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外文翻譯
高性能磁齒輪的發(fā)展
摘要：本文提出了一個(gè)高性能永磁齒輪的計(jì)算和測量結(jié)果。上述分析的永磁齒輪有5.5的傳動(dòng)比，并能夠提供27 Nm的力矩。分析表明，由于它的彈簧扭轉(zhuǎn)常數(shù)很小，因此需要特別重視安裝了這種高性能永磁齒輪的系統(tǒng)。上述分析的齒輪也已經(jīng)被應(yīng)用在實(shí)際中，以驗(yàn)證、預(yù)測其效率。經(jīng)測量，由于較大端齒輪傳動(dòng)引起的磁力齒輪的扭矩只有16 Nm。一項(xiàng)關(guān)于磁齒輪效率損失的系統(tǒng)研究也展示了為什么實(shí)際工作效率只有81％。一大部分磁損耗起源于軸承，因?yàn)闄C(jī)械故障的存在，此軸承的備用軸承在此時(shí)是必要的。如果沒有源于軸的少量磁泄漏，我們估計(jì)能得到高達(dá)96％的效率。與傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪的比較表明，磁性齒輪具有更好的效率和單位體積較大扭矩。最后，可以得出結(jié)論，本文的研究結(jié)果可能有助于促進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械齒輪向磁性齒輪發(fā)展。
關(guān)鍵詞：有限元分析（FEA）、變速箱，高轉(zhuǎn)矩密度，磁性齒輪。
一、導(dǎo)言
由于永久磁鐵能產(chǎn)生磁通和磁力，雖然幾個(gè)世紀(jì)過去了，許多人仍然著迷于永久磁鐵。，在過去20年的復(fù)興階段，正是這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使得永久磁鐵在很多實(shí)際中廣泛的應(yīng)用，包括在起重機(jī)，揚(yáng)聲器，接頭領(lǐng)域，尤其是在永久磁鐵電機(jī)方面。其中對永磁鐵的復(fù)興最常見于效率和轉(zhuǎn)矩密度由于永磁鐵的應(yīng)用顯著提高的小型機(jī)器的領(lǐng)域。在永久磁鐵沒有獲取高度重視的一個(gè)領(lǐng)域是傳動(dòng)裝置的領(lǐng)域，也就是說，磁力聯(lián)軸器不被廣泛用于傳動(dòng)裝置。磁性聯(lián)軸器基本上可以被視為以傳動(dòng)比為1：1磁力齒輪。相比標(biāo)準(zhǔn)電氣機(jī)器有約10kN m/m的扭矩，裝有高能量永久磁鐵的磁耦有非常高的單位體積密度的扭矩，變化范圍大約300–400 kN 。
研究磁性齒輪的基本思路，可以追溯到20世紀(jì)初。一個(gè)有趣的例子是1913年的美國專利申請[1]提出的的關(guān)于由兩個(gè)突出的鋼柱旋轉(zhuǎn)軸組成的（電）磁齒輪的描述。兩個(gè)磁性軸連接于固定磁極（電）之間。即使在專利方面齒輪技也術(shù)顯得相當(dāng)有效，但是這顯然沒有利用在商業(yè)領(lǐng)域的想法，而在專利方面的技術(shù)可能因此已被遺忘。
另一個(gè)有趣的出版物提到有關(guān)磁性齒輪是從1940年，由美國專利Faus提交的。該專利描述了一種基于兩個(gè)不同直徑和不同數(shù)量的永久磁鐵的磁盤的磁性齒輪，即，傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)頗為相似于機(jī)械直齒圓柱齒輪輪齒的結(jié)構(gòu)。在專利中，也對蝸輪與磁鐵的變化進(jìn)行了描述。在1940年，只有鐵氧體磁鐵是可用的，它每單位體積提供的力大約只有20世紀(jì)80年代的現(xiàn)代釹鐵硼磁體的十分之一。當(dāng)前市面上所推薦使用的齒輪傳動(dòng)裝置仍然很落后，這是因?yàn)槊總€(gè)磁盤上只有一個(gè)磁體傳輸力矩，上述缺點(diǎn)都有可能在磁性齒輪的使用和研究方面使其受到使用限制，因此至今只有不到50本出版物被人所知。 在文獻(xiàn)[3] - [6]中提到了磁性齒輪。 在文獻(xiàn)[3]中，一個(gè)二維（2維）的計(jì)算方法已經(jīng)發(fā)展了，比較于有限元分析（FEA）它具有非常好的認(rèn)可度。如果把從文獻(xiàn)[3]中所假設(shè)的齒輪得出結(jié)果推廣到一個(gè)有（0.5毫米）氣隙的齒輪，這個(gè)釹鐵硼齒輪的單位體積扭矩大約是20 kN m/m左右。這樣得出的結(jié)果并不是很可觀，并且可以解釋此齒輪為什么不能得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[4] - [6]中，通過有限元分析得出了齒輪的各項(xiàng)參數(shù)。一些有限元分析得出的結(jié)果也與已經(jīng)被廣泛接受的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對比。
磁蝸輪蝸桿和斜齒輪也已在文獻(xiàn)[7][8]分析過了。再文獻(xiàn)[7]中介紹了加有磁鐵的實(shí)用蝸輪。磁蝸輪蝸桿有33：1的傳動(dòng)比，最大輸出扭矩為11.5 N米。齒輪的體積沒有描述，但是從這些數(shù)字和在文件中提出的主要數(shù)字可以得出它的實(shí)際體積量估計(jì)約為0.005立方米,，它所提供的單位扭矩是2.3kN m/m，也就是說磁齒輪的單位體積所受扭矩很小。 在文獻(xiàn)[8]中提到，可以把實(shí)用齒輪修改為一個(gè)斜齒輪。這樣可以使得磁性斜齒輪的扭矩比蝸輪蝸桿少五倍。因此，作者最終得出結(jié)論，此種變速箱齒輪可以應(yīng)用到汽車上。
上述所有文件提到的磁性齒輪都有比較低的永磁性，因此，單位體積提供的扭矩非常低。然而，[9]、[10]兩份文件似乎提出了另一種磁齒輪，這種齒輪利用了更高性能的永磁鐵，就像是行星變速箱上的齒輪一樣，但相對文獻(xiàn)[1]有了一些修改。在這兩個(gè)文件，低磁阻的多級鋼制部件傳遞了穩(wěn)定的扭矩。這部分的想法來源于高速到多極低速永久磁極磁場整流的現(xiàn)象。另外，在兩篇論文中齒輪的基本要素是相同的。在文獻(xiàn) [9]中，高速側(cè)的永久轉(zhuǎn)子也用于制造集成軸向永磁電機(jī)，并且扭矩傳輸是磁阻轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)。在文獻(xiàn)[10]中的傳遞扭矩是更傳統(tǒng)的永久磁鐵對準(zhǔn)扭矩。 文獻(xiàn)[9]中提出的齒輪，似乎有許多機(jī)械故障是由軸向布局和使用磁阻轉(zhuǎn)矩引起的，由于這里需要一個(gè)非常小的空氣間隙（40M）。在實(shí)際的情況下，傳動(dòng)是有機(jī)械摩擦的，因此，速度受到了限制。而同時(shí)裝有電機(jī)和變速箱的先進(jìn)樣機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是相當(dāng)可觀的。如果安裝的樣機(jī)密度足夠8000 kg/m ，那么文件中敘述的9 N m/kg就對用于72 kN m/m。 在文獻(xiàn)[10]中提到，一個(gè)相對比較大的可用氣體間隙（1毫米）是由永久磁鐵的校準(zhǔn)扭矩產(chǎn)生的。實(shí)際上于文獻(xiàn)[11]中提到的相似，文獻(xiàn)[10]中提到的齒輪箱的缺點(diǎn)是它只有理論上的單位體積的力矩。在文獻(xiàn)中，對于活性材料單位體積的扭矩計(jì)算出來后超過100 kN m/m。所有的被引用的論文都說明由于能消除傳統(tǒng)的機(jī)械變速箱的摩擦損失，磁變速箱有比較高的效率，，但是這種說法既沒有經(jīng)過測量，也沒有經(jīng)過計(jì)算。因此，在文獻(xiàn)缺少的是一種擁有高扭矩永磁性齒輪箱的實(shí)際例子，而這中齒輪箱具有與理論上計(jì)算上相等的扭矩能力。測量效率也是一個(gè)重要的參數(shù)，它是用來評估這個(gè)新型的有前途的技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械變速箱的優(yōu)點(diǎn)。本文將著重提供上述缺失的材料。
本文分為五節(jié)，第二節(jié)涉及一個(gè)總體的介紹和每體積密度高扭矩永磁齒輪的有限元分析。接著，在第三節(jié)，描述了實(shí)用齒輪箱的發(fā)展。在第四節(jié)中介紹了正在測試先進(jìn)磁齒輪箱以及它于理論上預(yù)測的扭矩傳輸能力的比較。此后，在第五部分介紹了它于傳統(tǒng)的商用變速箱的比較，在第五部分，最后，在第六節(jié)給出了結(jié)論。
二、基本描述和有限元分析
本文考慮的磁齒輪箱如圖1。
磁齒輪箱具有于文獻(xiàn)[10] 在理論上所描述的相同磁極齒輪箱和定子的部分結(jié)構(gòu)。這意味著，高速轉(zhuǎn)子磁極對為Ph=4，低速轉(zhuǎn)子磁極對為Pt=22，定子分類的數(shù)量是Ns=26。由以下公式得到的齒輪傳動(dòng)比為5.5 : 1。
公式：Ngear=Ph/（Ph-Ns）
與文獻(xiàn)[10]中的樣機(jī)相比，此處提出的變速箱構(gòu)造更加可行。不是像文獻(xiàn)[10]中的在一個(gè)表面安裝的類型，高速轉(zhuǎn)子是一中常被談到的類型。這樣做，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的矩形磁體，因而需要更少考慮所產(chǎn)生的的離心力和磁鐵膠合。矩形永久磁鐵也可用于低速轉(zhuǎn)子側(cè)弧段。事實(shí)上，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過使用許多相同的幾何形狀矩形的永久磁鐵而變得先進(jìn)了，這使每個(gè)低速轉(zhuǎn)子橫截面的上的磁鐵實(shí)際上包括8塊磁鐵。
在自由的有限元程序的幫助下我們對磁力齒輪顯示圖1進(jìn)行了靜態(tài)分析。所得的變速箱參數(shù)列于表一。
應(yīng)該指出，標(biāo)準(zhǔn)的矩形磁體的使用可使變速箱工作能力下降。
在圖2，描繪了當(dāng)達(dá)到最大檔扭矩時(shí)，高速和低速轉(zhuǎn)子被安置在同一位置時(shí)磁力線和感應(yīng)線的分布情況。如果高速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達(dá)45（1/8轉(zhuǎn)）而低速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變，那么變速箱就會產(chǎn)生最大檔的負(fù)扭矩。由于低速和高速轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)可以得到可變的轉(zhuǎn)矩，這就像一個(gè)傳統(tǒng)的磁力聯(lián)軸器的工作原理一樣。在雙方的耦合下扭矩相對于位移的關(guān)系呈現(xiàn)出一個(gè)半正弦的圖像。在圖2中值得注意的是輪輻磁鐵在高速轉(zhuǎn)子側(cè)的磁力線。大約有1/4的磁能被泄漏于軸承附近了。這也表明永磁鐵利用范圍小的一個(gè)原因，同時(shí)暗示了在實(shí)際應(yīng)用中較大端影響的效應(yīng)是可能存在的。
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