机电集成磁齿轮传动系统机电耦合动力学

The electromechanical integrated magnetic gearing based on magnetic field modulation is a new generalized composite drive, in which mechanical, electric magnetic gear and control are integrated. The drive has wide application prospects, because it has characteristics of high density and compact structures, and can be widely used in aviation, aerospace, military, vehicles, and so on. To optimize systematic parameters, and effective evaluate system dynamics performance, must explore the mechanical and electrical coupling dynamics theory. Electromagnetic torque characteristic will be analyzed by integrating analytical method, the finite element method and experiment. Driving mechanism of magnetic gearing will be revealed. Based on this, the electromechanical coupled dynamics model will be established, which contains mechanic system and electric system. By dimension transformation, the inherent characteristics and sensitivity analysis of each subsystem and the integrated system will be completed. Considering the periodical change of electromagnetic mesh stiffness, dynamics stability and forced response will be determined. Based on nonlinear factors, such as electromagnetic mesh stiffness,stable responses, bifurcate behaviors and chaos phenomena of the drive will be analyzed, whether the system contains and does not contain internal resonance, and determine influence law of design parameters on the of the steady-state response system. Dynamics optimization will be carried out by aiming at main dynamics performance index，and the final prototype will be designed. This project can improve dynamics properties of magnetic gearing and provide theoretical references for other mechanical and electrical coupled system dynamics researches.

磁场调制型机电集成磁齿轮机构是集机、电、磁和控制于一体的新型广义复合传动机构，转矩密度高、结构紧凑，可广泛应用于航空、航天、军事和车辆等领域，具有广阔的应用前景。为优化系统设计参数，有效地进行系统动力学性能的评估，必须探索其机电耦合动力学理论。以解析法、有限元法及实验相结合进行转矩特性分析，解析磁齿轮机构驱动机理；建立包含机械、电两个子系统的机电耦合动力学模型，通过子系统量纲转化完成各子系统及集成系统的固有特性及灵敏度分析；基于时变电磁啮合刚度建立系统参数振动模型，确定其动力稳定性及强迫响应；考虑电磁啮合刚度等非线性因素，完成非线性系统包含与不包含內共振时的稳态响应及其分叉行为、混沌现象分析，确定设计参数对系统稳态响应的影响规律；最后以系统主要动态性能指标为目标进行动态参数优化，完成最终样机设计。本项目的开展可以为提高磁齿轮机构工作性能提供理论依据，为其它机电耦合系统动力学研究提供借鉴。

机电集成磁齿轮传动机构是集磁场调制型磁齿轮、驱动、控制于一体的新型广义复合传动机构，具有永磁体利用率高，输出转矩大、转矩密度高、结构紧凑等优点，可广泛应用于航空、航天、航海和车辆等领域，具有广阔的应用前景。. 本项目采用解析法和有限元方法及实验方法相结合，分析并得到了该传动静态转矩呈明显正弦变化规律的结论，永磁体极对数、调磁环厚度等对该机构最大静态转矩有很大的影响。基于各构件间电磁耦合力，得到了各构件间电磁耦合刚度随外载荷变化呈周期性变化的结论，建立了该传动系统包含机械和电系统的机电耦合动力学模型及其对应的动力学微分方程组，得到了机械系统10阶不同的固有频率及其所对应的5个扭转振动模态和5个横向振动模态，以及电系统3阶不同固有频率及其对应的典型模态，分析了机电耦合系统固有频率随电流、永磁体剩磁、支撑刚度等主要设计参数灵敏度变化规律。考虑该传动中构件偏心及调磁环磁场调制作用，分析了构件间电磁耦合刚度波动规律及其主要谐波成分，建立了机电集成耦合系统参数振动动力学微分方程组，讨论了由于外调磁环、内转子上输出转矩波动导致的系统主共振及组合共振，指出主共振和组合共振发生时系统共振主导频率均为系统固有频率，且各构件间扭转振动位移相差很大。采用多尺度法分析了输出转矩波动影响下系统的稳定性，给出了永磁体剩磁等设计参数对系统稳定性的影响规律。. 考虑磁路非线性及调磁环调磁作用，推导了电磁耦合刚度的时变表达式，建立了系统带平方非线性项的动力学微分方程组，讨论了输出转矩波动导致的系统主共振、超谐波及亚谐波共振，指出了系统存在多个共振频域段。考虑该传动系统静态及动态参数，以各构件的径向尺寸等为变量，以系统工作转速远离共振频域段为目标函数，以系统承载能力和转矩密度为约束函数进行系统动态参数优化，采用粒子群优化算法给出了比较合适的系统参数设计范围。. 本项目的开展，为机电集成磁齿轮传动系统服役性能提高提供了理论依据，为加速机电集成磁齿轮传动在工业中的应用奠定了基础，为机电集成机构及磁齿轮类机构动力学研究提供了借鉴。