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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 具有外轉(zhuǎn)子型磁阻式永磁齒輪的研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 齒輪傳動(dòng)在現(xiàn)代動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)相當(dāng)重要的地位，但是現(xiàn)有的齒輪基本都是依靠直接接觸嚙合進(jìn)行能量傳輸?shù)模嬖谛实?、噪音大、需?rùn)滑、大變比場(chǎng)合需要多級(jí)變速的缺陷。根據(jù)磁通總是力圖通過(guò)磁阻最小路徑的原理，參考磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生特點(diǎn)，我們提出了一種非接觸式大變比磁性齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是以我們獨(dú)創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩星理論為基礎(chǔ)，屬國(guó)際首創(chuàng)。該結(jié)構(gòu)具有磁體利用率高、傳動(dòng)比大、效率高、噪聲小、易維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、研究目的 本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)嚙合齒輪需要接觸嚙合、潤(rùn)滑，及有噪音等缺點(diǎn)以及現(xiàn)有磁性非接觸齒輪具有轉(zhuǎn)矩密度低、轉(zhuǎn)矩小、磁體利用率低等缺陷，旨在順應(yīng)當(dāng)前科技清潔、環(huán)保、高效方向發(fā)展的趨勢(shì)提出的一種新型的非接觸永磁齒輪設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)的理論、仿真以及樣機(jī)分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案的有效性。對(duì)該項(xiàng)目的深入研究，希望在這種全新理論和結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)出能夠替代機(jī)械式齒輪的新型永磁齒輪，同時(shí)進(jìn)一步完善轉(zhuǎn)距星的理論，從而拓展出更多的嶄新成果。 二、基本設(shè)計(jì)思路 首先，根據(jù)項(xiàng)目總體實(shí)施方案，進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的進(jìn)一步閱讀及以確定該新型永磁齒輪基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于本項(xiàng)目的永磁齒輪進(jìn)行理論分析，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要確定各項(xiàng)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電磁場(chǎng)原理和電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)公式計(jì)算該永磁齒輪的轉(zhuǎn)矩大小、磁通密度、運(yùn)行效率等各項(xiàng)指標(biāo)。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS建立該系統(tǒng)的仿真模型（各個(gè)參數(shù)與理論分析相同），對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，改變齒輪的各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)，根據(jù)結(jié)果列出表格并繪制相關(guān)曲線。根據(jù)有限元分析所得到的各參數(shù)曲線和實(shí)際工藝水平優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)該永磁齒輪樣機(jī)，并委托相關(guān)生產(chǎn)部門根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙生產(chǎn)齒輪樣機(jī)。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)行分析實(shí)驗(yàn)，測(cè)量系統(tǒng)的各主要性能指標(biāo)。對(duì)比系統(tǒng)樣機(jī)指標(biāo)和仿真指標(biāo)，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的仿真建模以及參數(shù)設(shè)置。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真軟件和設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和參數(shù)改進(jìn)，發(fā)表高水平的論文和申請(qǐng)專利，爭(zhēng)取尋求合作廠家，為推向市場(chǎng)努力。 三、技術(shù)關(guān)鍵 1、轉(zhuǎn)矩星理論指導(dǎo)轉(zhuǎn)矩星理論揭示了該永磁齒輪的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子所處位置之間的關(guān)系，該理論可以推廣到依靠磁阻原理進(jìn)行工作的其他轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如磁阻電機(jī)中。轉(zhuǎn)矩星理論為本結(jié)構(gòu)提出的磁阻式永磁齒輪的設(shè)計(jì)原理奠定了基礎(chǔ)。 2、合理的建模分析，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模計(jì)算結(jié)果、仿真分析結(jié)果、樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，歸納總結(jié)出該系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，并進(jìn)一步完善系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法和仿真分析方法。 3、步進(jìn)電機(jī)變磁阻產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩理論針對(duì)當(dāng)前磁性齒輪轉(zhuǎn)矩小、磁體利用率低等缺陷根據(jù)磁阻電機(jī)原理提出新的永磁齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析其原理的可行性。 4、高性能永磁材料的應(yīng)用，永磁齒輪的性能、設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)和應(yīng)用范圍都與永磁材料的性能密切相關(guān)。永磁材料種類眾多，性能差別很大，只有正確選擇合適的永磁材料才能做到設(shè)計(jì)合理，使用得當(dāng)。 5、合理創(chuàng)新式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)樣機(jī)進(jìn)一步完善，優(yōu)化樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以便達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，進(jìn)一步提高磁體的利用率和增加樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。最終達(dá)到在理論上有重要突破，在技術(shù)上,研制實(shí)際有效的,并可以應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的永磁齒輪。 四、主要技術(shù)指標(biāo) 1、無(wú)摩擦、無(wú)噪聲 由于該齒輪能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳動(dòng)，無(wú)需潤(rùn)滑，所以能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)嚙合式齒輪無(wú)法實(shí)現(xiàn)的無(wú)摩擦、無(wú)噪聲的性能。 2、具有過(guò)載保護(hù)能力 由于該齒輪的無(wú)接觸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)像機(jī)械齒輪那樣因過(guò)載而折斷。 3、傳動(dòng)比例大 由于梳齒結(jié)構(gòu)可以做的很小，所以該齒輪的傳動(dòng)比可以很大；該文展示的結(jié)構(gòu)齒輪傳動(dòng)比為25:1。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，這種永磁齒輪的傳動(dòng)比可達(dá)到50:1，甚至更大?？梢蕴岣吖ぷ餍?。 4、定位精度高 由于運(yùn)用了步進(jìn)電機(jī)理論，該結(jié)構(gòu)具備定位轉(zhuǎn)矩，又因其梳齒小，所以定位精度很高。 5、轉(zhuǎn)矩大 由于使用了永磁材料，所以該齒輪具有較大轉(zhuǎn)矩；隨著高性能永久磁鐵的不斷問(wèn)世，為這種結(jié)構(gòu)的永磁齒輪提供了巨大的市場(chǎng)潛力。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、作品設(shè)計(jì)、發(fā)明目的 本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)嚙合齒輪需要接觸嚙合、潤(rùn)滑、有噪音等缺點(diǎn)以及現(xiàn)有磁性非接觸齒輪具有轉(zhuǎn)矩密度低、轉(zhuǎn)矩小、磁體利用率低等缺陷，順應(yīng)當(dāng)前科技清潔、環(huán)保、高效方向發(fā)展的趨勢(shì)提出了一種新型的非接觸磁性齒輪設(shè)計(jì)方案。希望在這種全新理論和結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)出能夠替代機(jī)械式齒輪的新型磁性齒輪，同時(shí)進(jìn)一步完善轉(zhuǎn)距星的理論，從而拓展出更多的嶄新成果。 二、基本設(shè)計(jì)思路 確定該新型永磁齒輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)行理論分析，根據(jù)生產(chǎn)需要確定各項(xiàng)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)電磁場(chǎng)原理和電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)公式計(jì)算該磁性齒輪的各項(xiàng)指標(biāo)。應(yīng)用ANSYS軟件建立該系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，改變齒輪的各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算性能指標(biāo)，根據(jù)結(jié)果列出表格并繪制相關(guān)曲線。根據(jù)各參數(shù)曲線和實(shí)際工藝水平優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)該磁性齒輪樣機(jī)，并制作齒輪樣機(jī)。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，測(cè)量系統(tǒng)的各主要性能指標(biāo)。對(duì)比系統(tǒng)樣機(jī)指標(biāo)和仿真指標(biāo)，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的仿真建模以及參數(shù)設(shè)置。 三、創(chuàng)新點(diǎn) 本作品提出的這種新型的非接觸式的永磁齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬國(guó)際首創(chuàng)。此新結(jié)構(gòu)的提出是基于我們獨(dú)創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩星理論。進(jìn)一步完善轉(zhuǎn)矩星理論，對(duì)于指導(dǎo)其他新型永磁齒輪的發(fā)明有極大的意義。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)、步進(jìn)系統(tǒng)的控制、以及對(duì)于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制都有普遍的指導(dǎo)意義。 四、技術(shù)指標(biāo) 1.無(wú)摩擦2.無(wú)噪聲3.具有過(guò)載保護(hù)能力4.傳動(dòng)比例大5.定位精度高6.轉(zhuǎn)矩大
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 一、本作品提出的非接觸式大變比磁性齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于國(guó)際首創(chuàng)。 二、轉(zhuǎn)矩星的理論不僅是發(fā)明該種結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，也是對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)、步進(jìn)系統(tǒng)的控制、以及對(duì)于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制都有重要的指導(dǎo)意義。對(duì)轉(zhuǎn)矩星的理論進(jìn)一步的完善，也進(jìn)一步豐富了世界上動(dòng)力傳動(dòng)理論。 三、現(xiàn)有國(guó)際最新磁性齒輪根據(jù)異性磁極相互吸引的作用原理，我們提出的磁性齒輪是基于磁阻力，即磁通總是力圖通過(guò)磁阻最小路徑的原理設(shè)計(jì)的。四、傳動(dòng)比更大，該磁性齒輪的磁體利用率高、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩密度高。 五、該磁性齒輪除了普通齒輪具有的主從動(dòng)齒輪外還設(shè)置有定子，該定子有利于磁路的形成，減少磁路磁阻，提高工作效率，主動(dòng)和從動(dòng)齒輪徑向同心從而避免了徑向斜拉力的產(chǎn)生。 六、由于該磁性齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)極距外轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)梳齒，梳齒數(shù)遠(yuǎn)大于內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)，因此該磁性齒輪的傳動(dòng)比可以設(shè)置的很大，尤其適用于需要大變比的場(chǎng)合。 七、滿足上述幾點(diǎn)，使得待研究的永磁齒輪具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和很好的應(yīng)用前景。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年10月在第四批全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中期審查被評(píng)為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓或科研合作共同開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)
作品可展示的形式
- 圖紙、圖片、樣品、現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 永磁齒輪是利用耦合磁場(chǎng)進(jìn)行磁力傳動(dòng)的，具有效率高，無(wú)噪音，易維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，磁性齒輪的磁性傳動(dòng)由于能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳動(dòng)無(wú)需潤(rùn)滑過(guò)載保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)，因而傳動(dòng)平穩(wěn)、清潔、無(wú)摩擦能耗、可做到無(wú)油污、防塵防水等，適宜用于向密封空間進(jìn)行力矩和功率傳遞，它的這些優(yōu)點(diǎn)使它在石油、化工、儀器儀表、食品加工、醫(yī)療器械、海洋、航天航空、核物理、激光等領(lǐng)域均有較大的應(yīng)用潛能。特別是當(dāng)工作環(huán)境惡劣，如易燃、易爆、易腐蝕或有毒介質(zhì)的場(chǎng)所，磁性無(wú)接觸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更顯示出它的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。
同類課題研究水平概述
- 21世紀(jì)初,英國(guó)學(xué)者D. Howe提出了基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的新型磁力齒輪,通過(guò)在主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的定子調(diào)制極的調(diào)制作用,實(shí)現(xiàn)機(jī)械能量在磁極數(shù)不相等的轉(zhuǎn)子之間的變速傳遞,有效提高了永磁體的利用率,轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)72kNm/m3，這種新型磁性齒輪內(nèi)、外轉(zhuǎn)子為同心式結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)矩傳遞過(guò)程中所有的永磁體都參與轉(zhuǎn)矩傳遞，有效提高了永磁體的利用率，因此其轉(zhuǎn)矩密度可以比傳統(tǒng)磁性齒輪高出很多。 另外，D.Howe教授還提出了軸向式磁場(chǎng)調(diào)制式磁性齒輪。該磁性齒輪高速側(cè)轉(zhuǎn)子為4對(duì)極，低速側(cè)轉(zhuǎn)子為23對(duì)極，調(diào)磁鐵心為27個(gè)，傳動(dòng)比為5.75:1。通過(guò)有限元磁場(chǎng)計(jì)算，該軸向磁場(chǎng)磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)70kNm/m3以上。另外，D.Howe教授還介紹了直線式磁場(chǎng)調(diào)制式磁性齒輪。該磁性齒輪高速側(cè)為4對(duì)極，靜止側(cè)為9對(duì)極，調(diào)磁鐵心為13個(gè)，傳動(dòng)比為3.25:1。通過(guò)二維軸對(duì)稱場(chǎng)有限元計(jì)算，該直線式磁場(chǎng)調(diào)制式磁性齒輪所傳遞的力密度可達(dá)1.7MN/m3，，而直線永磁電機(jī)的力密度通常只有0.3MN/m3左右。 丹麥奧爾堡大學(xué)Peter Omand Rasmussen教授提出了一種內(nèi)子永磁體內(nèi)置聚磁式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并研制開(kāi)發(fā)出一臺(tái)樣機(jī)。該磁性齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌8個(gè)永磁體，由于磁場(chǎng)的聚磁效應(yīng)，在內(nèi)轉(zhuǎn)子上形成4對(duì)磁極，調(diào)磁鐵心為26個(gè)，外轉(zhuǎn)子為22對(duì)磁極，其傳動(dòng)比為5.5:1。 德國(guó)斯圖加特大學(xué)Wolfgang Hafla等人采用積分法對(duì)傳動(dòng)比為9:1的新型磁性齒輪進(jìn)行了計(jì)算分析。Wolfgang Hafla等人分析的磁性齒輪，采用調(diào)磁環(huán)和內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形式，但是其工作原理和以上分析的場(chǎng)調(diào)制式磁性齒輪是相同的。 在國(guó)內(nèi)，2005年香港大學(xué)電動(dòng)車輛研究中心和上海大學(xué)合作，展開(kāi)磁場(chǎng)調(diào)制式磁性齒輪及其應(yīng)用方面的研究工作，并且取得了一定的研究成果。
