很不够。本文用富立叶分析系统研究鼠笼式异步电机气隙磁场谐波，研究结果表明：（１）对半闭口槽转子，计算空载磁场齿谐波时仍然要计及槽磁导波的影响；（２）在额定负载情况下，在磁场频谱的最大齿谐波附近，出现一束较强的齿谐波束，证实了鼠笼条中负载电流引起较大的齿顶漏磁场，磁场中最大的齿谐波束引起的径向力波，是负载电磁噪声的激振源，也是负载电磁噪声比空载高的原     

Contactless magnetic gear for robot control application

This paper describes the application of a magnetic gear to a robot by fulfilling the essential requirements for a robot control, which are velocity control, position control, and force control. A magnetic gear is a transmission device that realizes contactless torque transmission by applying a magnetic force. When using a magnetic gear, cogging torque and spring characteristics need to be considered. In this paper, we introduce an approximate model of cogging torque. This model is used for velocity control to attenuate the disturbance due to cogging torque. In the case of position control, the oscillations due to the spring effect of the magnetic attractive force become a problem. To reduce the adverse effect due to these oscillations, resonance ratio control is applied. We also propose to use a magnetic gear for realizing force sensorless bilateral control of teleoperation. Because of the frictionless transmission of a magnetic gear, the force sensorless estimation of a reaction force can be realized using a reaction force observer. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 184(4): 32–41, 2013; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.22414     

Development of a high-performance magnetic gear

This paper presents calculation and measurement results of a high-performance permanent-magnetic gear. The analyzed permanent-magnetic gear has a gear ratio of 5.5 and is able to deliver 27 N/spl middot/m. The analysis has shown that special attention needs to be paid to the system where the gear is to be installed because of a low natural torsion spring constant. The analyzed gear was also constructed in practice in order to validate the analysis and predict the efficiency. The measured torque from the magnetic gear was only 16 N/spl middot/m reduced by the large end-effects. A systematic analysis of the loss components in the magnetic gear is also performed in order to figure out why the efficiency for the actual construction was only 81%. A large magnetic loss component originated in the bearings, where an unplanned extra bearing was necessary due to mechanical problems. Without the losses of magnetic origin in the bearings and less end-effects caused by relatively short stack, an impressive efficiency estimated at 96% can be obtained. Comparison with classical mechanical gears has shown that the magnetic gear has a better efficiency and a comparable torque per volume density. Finally, it is concluded that the results in this paper may help to initiate a shift from mechanical gears to magnetic gears.     

三种充磁方式轴向磁齿轮的磁场和转矩特性比较

依据永磁体充磁方向和排列方式的不同,轴向磁齿轮可分为轴向充磁磁齿轮、聚磁式轴向磁齿轮和Halbach式轴向磁齿轮。采用3D有限元法对三种轴向磁齿轮的磁场、转矩特性和轴向力进行了比较。基于气隙磁场的谐波分析,利用公式计算出各次谐波磁场产生的转矩和轴向力,得出各次谐波磁场对转矩传递和轴向力的作用。比较表明,聚磁式轴向磁齿轮的转矩能力和永磁体利用率最大,比轴向充磁磁齿轮提高了17.5%和32.6%,比Halbach式轴向磁齿轮提高了2%和15.1%。Halbach式轴向磁齿轮的气隙中引起转矩波动的磁场谐波的幅值最小,转矩波动也最小。轴向充磁磁齿轮低速转子的轴向力最小,比聚磁式轴向磁齿轮小38.3%,比Halbach式轴向磁齿轮小32.7%。     

同轴式磁力齿轮试验样机的参数优化与设计改进

针对一台传动比为-15/7的同轴式磁力齿轮试验样机存在转矩密度偏低的问题,运用二维有限元法分析调磁极片的径向齿高、相对齿宽、连接桥位置及内外磁体充磁方式、磁体体积对转矩密度的影响,从而来寻找提升转矩密度的措施。结果表明,在不增加制造成本的前提下,通过改进调磁极片和磁体的相关参数使转矩密度提升43%,磁力齿轮外径缩小7.5mm。     

Optimal Design of Permanent Magnet Motor with Magnetic Gear and Prototype Verification

We designed a miniaturized permanent magnet synchronous motor with a magnetic gear by using an optimal design technique based on thermomagnetic field coupling analysis. To construct an even smaller motor, investigating the heat dissipation from the motor and increasing its rotation speed are necessary. We manufactured and tested the designed motor with a magnetic gear. The measured torque and motor efficiency demonstrated the high precision of the proposed design.