基本信息
- 項目名稱：
- 具有外轉(zhuǎn)子型磁阻式永磁齒輪的研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 齒輪傳動在現(xiàn)代動力傳動系統(tǒng)中占據(jù)相當重要的地位，但是現(xiàn)有的齒輪基本都是依靠直接接觸嚙合進行能量傳輸?shù)?，存在效率低、噪音大、需潤滑、大變比場合需要多級變速的缺陷。根?jù)磁通總是力圖通過磁阻最小路徑的原理，參考磁阻電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生特點，我們提出了一種非接觸式大變比磁性齒輪拓撲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是以我們獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩星理論為基礎，屬國際首創(chuàng)。該結(jié)構(gòu)具有磁體利用率高、傳動比大、效率高、噪聲小、易維護、使用壽命長等特點。
- 詳細介紹：
- 一、研究目的 本發(fā)明針對傳統(tǒng)嚙合齒輪需要接觸嚙合、潤滑，及有噪音等缺點以及現(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，旨在順應當前科技清潔、環(huán)保、高效方向發(fā)展的趨勢提出的一種新型的非接觸永磁齒輪設計方案，并進行相關的理論、仿真以及樣機分析實驗，進一步驗證此設計方案的有效性。對該項目的深入研究，希望在這種全新理論和結(jié)構(gòu)的指導下，開發(fā)出能夠替代機械式齒輪的新型永磁齒輪，同時進一步完善轉(zhuǎn)距星的理論，從而拓展出更多的嶄新成果。 二、基本設計思路 首先，根據(jù)項目總體實施方案，進行相關文獻的進一步閱讀及以確定該新型永磁齒輪基本拓撲結(jié)構(gòu)。對于本項目的永磁齒輪進行理論分析，根據(jù)實際生產(chǎn)需要確定各項參數(shù)，建立數(shù)學模型，根據(jù)電磁場原理和電機運行的相關公式計算該永磁齒輪的轉(zhuǎn)矩大小、磁通密度、運行效率等各項指標。應用有限元分析軟件ANSYS建立該系統(tǒng)的仿真模型（各個參數(shù)與理論分析相同），對該系統(tǒng)進行仿真分析，改變齒輪的各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算其對應的性能指標，根據(jù)結(jié)果列出表格并繪制相關曲線。根據(jù)有限元分析所得到的各參數(shù)曲線和實際工藝水平優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對優(yōu)化結(jié)果進行仿真分析，驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果設計該永磁齒輪樣機，并委托相關生產(chǎn)部門根據(jù)設計圖紙生產(chǎn)齒輪樣機。對樣機進行相關的運行分析實驗，測量系統(tǒng)的各主要性能指標。對比系統(tǒng)樣機指標和仿真指標，進一步完善系統(tǒng)的仿真建模以及參數(shù)設置。利用先進的計算機仿真軟件和設計的樣機進行相關實驗和參數(shù)改進，發(fā)表高水平的論文和申請專利，爭取尋求合作廠家，為推向市場努力。 三、技術關鍵 1、轉(zhuǎn)矩星理論指導轉(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系，該理論可以推廣到依靠磁阻原理進行工作的其他轉(zhuǎn)動機構(gòu)如磁阻電機中。轉(zhuǎn)矩星理論為本結(jié)構(gòu)提出的磁阻式永磁齒輪的設計原理奠定了基礎。 2、合理的建模分析，對系統(tǒng)的數(shù)學建模計算結(jié)果、仿真分析結(jié)果、樣機試驗結(jié)果進行對比分析，歸納總結(jié)出該系統(tǒng)的各個參數(shù)變化對整個系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，并進一步完善系統(tǒng)的數(shù)學建模方法和仿真分析方法。 3、步進電機變磁阻產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩理論針對當前磁性齒輪轉(zhuǎn)矩小、磁體利用率低等缺陷根據(jù)磁阻電機原理提出新的永磁齒輪拓撲結(jié)構(gòu)，并分析其原理的可行性。 4、高性能永磁材料的應用，永磁齒輪的性能、設計制造特點和應用范圍都與永磁材料的性能密切相關。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計合理，使用得當。 5、合理創(chuàng)新式的結(jié)構(gòu)設計 根據(jù)實驗分析結(jié)果對樣機進一步完善，優(yōu)化樣機的設計參數(shù)，以便達到最佳的工作狀態(tài)，進一步提高磁體的利用率和增加樣機的轉(zhuǎn)矩密度。最終達到在理論上有重要突破，在技術上,研制實際有效的,并可以應用在工業(yè)生產(chǎn)中的永磁齒輪。 四、主要技術指標 1、無摩擦、無噪聲 由于該齒輪能實現(xiàn)無接觸傳動，無需潤滑，所以能實現(xiàn)傳統(tǒng)嚙合式齒輪無法實現(xiàn)的無摩擦、無噪聲的性能。 2、具有過載保護能力 由于該齒輪的無接觸傳動結(jié)構(gòu)，所以不會像機械齒輪那樣因過載而折斷。 3、傳動比例大 由于梳齒結(jié)構(gòu)可以做的很小，所以該齒輪的傳動比可以很大；該文展示的結(jié)構(gòu)齒輪傳動比為25:1。通過適當調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，這種永磁齒輪的傳動比可達到50:1，甚至更大?？梢蕴岣吖ぷ餍?。 4、定位精度高 由于運用了步進電機理論，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世，為這種結(jié)構(gòu)的永磁齒輪提供了巨大的市場潛力。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一、作品設計、發(fā)明目的 本發(fā)明針對傳統(tǒng)嚙合齒輪需要接觸嚙合、潤滑、有噪音等缺點以及現(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，順應當前科技清潔、環(huán)保、高效方向發(fā)展的趨勢提出了一種新型的非接觸磁性齒輪設計方案。希望在這種全新理論和結(jié)構(gòu)的指導下，開發(fā)出能夠替代機械式齒輪的新型磁性齒輪，同時進一步完善轉(zhuǎn)距星的理論，從而拓展出更多的嶄新成果。 二、基本設計思路 確定該新型永磁齒輪的拓撲結(jié)構(gòu)。進行理論分析，根據(jù)生產(chǎn)需要確定各項參數(shù)，建立數(shù)學模型，并根據(jù)電磁場原理和電機運行的相關公式計算該磁性齒輪的各項指標。應用ANSYS軟件建立該系統(tǒng)的仿真模型，對該系統(tǒng)進行仿真分析，改變齒輪的各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算性能指標，根據(jù)結(jié)果列出表格并繪制相關曲線。根據(jù)各參數(shù)曲線和實際工藝水平優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對優(yōu)化結(jié)果進行仿真分析，驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果設計該磁性齒輪樣機，并制作齒輪樣機。對樣機進行分析實驗，測量系統(tǒng)的各主要性能指標。對比系統(tǒng)樣機指標和仿真指標，進一步完善系統(tǒng)的仿真建模以及參數(shù)設置。 三、創(chuàng)新點 本作品提出的這種新型的非接觸式的永磁齒輪拓撲結(jié)構(gòu)屬國際首創(chuàng)。此新結(jié)構(gòu)的提出是基于我們獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩星理論。進一步完善轉(zhuǎn)矩星理論，對于指導其他新型永磁齒輪的發(fā)明有極大的意義。對于步進電機的設計、步進系統(tǒng)的控制、以及對于交流傳動系統(tǒng)的控制都有普遍的指導意義。 四、技術指標 1.無摩擦2.無噪聲3.具有過載保護能力4.傳動比例大5.定位精度高6.轉(zhuǎn)矩大
科學性、先進性
- 一、本作品提出的非接觸式大變比磁性齒輪拓撲結(jié)構(gòu)屬于國際首創(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，也是對于步進電機的設計、步進系統(tǒng)的控制、以及對于交流傳動系統(tǒng)的控制都有重要的指導意義。對轉(zhuǎn)矩星的理論進一步的完善，也進一步豐富了世界上動力傳動理論。 三、現(xiàn)有國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磁阻最小路徑的原理設計的。四、傳動比更大，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齒輪外還設置有定子，該定子有利于磁路的形成，減少磁路磁阻，提高工作效率，主動和從動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)過一個極距外轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)動一個梳齒，梳齒數(shù)遠大于內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)，因此該磁性齒輪的傳動比可以設置的很大，尤其適用于需要大變比的場合。 七、滿足上述幾點，使得待研究的永磁齒輪具有很大的實際應用價值和很好的應用前景。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年10月在第四批全國大學生創(chuàng)新實驗計劃中期審查被評為國家級重點實驗項目。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓或科研合作共同開發(fā)與生產(chǎn)
作品可展示的形式
- 圖紙、圖片、樣品、現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 永磁齒輪是利用耦合磁場進行磁力傳動的，具有效率高，無噪音，易維護，使用壽命長，磁性齒輪的磁性傳動由于能實現(xiàn)無接觸傳動無需潤滑過載保護能力等優(yōu)點，因而傳動平穩(wěn)、清潔、無摩擦能耗、可做到無油污、防塵防水等，適宜用于向密封空間進行力矩和功率傳遞，它的這些優(yōu)點使它在石油、化工、儀器儀表、食品加工、醫(yī)療器械、海洋、航天航空、核物理、激光等領域均有較大的應用潛能。特別是當工作環(huán)境惡劣，如易燃、易爆、易腐蝕或有毒介質(zhì)的場所，磁性無接觸傳動機構(gòu)更顯示出它的獨有優(yōu)勢。
同類課題研究水平概述
- 21世紀初,英國學者D. Howe提出了基于磁場調(diào)制原理的新型磁力齒輪,通過在主動輪與從動輪之間的定子調(diào)制極的調(diào)制作用,實現(xiàn)機械能量在磁極數(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調(diào)制式磁性齒輪。該磁性齒輪高速側(cè)轉(zhuǎn)子為4對極，低速側(cè)轉(zhuǎn)子為23對極，調(diào)磁鐵心為27個，傳動比為5.75:1。通過有限元磁場計算，該軸向磁場磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩密度可達70kNm/m3以上。另外，D.Howe教授還介紹了直線式磁場調(diào)制式磁性齒輪。該磁性齒輪高速側(cè)為4對極，靜止側(cè)為9對極，調(diào)磁鐵心為13個，傳動比為3.25:1。通過二維軸對稱場有限元計算，該直線式磁場調(diào)制式磁性齒輪所傳遞的力密度可達1.7MN/m3，，而直線永磁電機的力密度通常只有0.3MN/m3左右。 丹麥奧爾堡大學Peter Omand Rasmussen教授提出了一種內(nèi)子永磁體內(nèi)置聚磁式拓撲結(jié)構(gòu)，并研制開發(fā)出一臺樣機。該磁性齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌8個永磁體，由于磁場的聚磁效應，在內(nèi)轉(zhuǎn)子上形成4對磁極，調(diào)磁鐵心為26個，外轉(zhuǎn)子為22對磁極，其傳動比為5.5:1。 德國斯圖加特大學Wolfgang Hafla等人采用積分法對傳動比為9:1的新型磁性齒輪進行了計算分析。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調(diào)制式磁性齒輪是相同的。 在國內(nèi)，2005年香港大學電動車輛研究中心和上海大學合作，展開磁場調(diào)制式磁性齒輪及其應用方面的研究工作，并且取得了一定的研究成果。
