新型直线旋转运动磁力耦合器的设计与分析

摘要

与机械齿轮相比，磁力耦合器具有非接触式传动，无摩擦、噪音小和振动弱;无需润滑，自动过载保护等优点。近年来，磁力耦合器的研究不断深入，新型拓扑结构层出不穷，磁力耦合器的转矩密度大幅提升，运行性能不断提高，在诸多应用领域已经取代机械齿轮。除功率密度和运行性能以外，多自由度运动也是磁力耦合器的研究方向之一。工业技术的不断发展和传动领域装置的日趋复杂，对磁力耦合器的运动形式提出了更高的要求。
　　本文吸收和拓展现有研究成果，将磁场调制原理融入磁力耦合器，结合磁力耦合器的运动形式，提出了一种新型的直线旋转运动磁力耦合器。该耦合器具有结构形式灵活、磁场耦合面积大、功率密度高等优点。本文围绕新型直线旋转运动磁力耦合器展开研究，主要研究工作包括:
　　1)按时间顺序综述磁力耦合器的发展历程，根据磁场特性和运动形式分类磁力耦合器，分析各类磁力耦合器的特点，揭示磁力耦合器的研究热点、应用和进一步研究工作。
　　2)解析分析直线旋转运动磁力耦合器的磁场调制原理和工作原理，揭示磁场调制原理在磁力耦合器中的应用价值。
　　3)提出一种永磁磁场相互作用下电磁转矩和电磁推力的计算方法，将永磁体依次等效为面电流和线电流，基于洛伦兹力计算转矩和推力;分析不同结构调磁铁块的调磁性能，从磁密幅值和谐波次数进行判断，找到调磁铁块的最优结构，确定磁力耦合器的初始设计参数。
　　4)基于Maxwell建立有限元计算模型，计算和分析磁场分布、静态转矩、静态推力、定位转矩和定位力等静态特性;给出直线旋转运动磁力耦合器性能测试方法，完成静态转矩、静态推力、定位转矩和定位力的实验测试，指出影响实验结果的重要因素。
　　5)建立直线旋转运动磁力耦合器的有限元参数化模型，分析各个设计参数对磁力耦合器性能的影响;采用实验设计的方法，综合优化直线旋转运动磁力耦合器的结构参数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和选题意义

1．2 磁力耦合器发展概述

1．3 磁力耦合器分类

1．3．1 按磁场特性分类

1．3．2 按运动形式分类

1．4 磁力耦合器研究内容

1．4．1 研究热点

1．4．2 应用前景

1．4．3 进一步研究工作

1．5 本文研究内容和论文结构

1．5．1 本文研究内容

1．5．2 论文结构

第二章 磁力耦合器基本结构与工作原理

2．1 引言

2．2 基本结构

2．3 磁场调制原理

2．4 工作原理

2．5 本章小结

第三章 磁力耦合器的设计

3．1 引言

3．2 基于永磁体作用等效方法的转矩和推力计算

3．2．1 永磁体等效为面电流

3．2．2 面电流等效为线电流

3．2．3 转矩计算

3．2．4 推力计算

3．3 调磁铁块结构设计

3．3．1 计算方法与建模

3．3．2 “I”形调磁铁块

3．3．3 “L”形调磁铁块

3．3．4 径向发散形调磁铁块

3．4 磁力耦合器结构参数

3．5 本章小结

第四章 磁力耦合器的静态特性

4．1 引言

4．2 静态特性计算与分析

4．2．1 磁场分布

4．2．2 静态转矩

4．2．3 静态推力

4．2．4 定位转矩

4．2．5 定位力

4．3 实验结果与分析

4．3．1 实验平台

4．3．2 实验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 磁力耦合器设计参数综合优化

5．1 引言

5．2 结构参数对静态特性影响

5．2．1 结构参数几何约束关系

5．2．2 内外气隙大小的影响

5．2．3 调磁铁块径向长度的影响

5．2．4 调磁铁块宽度的影响

5．3 磁力耦合器的优化设计

5．3．1 DOE方法

5．3．2 推力和转矩最大化设计

5．3．3 定位力和定位转矩最小化设计

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间发表的专利

致谢