高转矩密度磁力齿轮传动损耗与动态特性研究

近年来国内外关于高转矩密度磁力齿轮的研究相当活跃，其应用也从民用、工业领域逐渐延伸至舰船、航空等高端领域，但是相关基础科学问题和实用化关键技术仍未有效解决，因此，开展高转矩密度磁力齿轮的基础理论和关键技术研究，具有重大的理论意义和战略价值。本项目立足高转矩密度磁力齿轮技术的研究现状和发展动态，结合课题组在磁力机械方向的研究基础，开展此类磁力齿轮的基础理论研究，包括新型或改进型结构研究、磁场特性与机械特性研究、损耗与效率研究等，并且开发实验样机和测试台，开展理论的实验验证工作。预期取得有特色的实质性成果，譬如在结构设计中实现机械结构和磁路结构的高度融和，在建立理论模型时面向更高精度、更强适用性、更复杂应用领域的目标，在研发样机时努力使关键指标达到国际先进水平、在开展实验工作时做到对理论成果的充分验证，等等。本项目成果将为丰富高转矩密度磁力齿轮的理论体系，推进此类磁力齿轮的实用化做出应有贡献。

本项目立足高转矩密度磁力齿轮技术的研究现状和发展动态，结合磁力机械方向的研究成果，开展了磁力齿轮和磁力齿轮电机的基础理论研究和关键技术研究。在项目执行过程中，研究人员在磁力齿轮和磁力齿轮电机的结构分析、运行原理分析、电磁场分析、机械特性分析、伺服控制、样机设计制作与实验等方面取得了相应进展和研究成果，较好地完成了原定任务。项目主要进展有：1）建立了平行轴外啮合磁力齿轮有限元模型，针对两种外啮合磁力齿轮进行磁场分析和传动特性分析；2）阐述了调制式磁力齿轮传动原理和电磁力矩形成原理，进行了解析模型分析，利用解析方法和有限元方法对调磁环的磁场调制原理进行研究；分析了磁场调制式磁力齿轮的机械特性，研究了静态矩角特性、稳定运转特性，分别对空载启动、带载启动、突加负载、过载等情况进行了仿真分析；3）研究了磁场调制式磁力齿轮结构参数对其性能的影响，将Halbach永磁阵列应用于磁力齿轮，与传统调制式磁力齿轮进行分析对比；4）建立了包含磁力齿轮的伺服系统，包括开环控制系统和极点配置闭环系统；分析了磁力齿轮控制系统的饱和现象，对比不同的抗饱和设计方法和控制算法；5）分析磁场调制式磁力齿轮复合电机运行原理，进行了电磁场解析数学建模，对电磁场进行有限元分析；完成了复合电机动力学分析，结合多种负载状况分析了磁场调制式磁力齿轮复合电机的机械特性分析，构建了磁齿轮啮合型电机模型，进行了工作原理分析和解析分析，研究了结构参数对其齿槽转矩的影响；6）基于磁准静态场理论和时谐电磁场原理，提出了考虑导体或铁心涡流分布的永磁传动元件电磁场分析的一般方法，利用该方法，对永磁涡流耦合器和磁力齿轮两类具体应用进行了分析，将所获得结果与有限元计算结果比较，证明了所建立含涡流分布的电磁场解析建模方法的有效性；7）实验研究方面，分别设计并制作了平行轴外啮合磁力齿轮、磁场调制式磁力齿轮、磁场调制式磁力齿轮复合电机、磁齿轮啮合型电机的样机，完成了实验台的设计，对各样机分别进行了实验研究。在论文发表和专利申请方面，取得了较好成绩。本项目所获成果丰富了高转矩密度的磁力齿轮和磁力齿轮电机的理论体系，也为设计出磁力齿轮和磁力齿轮电机产品奠定了一定基础。