高转矩密度永磁齿轮优化设计与比较研究

摘要

随着科技的发展，许多领域特别是新兴领域对齿轮传动装置提出了更高的要求，传统的机械齿轮由于存在接触损耗、噪音、机械振动以及需要定期维护等固有缺陷不能满足特定场合的应用要求，因此通过耦合磁场进行转矩转速传递的磁力齿轮得到快速发展。在众多磁力齿轮中，永磁行星齿轮（Magnetic Planetary Gear，简称MPG）和同轴永磁齿轮（Coaxial Magnetic Gear，简称CMG）因其高转矩密度及多端口特性得到了学者的广泛关注，并将其应用到诸如混合动力汽车、风力发电等新兴领域。目前，学者们主要侧重于分别对MPG和CMG的拓扑结构和动态响应性能的研究，鲜有系统地对上述两类高转矩密度永磁齿轮的转矩传递性能进行综合的定量分析比较。此外，对于MPG这一结构相对复杂的磁力齿轮装置尚且缺乏系统的设计优化方法，导致设计效率低下难以达到相关的设计要求。因此，本文针对上述存在的两大类问题做了如下工作： 首先，对MPG和CMG的结构特征、运行原理进行了详细的介绍，并分析了两类高转矩密度永磁齿轮在不同运行模式下各构件间的传动关系，为高转矩密度磁力齿轮的设计提供了理论性的指导。在相应理论依据的基础上通过定量设计法设计了具有相同永磁体用量和相同有效体积的 MPG 和 CMG，并采用有限元分析法对二者的转矩传递性能进行了客观公正的比较，通过对谐波转矩的分析对MPG和CMG在转矩传递性能上产生的差异进行了详细分析。 其次，针对MPG这一具有多个磁场耦合区域的磁力齿轮探究了永磁体充磁方式对MPG转矩传递性能的影响。按照分层优化设计的思想，以MPG在混合动力汽车领域的应用为研究背景根据多目标分层混合优化法对MPG进行优化设计，在优化过程中针对MPG定位力矩的优化提出了双向永磁体削极法，极大程度的降低了MPG的定位力矩和转矩脉动。 最后，基于优化结果，设计加工了一台MPG原理样机，并且搭建了模拟混合动力驱动实验平台对样机的转矩传递性能进行了测试，验证了本文中所提出设计优化方法的有效性以及合理性，并为今后深入研究高转矩密度永磁齿轮提供了相应地理论依据和实验支撑。

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摘 要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 磁力齿轮的发展及其潜在应用价值

1.3 本文主要研究的内容

第二章 高转矩密度永磁齿轮工作原理分析及拓扑结构设计

2.1 引言

2.2 MPG的结构特点与运行原理分析

2.3 CMG的结构特点与运行原理分析

2.4 MPG与CMG设计参数

2.5 本章小结

第三章 高转矩密度永磁齿轮转矩传动性能比较分析

3.1 引言

3.2 MPG与CMG磁场分布比较

3.3 MPG与CMG最大传递转矩对比

3.4 MPG与CMG稳态转矩与转矩脉动对比

3.5 MPG与CMG谐波转矩分析

3.6 本章小结

第四章 MPG的优化设计研究

4.1 引言

4.2 永磁体充磁方式对MPG转矩传递性能的影响

4.3 MPG的多目标分层混合优化

4.4 基于双向永磁体削极的次级目标函数优化

4.5 本章小结

第五章 MPG样机与混合驱动实验研究

5.1 引言

5.2 MPG样机结构

5.3 MPG在混合动力系统下的运行特性实验

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