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电磁谐波活齿传动研究

任玉波  
【摘要】:本文研究了一种新型的机电集成传动装置——电磁谐波活齿传动系统。该系统将电磁谐波传动与活齿传动集成起来,可实现系统的低速大扭矩输出。由于该装置中没有高速旋转的机械部件,因此可以获得更快的响应速度,并且系统的体积、重量均较小。 本文给出了电磁谐波活齿传动的驱动原理,将传动的关键零件——柔轮简化为圆环薄壳,在弹性圆环理论的基础上,建立了电磁力作用下柔轮的力学模型,给出了电磁力的表达式,推导了电磁力作用下柔轮的位移、内力及应力计算公式,分析了其沿轴向、周向及径向坐标的分布规律,讨论了其随系统参数的变化规律。对活齿进行了受力分析,得到了系统的输出力矩,分析了输出力矩特性以及随系统参数的变化规律。 针对传动中柔轮在磁场力作用下发生变形,导致气隙长度随时改变这一现象,引入气隙函数对磁场进行分析,给出了电磁谐波传动考虑定子槽和柔轮变形的气隙系数,进而得到电磁谐波活齿传动总的气隙系数,从而可以更加准确地描述磁场及柔轮受力状态。 分析系统中存在的电磁-结构耦合关系,进行离散化处理,通过引入运动网格场域,建立了电磁场和结构场的耦合控制方程,讨论了两场之间存在的耦合条件和边界条件,推导出位移和力在两个物理场交界面上传递的表达式,得到了柔轮的径向位移及轴向位移分布。按照耦合问题的迭代求解步骤,对系统进行了机电耦合有限元模拟,模拟结果证实了理论分析的正确性。 对电磁谐波活齿传动的电磁损耗和机械损耗问题进行了研究,分析了铜损及铁损的影响因素以及不同功率时铜损、铁损相对总电磁损耗的比例,讨论了机械损耗的影响因素及影响规律。建立了电磁谐波活齿传动系统三维温度场计算模型,采用迭代的方法对温度场进行了计算,得到了样机的温度分布曲线。 依据电磁谐波活齿传动原理,进行了电磁谐波活齿传动样机的结构设计、加工制作和原理性实验。


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