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1 外文翻譯 高性能磁齒輪的發(fā)展 摘要 本文提出了一個高性能永磁齒輪的計算和測量結果 上述分析的永磁齒輪有 5 5 的傳動比 并能夠提供 27 Nm 的力矩 分析表明 由于它的彈簧扭轉常數很小 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被應用在實際中 以驗證 預測其效率 經測量 由于較大端齒輪傳動引起的磁力齒輪的扭矩只有 16 Nm 一項關于磁齒輪效率損失的系統(tǒng)研究也展示了為什么實際工作效率只有 81 一大 部分磁損耗起源于軸承 因為機械故障的存在 此軸承的備用軸承在此時是必要的 如 果沒有源于軸的少量磁泄漏 我們估計能得到高達 96 的效率 與傳統(tǒng)的機械齒輪的比 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 可以得出結論 本文的 研究結果可能有助于促進傳統(tǒng)機械齒輪向磁性齒輪發(fā)展 關鍵詞 有限元分析 FEA 變速箱 高轉矩密度 磁性齒輪 一 導言 由于永久磁鐵能產生磁通和磁力 雖然幾個世紀過去了 許多人仍然著迷于永久磁 鐵 在過去 20 年的復興階段 正是這些優(yōu)點已經使得永久磁鐵在很多實際中廣泛的應 用 包括在起重機 揚聲器 接頭領域 尤其是在永久磁鐵電機方面 其中對永磁鐵的 復興最常見于效率和轉矩密度由于永磁鐵的應用顯著提高的小型機器的領域 在永久磁 鐵沒有獲取高度重視的一個領域是傳動裝置的領域 也就是說 磁力聯軸器不被廣泛用 于傳動裝置 磁性聯軸器基本上可以被視為以傳動比為 1 1 磁力齒輪 相比標準電氣機 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 世紀初 一個有趣的例子是 1913 年的美 國專利申請 1 提出的的關于由兩個突出的鋼柱旋轉軸組成的 電 磁齒輪的描述 兩個 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顯得相當有效 但是這 顯然沒有利用在商業(yè)領域的想法 而在專利方面的技術可能因此已被遺忘 另一個有趣的出版物提到有關磁性齒輪是從 1940 年 由美國專利 Faus 提交的 該 專利描述了一種基于兩個不同直徑和不同數量的永久磁鐵的磁盤的磁性齒輪 即 傳動 裝置結構頗為相似于機械直齒圓柱齒輪輪齒的結構 在專利中 也對蝸輪與磁鐵的變化 2 進行了描述 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 80 年代的現代釹鐵硼磁體的十分之一 當前市面上所推薦使用的齒輪傳動裝置仍 然很落后 這是因為每個磁盤上只有一個磁體傳輸力矩 上述缺點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 3 6 中提到了磁性齒輪 在文獻 3 中 一個二維 2 維 的計算方法已經發(fā)展了 比較于有限元分析 FEA 它具有非常好的認可度 如果把從文獻 3 中所假設的齒輪得 出結果推廣到一個有 0 5 毫米 氣隙的齒輪 這個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 廣泛應用 文獻 4 6 中 通過有限元分析得出了齒輪的各項參數 一些有限元分析得 出的結果也與已經被廣泛接受的實驗結果做了對比 磁蝸輪蝸桿和斜齒輪也已在文獻 7 8 分析過了 再文獻 7 中介紹了加有磁鐵的實用 蝸輪 磁蝸輪蝸桿有 33 1 的傳動比 最大輸出扭矩為 11 5 N 米 齒輪的體積沒有描述 但是從這些數字和在文件中提出的主要數字可以得出它的實際體積量估計約為 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 8 中提到 可以把實用齒輪修改為一個斜齒輪 這樣可以使得磁性斜齒輪的扭矩 比蝸輪蝸桿少五倍 因此 作者最終得出結論 此種變速箱齒輪可以應用到汽車上 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 1 有了一些修改 在這兩個文件 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 極磁場整流的現象 另外 在兩篇論文中齒輪的基本要素是相同的 在文獻 9 中 高速 側的永久轉子也用于制造集成軸向永磁電機 并且扭矩傳輸是磁阻轉矩的傳動 在文獻 10 中的傳遞扭矩是更傳統(tǒng)的永久磁鐵對準扭矩 文獻 9 中提出的齒輪 似乎有許多機 械故障是由軸向布局和使用磁阻轉矩引起的 由于這里需要一個非常小的空氣間隙 40M 在實際的情況下 傳動是有機械摩擦的 因此 速度受到了限制 而同時裝有 電機和變速箱的先進樣機所產生的轉矩是相當可觀的 如果安裝的樣機密度足夠 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 10 中提到 一個相 對比較大的可用氣體間隙 1 毫米 是由永久磁鐵的校準扭矩產生的 實際上于文獻 11 中提到的相似 文獻 10 中提到的齒輪箱的缺點是它只有理論上的單位體積的力矩 在文 獻中 對于活性材料單位體積的扭矩計算出來后超過 100 kN m m 所有的被引用的論文 3 都說明由于能消除傳統(tǒng)的機械變速箱的摩擦損失 磁變速箱有比較高的效率 但是這 種說法既沒有經過測量 也沒有經過計算 因此 在文獻缺少的是一種擁有高扭矩永磁 性齒輪箱的實際例子 而這中齒輪箱具有與理論上計算上相等的扭矩能力 測量效率也 是一個重要的參數 它是用來評估這個新型的有前途的技術 與傳統(tǒng)的機械變速箱的優(yōu) 點 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) 描述了實用齒輪箱的發(fā)展 在第四節(jié)中介紹了正在測試先進磁 齒輪箱以及它于理論上預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 10 在理論上所描述的相同磁極齒輪箱和定子的部分結構 這 意味著 高速轉子磁極對為 Ph 4 低速轉子磁極對為 Pt 22 定子分類的數量是 Ns 26 由以下公式得到的齒輪傳動比為 5 5 1 公式 Ngear Ph Ph Ns 與文獻 10 中的樣機相比 此處提出的變速箱構造更加可行 不是像文獻 10 中的在 一個表面安裝的類型 高速轉子是一中常被談到的類型 這樣做 可以使用標準的矩形 磁體 因而需要更少考慮所產生的的離心力和磁鐵膠合 矩形永久磁鐵也可用于低速轉 子側弧段 事實上 整個結構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 了 這使每個低速轉子橫截面的上的磁鐵實際上包括 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 進行了靜態(tài)分析 所得的變 速箱參數列于表一 應該指出 標準的矩形磁體的使用可使變速箱工作能力下降 在圖 2 描繪了當達到最大檔扭矩時 高速和低速轉子被安置在同一位置時磁力線和 感應線的分布情況 如果高速轉子轉速到達 45 1 8 轉 而低速轉子轉速保持不變 那 么變速箱就會產生最大檔的負扭矩 由于低速和高速轉子之間的相對轉動可以得到可變 的轉矩 這就像一個傳統(tǒng)的磁力聯軸器的工作原理一樣 在雙方的耦合下扭矩相對于位 移的關系呈現出一個半正弦的圖像 在圖 2 中值得注意的是輪輻磁鐵在高速轉子側的磁 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原因 同時暗示了在實際應用中較大端影響的效應是可能存在的