基本信息
- 项目名称：
- 具有外转子型磁阻式永磁齿轮的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 齿轮传动在现代动力传动系统中占据相当重要的地位，但是现有的齿轮基本都是依靠直接接触啮合进行能量传输的，存在效率低、噪音大、需润滑、大变比场合需要多级变速的缺陷。根据磁通总是力图通过磁阻最小路径的原理，参考磁阻电机转矩产生特点，我们提出了一种非接触式大变比磁性齿轮拓扑结构。该结构是以我们独创的转矩星理论为基础，属国际首创。该结构具有磁体利用率高、传动比大、效率高、噪声小、易维护、使用寿命长等特点。
- 详细介绍：
- 一、研究目的 本发明针对传统啮合齿轮需要接触啮合、润滑，及有噪音等缺点以及现有磁性非接触齿轮具有转矩密度低、转矩小、磁体利用率低等缺陷，旨在顺应当前科技清洁、环保、高效方向发展的趋势提出的一种新型的非接触永磁齿轮设计方案，并进行相关的理论、仿真以及样机分析实验，进一步验证此设计方案的有效性。对该项目的深入研究，希望在这种全新理论和结构的指导下，开发出能够替代机械式齿轮的新型永磁齿轮，同时进一步完善转距星的理论，从而拓展出更多的崭新成果。 二、基本设计思路 首先，根据项目总体实施方案，进行相关文献的进一步阅读及以确定该新型永磁齿轮基本拓扑结构。对于本项目的永磁齿轮进行理论分析，根据实际生产需要确定各项参数，建立数学模型，根据电磁场原理和电机运行的相关公式计算该永磁齿轮的转矩大小、磁通密度、运行效率等各项指标。应用有限元分析软件ANSYS建立该系统的仿真模型（各个参数与理论分析相同），对该系统进行仿真分析，改变齿轮的各主要结构参数，计算其对应的性能指标，根据结果列出表格并绘制相关曲线。根据有限元分析所得到的各参数曲线和实际工艺水平优化系统的结构参数，并对优化结果进行仿真分析，验证优化结果的可靠性。根据系统优化结果设计该永磁齿轮样机，并委托相关生产部门根据设计图纸生产齿轮样机。对样机进行相关的运行分析实验，测量系统的各主要性能指标。对比系统样机指标和仿真指标，进一步完善系统的仿真建模以及参数设置。利用先进的计算机仿真软件和设计的样机进行相关实验和参数改进，发表高水平的论文和申请专利，争取寻求合作厂家，为推向市场努力。 三、技术关键 1、转矩星理论指导转矩星理论揭示了该永磁齿轮的静态转矩与转子所处位置之间的关系，该理论可以推广到依靠磁阻原理进行工作的其他转动机构如磁阻电机中。转矩星理论为本结构提出的磁阻式永磁齿轮的设计原理奠定了基础。 2、合理的建模分析，对系统的数学建模计算结果、仿真分析结果、样机试验结果进行对比分析，归纳总结出该系统的各个参数变化对整个系统工作状态的影响，并进一步完善系统的数学建模方法和仿真分析方法。 3、步进电机变磁阻产生转矩理论针对当前磁性齿轮转矩小、磁体利用率低等缺陷根据磁阻电机原理提出新的永磁齿轮拓扑结构，并分析其原理的可行性。 4、高性能永磁材料的应用，永磁齿轮的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大，只有正确选择合适的永磁材料才能做到设计合理，使用得当。 5、合理创新式的结构设计 根据实验分析结果对样机进一步完善，优化样机的设计参数，以便达到最佳的工作状态，进一步提高磁体的利用率和增加样机的转矩密度。最终达到在理论上有重要突破，在技术上,研制实际有效的,并可以应用在工业生产中的永磁齿轮。 四、主要技术指标 1、无摩擦、无噪声 由于该齿轮能实现无接触传动，无需润滑，所以能实现传统啮合式齿轮无法实现的无摩擦、无噪声的性能。 2、具有过载保护能力 由于该齿轮的无接触传动结构，所以不会像机械齿轮那样因过载而折断。 3、传动比例大 由于梳齿结构可以做的很小，所以该齿轮的传动比可以很大；该文展示的结构齿轮传动比为25:1。通过适当调整结构参数，这种永磁齿轮的传动比可达到50:1，甚至更大。可以提高工作效率。 4、定位精度高 由于运用了步进电机理论，该结构具备定位转矩，又因其梳齿小，所以定位精度很高。 5、转矩大 由于使用了永磁材料，所以该齿轮具有较大转矩；随着高性能永久磁铁的不断问世，为这种结构的永磁齿轮提供了巨大的市场潜力。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计、发明目的 本发明针对传统啮合齿轮需要接触啮合、润滑、有噪音等缺点以及现有磁性非接触齿轮具有转矩密度低、转矩小、磁体利用率低等缺陷，顺应当前科技清洁、环保、高效方向发展的趋势提出了一种新型的非接触磁性齿轮设计方案。希望在这种全新理论和结构的指导下，开发出能够替代机械式齿轮的新型磁性齿轮，同时进一步完善转距星的理论，从而拓展出更多的崭新成果。 二、基本设计思路 确定该新型永磁齿轮的拓扑结构。进行理论分析，根据生产需要确定各项参数，建立数学模型，并根据电磁场原理和电机运行的相关公式计算该磁性齿轮的各项指标。应用ANSYS软件建立该系统的仿真模型，对该系统进行仿真分析，改变齿轮的各主要结构参数，计算性能指标，根据结果列出表格并绘制相关曲线。根据各参数曲线和实际工艺水平优化系统的结构参数，对优化结果进行仿真分析，验证优化结果的可靠性。根据系统优化结果设计该磁性齿轮样机，并制作齿轮样机。对样机进行分析实验，测量系统的各主要性能指标。对比系统样机指标和仿真指标，进一步完善系统的仿真建模以及参数设置。 三、创新点 本作品提出的这种新型的非接触式的永磁齿轮拓扑结构属国际首创。此新结构的提出是基于我们独创的转矩星理论。进一步完善转矩星理论，对于指导其他新型永磁齿轮的发明有极大的意义。对于步进电机的设计、步进系统的控制、以及对于交流传动系统的控制都有普遍的指导意义。 四、技术指标 1.无摩擦2.无噪声3.具有过载保护能力4.传动比例大5.定位精度高6.转矩大
科学性、先进性
- 一、本作品提出的非接触式大变比磁性齿轮拓扑结构属于国际首创。 二、转矩星的理论不仅是发明该种结构的理论基础，也是对于步进电机的设计、步进系统的控制、以及对于交流传动系统的控制都有重要的指导意义。对转矩星的理论进一步的完善，也进一步丰富了世界上动力传动理论。 三、现有国际最新磁性齿轮根据异性磁极相互吸引的作用原理，我们提出的磁性齿轮是基于磁阻力，即磁通总是力图通过磁阻最小路径的原理设计的。四、传动比更大，该磁性齿轮的磁体利用率高、转矩大、转矩密度高。 五、该磁性齿轮除了普通齿轮具有的主从动齿轮外还设置有定子，该定子有利于磁路的形成，减少磁路磁阻，提高工作效率，主动和从动齿轮径向同心从而避免了径向斜拉力的产生。 六、由于该磁性齿轮的内转子每转过一个极距外转子仅转动一个梳齿，梳齿数远大于内转子磁极对数，因此该磁性齿轮的传动比可以设置的很大，尤其适用于需要大变比的场合。 七、满足上述几点，使得待研究的永磁齿轮具有很大的实际应用价值和很好的应用前景。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年10月在第四批全国大学生创新实验计划中期审查被评为国家级重点实验项目。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让或科研合作共同开发与生产
作品可展示的形式
- 图纸、图片、样品、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 永磁齿轮是利用耦合磁场进行磁力传动的，具有效率高，无噪音，易维护，使用寿命长，磁性齿轮的磁性传动由于能实现无接触传动无需润滑过载保护能力等优点，因而传动平稳、清洁、无摩擦能耗、可做到无油污、防尘防水等，适宜用于向密封空间进行力矩和功率传递，它的这些优点使它在石油、化工、仪器仪表、食品加工、医疗器械、海洋、航天航空、核物理、激光等领域均有较大的应用潜能。特别是当工作环境恶劣，如易燃、易爆、易腐蚀或有毒介质的场所，磁性无接触传动机构更显示出它的独有优势。
同类课题研究水平概述
- 21世纪初,英国学者D. Howe提出了基于磁场调制原理的新型磁力齿轮,通过在主动轮与从动轮之间的定子调制极的调制作用,实现机械能量在磁极数不相等的转子之间的变速传递,有效提高了永磁体的利用率,转矩密度可达72kNm/m3，这种新型磁性齿轮内、外转子为同心式结构，在转矩传递过程中所有的永磁体都参与转矩传递，有效提高了永磁体的利用率，因此其转矩密度可以比传统磁性齿轮高出很多。 另外，D.Howe教授还提出了轴向式磁场调制式磁性齿轮。该磁性齿轮高速侧转子为4对极，低速侧转子为23对极，调磁铁心为27个，传动比为5.75:1。通过有限元磁场计算，该轴向磁场磁性齿轮的转矩密度可达70kNm/m3以上。另外，D.Howe教授还介绍了直线式磁场调制式磁性齿轮。该磁性齿轮高速侧为4对极，静止侧为9对极，调磁铁心为13个，传动比为3.25:1。通过二维轴对称场有限元计算，该直线式磁场调制式磁性齿轮所传递的力密度可达1.7MN/m3，，而直线永磁电机的力密度通常只有0.3MN/m3左右。 丹麦奥尔堡大学Peter Omand Rasmussen教授提出了一种内子永磁体内置聚磁式拓扑结构，并研制开发出一台样机。该磁性齿轮内转子内嵌8个永磁体，由于磁场的聚磁效应，在内转子上形成4对磁极，调磁铁心为26个，外转子为22对磁极，其传动比为5.5:1。 德国斯图加特大学Wolfgang Hafla等人采用积分法对传动比为9:1的新型磁性齿轮进行了计算分析。Wolfgang Hafla等人分析的磁性齿轮，采用调磁环和内转子旋转形式，但是其工作原理和以上分析的场调制式磁性齿轮是相同的。 在国内，2005年香港大学电动车辆研究中心和上海大学合作，展开磁场调制式磁性齿轮及其应用方面的研究工作，并且取得了一定的研究成果。
