永磁传动电动滚筒的研究

摘要

磁性齿轮依靠磁极间磁场的耦合作用实现扭矩的传递，具有低噪音、无磨损、耐冲击、长寿命等特点。在现有的永磁传动方案中，绝大多数结构的磁性齿轮对永磁材料的利用率较低，可传递的力矩也较小，从而限制了磁性齿轮的应用和推广。与其他结构的磁性齿轮相比，内啮合少齿差磁性齿轮具有较大的磁场耦合面积，能有效提高对磁性材料的利用率和磁性齿轮的转矩密度。尤其是随着高性能稀土永磁材料的研究和发展，使得磁性齿轮传动技术有了更为广阔的应用前景。
　　目前，国内外电动滚筒大多采用机械齿轮传动，由轮齿碰撞和摩擦引起的噪音及磨损难以避免。再加上国内机械产品的加工精度较低、技术创新不足，使得我国自主设计生产的电动滚筒故障率较高、噪音较大，质量难以满足市场需求。
　　本文基于径向充磁的内啮合少齿差磁性齿轮传动机构设计出了一种能满足使用要求的永磁传动电动滚筒，完成了如下方面的研究：
　　1、介绍了磁性齿轮传动技术在国内外的发展现状，并根据磁性齿轮传动的特点以及我国电动滚筒的发展现状，提出了将磁性齿轮传动技术与电动滚筒进行结合，以充分发挥磁性齿轮传动技术在动力传递过程中的优势。
　　2、介绍了永磁传动电动滚筒的结构和传动原理，并针对磁性齿轮传动中磁场的复杂性，叙述了采用有限元法和积分方程法对磁性齿轮的磁场和扭矩进行计算的原理。利用等效电流的理论，建立了径向充磁少齿差磁性齿轮中永磁体的简化物理模型，在该模型的基础上推导出磁性齿轮传动磁场与转矩的计算公式。
　　3、利用电磁场有限元仿真软件Ansoft Maxwell对少齿差磁性齿轮传动机构的传动特性进行了分析，包括少齿差磁性齿轮的磁场分布、矩角特性、传动的稳定性等，并对少齿差磁性齿轮机构各参数的变化对传动扭矩的影响进行了分析。
　　4、基于少齿差磁性齿轮传动机构的特性和工作原理，设计出了满足传动要求的永磁传动电动滚筒。根据电动滚筒的技术要求，对电动滚筒中少齿差磁性齿轮传动减速装置的磁极对数分布、永磁体材料的选择以及磁性齿轮的参数进行了计算和分析。
　　5、利用ANSYS Workbench有限元分析软件对永磁传动电动滚筒的传动部件进行有限元静力分析，得出了各部件的应力分布图和变形图，表明所设计的传动部件具有足够的强度和刚度。最后通过对电动滚筒的模态分析，得出了电动滚筒的固有频率和振型，表明永磁传动电动滚筒在正常工作状况下不会出现共振现象。

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目录

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 永磁材料的特性

1.3 磁性齿轮的发展综述

1.4 电动滚动的发展现状

1.5 永磁传动电动滚筒的应用前景

1.6 本文的主要研究内容

2 永磁传动电动滚筒的结构模型与理论分析

2.1 永磁传动电动滚筒的基本结构与工作原理

2.2 永磁齿轮磁场的计算

2.3 永磁齿轮转矩的计算

2.4 本章小结

3 少齿差磁性齿轮的有限元仿真与特性分析

3.1 Maxwell 2D/3D电磁场有限元分析软件简介

3.2 少齿差磁性齿轮转矩特性的仿真分析

3.3 少齿差磁性齿轮各参数对最大转矩的影响

3.4 本章小结

4 永磁传动电动滚筒的结构设计

4.1 技术要求

4.2 永磁传动电动滚筒磁性齿轮副设计

4.3 永磁传动电动滚筒的实体造型与虚拟装配

4.4 本章小结

5 永磁传动电动滚筒的有限元分析

5.1 ANSYS Workbench简介

5.2 永磁传动电动滚筒传动部件的静力有限元分析

5.3 永磁传动电动滚筒的模态分析

5.4 本章小结

6 总结与期望

6.1 全文总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利