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《哈尔滨工业大学》 2012年
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混合磁路永磁变速器的解析模型与参数特性研究

邢敬娓  
【摘要】:与机械变速器相比,永磁变速器具有无接触柔性传动、清洁无噪声、启动力矩低、自动过载保护等优点,但磁场利用率差的不足限制了传统结构永磁变速器在大力矩输出领域的应用。将磁场调制机理应用于永磁变速器,能够提高永磁变速器的磁场利用率和力能指标,对促进永磁变速器的发展具有重要意义。本文以混合磁路永磁变速器(Permanent Variable Transmission, PVT)为研究对象,对该永磁变速器的磁路结构、基本方程与参数约束关系、结构参数对转矩能力的影响、转矩脉动与抑制等问题进行了研究。 论文首先采用解析分析和数值分析两种方法分析了永磁变速器磁场调制的作用机理,在对径向磁路和轴向磁路结构进行分析的基础上,提出了一种适宜于大力矩应用需求的混合磁路永磁变速器,并对三种磁路结构永磁变速器进行了综合对比。分析结果表明。永磁变速器的三种磁路结构各具特点,轴向磁路和混合磁路两种结构矩密度比较接近,且大于径向磁路结构。从单向磁拉力和机械支撑干涉等方面考虑,混合磁路结构在数百牛米以上的大力矩工程应用领域是一种比较好的方案。 根据永磁变速器的磁路特点,论文建立了永磁变速器的解析数学模型。采用虚位移法推导了永磁变速器的电磁转矩解析表达式与功率平衡方程。采用理论分析和有限元验证两种方法研究了永磁变速器几种主要参数约束模式及其特点,并对永磁变速器的几种参数约束模式进行了综合对比。研究结果表明,永磁变速器共有五种参数约束模式,其中前两种为等速跟随模式,后两种为变速模式。高低速永磁体极对数相等的参数约束模式不能实现变速,只能实现运动的传递。综合来看,反向差配合变速模式既能实现变速,又具有较高的力矩密度,是最优的参数约束模式。 采用有限元方法研究了永磁体磁化方向长度,调制铁块径向长度和周向宽度等基本尺寸参数,特别是变速比、永磁体轴向长度和长径比等永磁变速器特有因素对变速器转矩能力的影响。研究结果表明,调制铁块周向宽度系数取为0.4左右有利于提高变速器的转矩能力;混合磁路变速器永磁体轴向长度比例和长径比对变速器的转矩能力影响显著,当低速侧和高速侧轴向长度之比取1.5左右时,变速器的转矩能力最大;另外,适当减小变速器的长径比,即把变速器设计为扁平形状,有利于提高变速器的转矩能力。 最后,分析了永磁变速器的启动过程和稳态工作点,研究了永磁变速器转矩脉动的变化规律及其影响,并研究了转矩脉动的抑制措施。研究结果表明,永磁变速器稳态工作点为高低速转子永磁体的轴线与调制铁块的轴线对齐,且高低速永磁体的极性相反的位置。由于定位力矩的作用,永磁变速器稳态运行时的转矩中存在脉动成分,且随着负载的增加,转矩的波动比逐渐减小。另外,优化匹配永磁体极对数和调制铁块数目,以及合理选择调制铁块周向宽度能有效抑制永磁变速器的转矩脉动。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TH132.46

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