外文翻譯--高性能磁齒輪的發(fā)展 中文版

1、<p><b>　　外文翻譯</b></p><p><b>　　高性能磁齒輪的發(fā)展</b></p><p>　　摘要：本文提出了一個高性能永磁齒輪的計算和測量結(jié)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(zhuǎn)常數(shù)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(jīng)被應(yīng)

2、用在實際中，以驗證、預測其效率。經(jīng)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(guān)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(jié)論，本文的研究結(jié)果可能有助于促進傳統(tǒng)機械齒輪向磁性齒

3、輪發(fā)展。</p><p>　　關(guān)鍵詞：有限元分析（FEA）、變速箱，高轉(zhuǎn)矩密度，磁性齒輪。</p><p><b>　　一、導言</b></p><p>　　由于永久磁鐵能產(chǎn)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(jīng)使得永久磁鐵在很多實際中廣泛的應(yīng)用，包括在起重機，揚聲器，接頭領(lǐng)域，尤

4、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(zhuǎn)矩密度由于永磁鐵的應(yīng)用顯著提高的小型機器的領(lǐng)域。在永久磁鐵沒有獲取高度重視的一個領(lǐng)域是傳動裝置的領(lǐng)域，也就是說，磁力聯(lián)軸器不被廣泛用于傳動裝置。磁性聯(lián)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 。</p><p>　　研究磁

5、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(guān)于由兩個突出的鋼柱旋轉(zhuǎn)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(shù)顯得相當有效，但是這顯然沒有利用在商業(yè)領(lǐng)域的想法，而在專利方面的技術(shù)可能因此已被遺忘。</p><p>　　另一個有趣的出版物提到有關(guān)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

6、同直徑和不同數(shù)量的永久磁鐵的磁盤的磁性齒輪，即，傳動裝置結(jié)構(gòu)頗為相似于機械直齒圓柱齒輪輪齒的結(jié)構(gòu)。在專利中，也對蝸輪與磁鐵的變化進行了描述。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(xiàn)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

7、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(jīng)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(shè)的齒輪得出結(jié)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(jié)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(yīng)用。文獻[4] - [6]中，通過有限元分析得出了齒輪的各項參數(shù)。一些有限元分析得出的結(jié)果也與已

8、經(jīng)被廣泛接受的實驗</p><p>　　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(shù)字和在文件中提出的主要數(shù)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

9、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(jié)論，此種變速箱齒輪可以應(yīng)用到汽車上。</p><p>　　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

10、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(xiàn)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(cè)的永久轉(zhuǎn)子也用于制造集成軸向永磁電機，并且扭矩傳輸是磁阻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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

11、速箱的先進樣機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(chǎn)生的。實際上于文獻[11]中提到的相似，文獻[10]</p><p>　　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

12、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(jié)論。</p><p>　　二、基本描述和有限元分析</p><p>　　本文考慮的磁齒輪箱如圖1。</p><p>　　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(jié)構(gòu)。這意味

13、著，高速轉(zhuǎn)子磁極對為Ph=4，低速轉(zhuǎn)子磁極對為Pt=22，定子分類的數(shù)量是Ns=26。由以下公式得到的齒輪傳動比為5.5 : 1。</p><p>　　公式：Ngear=Ph/（Ph-Ns）</p><p>　　與文獻[10]中的樣機相比，此處提出的變速箱構(gòu)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(zhuǎn)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

14、所產(chǎn)生的的離心力和磁鐵膠合。矩形永久磁鐵也可用于低速轉(zhuǎn)子側(cè)弧段。事實上，整個結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子橫截面的上的磁鐵實際上包括8塊磁鐵。</p><p>　　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(shù)列于表一。</p><p>　　應(yīng)該指出，標準的矩形磁體的使用可使變速箱工作能力下降。 </p&g

15、t;<p>　　在圖2，描繪了當達到最大檔扭矩時，高速和低速轉(zhuǎn)子被安置在同一位置時磁力線和感應(yīng)線的分布情況。如果高速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達45（1/8轉(zhuǎn)）而低速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變，那么變速箱就會產(chǎn)生最大檔的負扭矩。由于低速和高速轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)動可以得到可變的轉(zhuǎn)矩，這就像一個傳統(tǒng)的磁力聯(lián)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(guān)系呈現(xiàn)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(zhuǎn)子側(cè)的磁力線。大約有1/4的磁能被泄