面向非均匀气隙磁性齿轮的工作性能分析方法

本发明涉及同轴磁性齿轮领域，尤其是涉及面向非均匀气隙对磁性齿轮的工作性能分析方法。

背景技术：

1、磁性齿轮相比机械齿轮具有传动比恒定、工作稳定、使用寿命长、可靠性高、安装简单、噪声低等优点。然而内、外气隙作为同轴磁性齿轮耦合的关键位置，且在实际应用中，由于调磁铁心块的存在，气隙间隙难以维持非理想的均匀分布状态。由此产生的非均匀气隙会扰乱磁场的分布、影响磁场的耦合、降低磁场的强度，气隙磁场的具体分布以及气隙厚度、形状等都直接关系着磁性齿轮的工作性能。所以通过对气隙间距进行研究，能够进一步加深对同轴磁性齿轮的认识，提高优化设计的效率。

2、由于调磁铁心块存在，气隙磁场不再是均匀分布，以往的研究中采用相对磁导函数作为调制系数来表征齿槽对磁场的影响。后来学者zarko d采用了相对复磁导函数来求解气隙磁通密度的切向分量。学者liu z j等人详细分析了永磁磁极跟随转子转动，处于与齿槽不同的相对位置时，齿槽对气隙磁场分布的影响存在较大的差异。

3、近几年，随着有限元仿真技术的发展，学者们开始借助仿真平台对同轴磁性齿轮的气隙磁场进行研究。其中，学者shi h等从数值分析和仿真两个角度出发，通过仿真验证了数值分析的正确性。park e j分析了同轴磁性齿轮气隙形状对转矩特性的影响。

4、此外，现有技术中还存在如下问题：

5、由于通过相对磁导函数作为调制系数来表征齿槽对磁场的影响这种方法只能很好地求出气隙磁通密度的径向分量，却无法得出其切向分量。而采用相对复磁导函数来求解气隙磁通密度的切向分量，但仍然存在较大的误差。保角变换是推导相对磁导函数主要工具，最为常用的是许-克变换，其实质为一特定的微分方程，可以将z平面内的复杂多边形区域映射为w平面内具有单一边界的简单区域，然而，在利用保角变换推导相对磁导函数时，并未考虑转子永磁磁极与齿槽相对位置对磁场分布的影响，因此会带来比较大的误差。

6、越来越多的学者借助有限元方法分析同轴磁性齿轮的气隙磁场，但也只是分析了同轴磁性齿轮转矩特性，太过于片面，不能为后续的同轴磁性齿轮高性能优化设计和应用场景选择提供可靠的参考和依据。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种多方面分析非均匀气隙对工作性能的影响，以提出相对应的优化设计方法，对磁性齿轮的各方面性能进行设计优化。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种面向非均匀气隙同轴磁性齿轮的工作性能分析方法，所述同轴磁性齿轮的理想内、外气隙截面形状为厚度0.5mm的圆环，定义气隙不均匀度为内、外气隙厚度偏离0.5mm的百分比程度；所述方法包括以下步骤：

4、s1，同轴磁性齿轮非均匀气隙的磁场分布情况分析：对比理想气隙磁场和非均匀气隙磁场的谐波幅值，得到同轴磁性齿轮内、外气隙径向磁感应强度在外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和内、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％的不同情况下的主要谐波次数；

5、s2，峰值转矩分析：将同轴磁性齿轮的外转子固定，以给定微小角度转动内转子，基于有限元仿真平台得到同轴磁性齿轮在气隙分布均匀、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和内、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％的不同情况下的静态转矩特性曲线，分析气隙不均匀度对同轴磁性齿轮的峰值转矩的影响；

6、s3，脉动转矩分析：在同轴磁性齿轮稳定工作状态下，测量和分析外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和内、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％的不同情况下，内、外转子的脉动转矩幅值随气隙非均匀度的变化情况；

7、s4，起动响应时间分析：测量同轴磁性齿轮内转子以额定角加速度起动时外转子上的转速和转矩变化情况，得到同轴磁性齿轮在不考虑非均匀气隙时的起动响应时间；调整至外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和内、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％的不同情况，得到起动响应时间与不同气隙非均匀度的关系曲线；

8、s5，损耗特性分析：将同轴磁性齿轮分为内转子导磁环、外转子导磁环、内转子永磁体、外转子永磁体和调磁定子五个部件，分析外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和内、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％的不同情况下铁心铁耗的变化情况。

9、进一步，所述步骤s5包括以下子步骤：

10、(1)测量同轴磁性齿轮外转子从低速逐步加载到额定工作转速6200rpm的过程中各部件的铁耗变化，制作曲线图得到磁性齿轮各部件铁耗变化情况；

11、(2)在外转子铁心处安置观测点，设置同轴磁性齿轮处于额定转速工作状态，内、外转子的转速分别为4500rpm和-6200rpm，并引入非均匀气隙，测量外转子铁心观测点上的磁密波形；

12、(3)设置同轴磁性齿轮处于额定工作转速，测量各部件在外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和内、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％情况下铁耗的变化情况，制作铁耗随气隙不均匀度的变化曲线图。

13、本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

14、本发明对气隙中磁场的分布进行了分析，并给出了同轴磁性齿轮内、外气隙磁场的分布情况，分析可得非均匀气隙的存在会压制参与转矩传递的磁场谐波，还会放大负面的磁场谐波。非均匀气隙对同轴磁性齿轮的工作性能会产生一定程度的负面影响。然后本发明更加全面地将非均匀气隙造成的影响具体到每一项工作性能上，包括峰值转矩、脉动转矩、起动响应时间、损耗特性等，本方法也可用来分析其他同轴磁性齿轮的非均匀气隙对其工作性能的影响，给后续的优化提供依据，最大程度的提高了效率。

技术特征：

1.一种面向非均匀气隙同轴磁性齿轮的工作性能分析方法，其特征在于，所述同轴磁性齿轮的理想内、外气隙截面形状为厚度0.5mm的圆环，定义气隙不均匀度为内、外气隙厚度偏离0.5mm的百分比程度；所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种面向非均匀气隙同轴磁性齿轮的工作性能分析方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下子步骤：

技术总结
本发明公开了一种面向非均匀气隙同轴磁性齿轮的工作性能分析方法，所述同轴磁性齿轮的理想内、外气隙截面形状为厚度0.5mm的圆环，定义气隙不均匀度为内、外气隙厚度偏离0.5mm的百分比程度，分别设置气隙均匀、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和内、外气隙不均匀度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％的不同情况进行工作性能分析，包括：同轴磁性齿轮非均匀气隙的磁场分布情况分析、峰值转矩分析、脉动转矩分析、起动响应时间分析以及损耗特性分析。该方法也可用来分析其他同轴磁性齿轮的非均匀气隙对其工作性能的影响，为后续的优化提供依据，最大程度的提高效率。

技术研发人员：周煜,赵帅,杜怡新,吴江,赵铮
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13