磁场调制型相交轴磁齿轮拓扑结构优化及磁耦合非线性动力学

Comparing with the traditional magnetic gear with intersecting axes, the field modulated magnetic gear with intersecting axes (FMMGIA) breaks through the tooth to tooth meshing topology and offers some distinct advantages, namely, high utilization rate of the permanent magnets, higher output torque and torque density. FMMGIA is extensively used in medicine, vehicle, navigation, wind power and other fields. Topology optimization and magnetic coupling nonlinear dynamics are exigently worth researching in order to improve the transmission capacity and dynamic performance, and accelerate the industrialized application of FMMGIA. Torque characteristic of FMMGIA will be analyzed and topology optimization will be performed through combinating of the analytical method, the finite element method and the experimental methods. Then the transmission mechanism of FMMGIA will be revealed. Considering the nonlinear magnetic coupling stiffnesses among components, the space multi-degree of freedom nonlinear dynamic model will be founded. The nonlinear normal mode will be constructed and the corresponding stability of solves will be distinguished by the multi-scale method. Considering the influences of the torque waves and other outer excitations, the resonance responses and the stabilities of FMMGIA system will be discussed. The parametric mechanical model of the magnetorheological damper (MD) will be established. Influences of the control strategy of MD on the dynamic characteristics of FMMGIA system will be analyzed. At last, the control strategy of MD will be optimized in order to accelerate the attenuation speed of the transient vibration and improve the stabilities of FMMGIA system. The achievements of this project can provide theoretical basis for improving the service performance of FMMGIA and provide references for the dynamic researches of other magnetic gear systems.

磁场调制型相交轴磁齿轮机构突破传统相交轴磁齿轮齿对齿啮合的拓扑结构，永磁体利用率高，输出转矩大、转矩密度高，可广泛应用于医药、车辆、航海和风电等众多领域。优化磁齿轮机构拓扑结构，提高其传动能力，有效地进行其动力学性能评估与控制，是加速其产业化进程的基础。综合运用解析法、有限元方法和实验方法，进行磁齿轮机构转矩特性分析，完成该机构拓扑结构优化的同时揭示其传动机理；基于构件间非线性磁耦合刚度建立系统空间多自由度非线性动力学模型，采用多尺度法构造系统的非线性模态并确定模态的稳定性；探索转矩波动等外部激励引起的系统共振响应行为，分析其对系统稳定性的影响；确定磁流变阻尼器参数化力学模型，研究其控制策略对磁齿轮系统动力学特性的影响规律，探索磁流变阻尼器最佳控制策略，加速瞬态振动的衰减速度，提高系统稳定性。本项目的开展可以为提高相交轴磁齿轮机构的工作能力提供理论依据，为其他磁齿轮系统动力学研究提供借鉴。

磁场调制型相交轴磁齿轮机构具有永磁体利用率高，输出转矩大、转矩密度高等优点，可广泛应用于车辆、舰船和风电等领域。揭示磁齿轮系统的传动机理，优化其拓扑结构，提高其传动能力，有效地进行其动力学性能评估与控制，是加速其产业化进程的基础。. 本项目明确了相交轴磁齿轮各构件尺寸关系及装配条件，确定了调磁体形状对磁场分布的影响规律，讨论了主要参数对最大输出转矩和转矩密度的影响规律，基于响应面法进行了机构参数优化。基于优化结果搭建了试验平台，完成了转矩特性试验。考虑构件间的时变磁耦合刚度，建立了包含两个子系统的相交轴磁齿轮系统非线性动力学模型，导出了磁齿轮系统线性微分方程组，完成了系统的模态特性分析和模态实验，得到了由于弱磁耦合刚度决定的6阶不同模态振型。基于多尺度法构造了磁齿轮系统非线性模态解析解，讨论了其近似解析解的解数目变化情况，确定了系统随转矩波动时的强迫响应动力学微分方程组及其时域响应曲线，讨论了系统存在内共振时的强迫响应规律，分析了系统存在白噪声随机激励时的强迫响应。. 考虑磁流变阻尼器，建立了变阻尼磁齿轮系统动力学微分方程组，研究了在包含和不包含内共振时磁齿轮系统的强迫响应规律，基于此确定了磁流变阻尼器半主动控制策略，同时考虑外部随机激励给出了随机激励时系统的衰减规律，得到了磁流变阻尼器会加速瞬态振动的衰减并降低稳定响应幅值的结论。基于所搭建的相交轴磁齿轮试验平台，完成了添加磁流变阻尼器的动力学试验，证明了添加磁流变阻尼器对于加快振动衰减速度具有非常好的效果。. 本项目的研究在为提高相交轴磁齿轮系统传动能力和动力学性能的同时，为该系统的设计提供了理论依据，同时也为其它磁齿轮系统的动力学研究及行为控制提供了方法借鉴，为加速磁齿轮系统产业化进程奠定了基础。