【期刊】高性能磁齿轮的发展-中文翻译

1外文翻译高性能磁齿轮的发展摘要：本文提出了一个高性能永磁齿轮的计算和测量结果。上述分析的永磁齿轮有 5.5的传动比，并能够提供 27 Nm 的力矩。分析表明，由于它的弹簧扭转常数很小，因此需要特别重视安装了这种高性能永磁齿轮的系统。上述分析的齿轮也已经被应用在实际中，以验证、预测其效率。经测量，由于较大端齿轮传动引起的磁力齿轮的扭矩只有 16 Nm。一项关于磁齿轮效率损失的系统研究也展示了为什么实际工作效率只有 81。一大部分磁损耗起源于轴承，因为机械故障的存在，此轴承的备用轴承在此时是必要的。如果没有源于轴的少量磁泄漏，我们估计能得到高达 96的效率。与传统的机械齿轮的比较表明，磁性齿轮具有更好的效率和单位体积较大扭矩。最后，可以得出结论，本文的研究结果可能有助于促进传统机械齿轮向磁性齿轮发展。关键词：有限元分析（FEA）、变速箱，高转矩密度，磁性齿轮。一、导言由于永久磁铁能产生磁通和磁力，虽然几个世纪过去了，许多人仍然着迷于永久磁铁。，在过去 20 年的复兴阶段，正是这些优点已经使得永久磁铁在很多实际中广泛的应用，包括在起重机，扬声器，接头领域，尤其是在永久磁铁电机方面。其中对永磁铁的复兴最常见于效率和转矩密度由于永磁铁的应用显著提高的小型机器的领域。在永久磁铁没有获取高度重视的一个领域是传动装置的领域，也就是说，磁力联轴器不被广泛用于传动装置。磁性联轴器基本上可以被视为以传动比为 1：1 磁力齿轮。相比标准电气机器有约 10kN m/m 的扭矩，装有高能量永久磁铁的磁耦有非常高的单位体积密度的扭矩，变化范围大约 300400 kN 。研究磁性齿轮的基本思路，可以追溯到 20 世纪初。一个有趣的例子是 1913 年的美国专利申请1 提出的的关于由两个突出的钢柱旋转轴组成的（电）磁齿轮的描述。两个磁性轴连接于固定磁极（电）之间。即使在专利方面齿轮技也术显得相当有效，但是这显然没有利用在商业领域的想法，而在专利方面的技术可能因此已被遗忘。另一个有趣的出版物提到有关磁性齿轮是从 1940 年，由美国专利 Faus 提交的。该专利描述了一种基于两个不同直径和不同数量的永久磁铁的磁盘的磁性齿轮，即，传动装置结构颇为相似于机械直齿圆柱齿轮轮齿的结构。在专利中，也对蜗轮与磁铁的变化2进行了描述。在 1940 年，只有铁氧体磁铁是可用的，它每单位体积提供的力大约只有20 世纪 80 年代的现代钕铁硼磁体的十分之一。当前市面上所推荐使用的齿轮传动装置仍然很落后，这是因为每个磁盘上只有一个磁体传输力矩，上述缺点都有可能在磁性齿轮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。 在文献3 - 6中提到了磁性齿轮。 在文献3中，一个二维（2 维）的计算方法已经发展了，比较于有限元分析（FEA）它具有非常好的认可度。如果把从文献3 中所假设的齿轮得出结果推广到一个有（0.5 毫米）气隙的齿轮，这个钕铁硼齿轮的单位体积扭矩大约是20 kN m/m 左右。这样得出的结果并不是很可观，并且可以解释此齿轮为什么不能得到广泛应用。文献4 - 6中，通过有限元分析得出了齿轮的各项参数。一些有限元分析得出的结果也与已经被广泛接受的实验结果做了对比。磁蜗轮蜗杆和斜齿轮也已在文献78分析过了。再文献 7中介绍了加有磁铁的实用蜗轮。磁蜗轮蜗杆有 33： 1 的传动比，最大输出扭矩为 11.5 N 米。齿轮的体积没有描述，但是从这些数字和在文件中提出的主要数字可以得出它的实际体积量估计约为 0.005 立方米, ，它所提供的单位扭矩是 2.3kN m/m，也就是说磁齿轮的单位体积所受扭矩很小。 在文献8中提到，可以把实用齿轮修改为一个斜齿轮。这样可以使得磁性斜齿轮的扭矩比蜗轮蜗杆少五倍。因此，作者最终得出结论，此种变速箱齿轮可以应用到汽车上。上述所有文件提到的磁性齿轮都有比较低的永磁性，因此，单位体积提供的扭矩非常低。然而，9 、10两份文件似乎提出了另一种磁齿轮，这种齿轮利用了更高性能的永磁铁，就像是行星变速箱上的齿轮一样，但相对文献1有了一些修改。在这两个文件，低磁阻的多级钢制部件传递了稳定的扭矩。这部分的想法来源于高速到多极低速永久磁极磁场整流的现象。另外，在两篇论文中齿轮的基本要素是相同的。在文献 9中，高速侧的永久转子也用于制造集成轴向永磁电机，并且扭矩传输是磁阻转矩的传动。在文献10中的传递扭矩是更传统的永久磁铁对准扭矩。 文献9中提出的齿轮，似乎有许多机械故障是由轴向布局和使用磁阻转矩引起的，由于这里需要一个非常小的空气间隙（40M ）。在实际的情况下，传动是有机械摩擦的，因此，速度受到了限制。而同时装有电机和变速箱的先进样机所产生的转矩是相当可观的。如果安装的样机密度足够 8000 kg/m ，那么文件中叙述的 9 N m/kg 就对用于 72 kN m/m。 在文献10 中提到，一个相对比较大的可用气体间隙（1 毫米）是由永久磁铁的校准扭矩产生的。实际上于文献11中提到的相似，文献10 中提到的齿轮箱的缺点是它只有理论上的单位体积的力矩。在文献中，对于活性材料单位体积的扭矩计算出来后超过 100 kN m/m。所有的被引用的论文3都说明由于能消除传统的机械变速箱的摩擦损失，磁变速箱有比较高的效率，但是这种说法既没有经过测量，也没有经过计算。因此，在文献缺少的是一种拥有高扭矩永磁性齿轮箱的实际例子，而这中齿轮箱具有与理论上计算上相等的扭矩能力。测量效率也是一个重要的参数，它是用来评估这个新型的有前途的技术，与传统的机械变速箱的优点。本文将着重提供上述缺失的材料。本文分为五节，第二节涉及一个总体的介绍和每体积密度高扭矩永磁齿轮的有限元分析。接着，在第三节，描述了实用齿轮箱的发展。在第四节中介绍了正在测试先进磁齿轮箱以及它于理论上预测的扭矩传输能力的比较。此后，在第五部分介绍了它于传统的商用变速箱的比较，在第五部分，最后，在第六节给出了结论。二、基本描述和有限元分析本文考虑的磁齿轮箱如图 1。磁齿轮箱具有于文献10 在理论上所描述的相同磁极齿轮箱和定子的部分结构。这意味着，高速转子磁极对为 Ph=4，低速转子磁极对为 Pt=22，定子分类的数量是Ns=26。由以下公式得到的齿轮传动比为 5.5 : 1。公式：Ngear=Ph/（Ph-Ns）与文献10中的样机相比，此处提出的变速箱构造更加可行。不是像文献10 中的在一个表面安装的类型，高速转子是一中常被谈到的类型。这样做，可以使用标准的矩形磁体，因而需要更少考虑所产生的的离心力和磁铁胶合。矩形永久磁铁也可用于低速转子侧弧段。事实上，整个结构通过使用许多相同的几何形状矩形的永久磁铁而变得先进了，这使每个低速转子横截面的上的磁铁实际上包括 8 块磁铁。在自由的有限元程序的帮助下我们对磁力齿轮显示图 1 进行了静态分析。所得的变速箱参数列于表一。应该指出，标准的矩形磁体的使用可使变速箱工作能力下降。 在图 2，描绘了当达到最大档扭矩时，高速和低速转子被安置在同一位置时磁力线和感应线的分布情况。如果高速转子转速到达 45（ 1/8 转）而低速转子转速保持不变，那么变速箱就会产生最大档的负扭矩。由于低速和高速转子之间的相对转动可以得到可变的转矩，这就像一个传统的磁力联轴器的工作原理一样。在双方的耦合下扭矩相对于位移的关系呈现出一个半正弦的图像。在图 2 中值得注意的是轮辐磁铁在高速转子侧的磁力线。大约有 1/4 的磁能被泄漏于轴承附近了。这也表明永磁铁利用范围小的一个原因，同时暗示了在实际应用中较大端影响的效应是可能存在的。