稀土永磁磁力齿轮传动实验研究

2015年03月20日

一、 引言

    在现行的机械传动装置中,渐开线齿轮传动占有无可争议的主导地位。尽管其优势是明显的:能实现传动比恒定、平稳、大功率传动等。但在啮合时也存在接触摩擦,磨损,润滑及制造精度等问题。这在传动机械微型化时就显得尤其突出。故在研究微型机械传动的时候,有考虑采用稀土永磁磁力齿轮实现传动。磁力齿轮因非接触靠磁场磁力传递运动而避免了齿轮啮合时的接触摩擦,故没有磨损,润滑问题,结构也变得十分简单。能很好的解决传统齿轮存在的问题。这些年来,关于永磁齿轮传动设计计算方面的研究文章虽已有报道,但在实验研究方面的文章却十分少见。本文通过进行磁力齿轮传动的实验研究,参数测定,探索传动规律。

二、 磁力传动原理

永磁齿轮采用高磁性能的稀土永磁材料制作,通过轮缘磁极间产生的磁场相互耦合,产生磁作用力来传递运动。磁力传动机构的模型如图1所示,环状柱体沿周向由数对N、S极构成。传动静止时,在磁场力作用下,同性相斥,异性相吸,在两轮连心线上始终保持N、S极相互耦合。此时,磁力线相对两轮连心线对称,磁极间传动转矩为零。设主从动轮在连心线上的耦合磁极转角分别为θ1和θ2(静止时,θ1和θ2均为零),当主动轮转动时(即:θ>0,力平衡破坏,产生驱动转矩T,受转矩作用从动轮随之转动。传动中,一对耦合磁极转角之差:θ -θ2=Δθ、称为永磁齿轮传动的滞后角。在一对耦合磁极分离之前,相邻一对磁极会跟进进入耦合,从而保证传动连续进行。 

 

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三、 传动特性分析

3.1转矩与滞后角             

         根据电磁场理论,齿轮的磁极产生的磁场

与其磁化电流产生的磁场相同。故轮缘磁体可等

效为具有均匀电流密度的面电流体。其等效物理

模型如图2所示。取面电流元为LJms(Jm为面电流密度,L为轮厚度,ds为电流元

的宽度),在磁场中,其所受磁场力作用的向量积为∶

FJmds×B                           (1)    

为电流元到齿轮回转中心矢径则所受转矩可表示为∶

s×ds×(Jmds×B)              

sL[(r·B) Jm-(·JmB] ds          2

       各面电流上作用的转矩叠加,为齿轮传动的总转矩。

即:TΣT                                    (3

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式中: B=▽×A=                               (4)

 

 

B为磁感应强度;A为磁场的向量磁位。由于影响转矩的因素较多(除磁性材料、磁极极数及直径外,还与耦合气隙,滞后角等有关),特别是在传动中,耦合气隙不断变化等因素,使B算式复杂,可用数值积分进行求解计算。

设主动轮的极数为N1,相邻磁极间的夹角为Φ,则:Φ=2л/N1称为极位夹角。

 一对永磁齿轮设计、安装好以后,工作扭矩是滞后角的函数。

即:T=f(Δθ)      (5)

T随滞后角Δθ而增加,但并非一直增大。当Δθ≥Φ/2后,由于气隙改变及相邻磁极参与耦合的原因,转矩增加到一最大值后会逐渐下降;当Δθ=Φ时,处于同性磁极耦合位置,驱动转矩趋于零值。转矩与滞后角的关系如图3所示。传动中的Δθ值随负载而增加,同时T也增加。在Δθm的相对位置时,转矩达到最大值Tmax 。                                       

    3.2转矩工作点及失步

设负载一定时,所需转矩为Ta,相应滞后角为Δθa,图3中A点即为永磁齿轮

传动的工作点。

与普通齿轮不同的是在传动中,随永磁齿轮转动,对应磁极间的位置、气隙将发生

变化,远离耦合位置时,气隙增大,转矩下,降这时滞后角会增加,使转矩再增加,回到原工作点。当负载转矩小于磁齿轮传动的最小转矩时,工作点稳定,实现传动平稳。当        负载转矩过大,使工作点靠近Tmax附近时, 波动将加剧,引起震动。

 

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    当负载转矩超过Tmax时,主动轮不能正常驱动从动轮运动, 在耦合位置主动轮磁极切向速度大于从动轮磁极速度,即:出现“滑极现象,把这一现象称作失步。失步后,从动轮转速下降,传动比上升。

3.3效率

    磁齿轮为非接触磁力传动,传动中没有啮合摩擦损耗,仅存在电磁力作用下涡电

流产生的热损耗。如考虑支承轴承功耗,则磁力传动装置的总效率为:

           η=η1•η22       (6)

(η1为永磁齿轮耦合效率,η2为一对支承轴承的效率)

四、 实验方案

钕铁硼(NdFeB)材料具有磁性能高,相对成本低,制造工艺成熟等特点,成为永磁齿轮首选材料。永磁齿轮因无轮齿,结构简单,主要设计参数有:轮径(即:磁性轮缘的内外径),磁极圆弧长度及厚度,磁极数等。设计时,应满足传动转矩T,传动比i,中心距a,传动平稳性等基本要求。当轮径一定时,磁极数N取小,可增大永磁体表面积,提高传动转矩T,但极位夹角Φ过大,会使平稳性下降;磁极数N取大,结果相反。一般N4且为偶数。考虑充磁困难,轮外径与厚度比值不宜过小。本实验所设计的永磁齿轮结构参数如下。

4.1永磁齿轮结构及参数    

1.结构                     

   实验用稀土永磁齿轮由永磁体1、挡板2、不锈钢固定圈3、轮毂4组成,如图4所示。永磁体采用瓦形烧结钕铁硼,径向充磁,沿轮毂外表面依次排列。齿轮间隙为δ=0.5,装配时应注意轮缘是磁性体,表面易吸附金属粉末微粒,影响传动。   

 

 

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磁力齿轮传动结构简图4                  

2.参数                                  

齿轮材料:钕铁硼(NdFeB);磁性能如下;

剩磁密度:Br=11.812.5kGs

磁感应强度矫顽力:HC>12KOe

最大磁能积:(BHmax=3337MGOe

回复导磁率:μr=1.05

小轮参数:内径ф20;外径ф40;厚度L1=16;磁极数N1=12

大轮参数:内径ф60;外径ф80;厚度L2=15;磁极数N2=24

传动比i=N2/N1=24/12=2;中心距a=60 mm

4.2 实验方案

图片关键词实验方案如图3所示。测试参数为:转速n、转矩M、效率η。

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                 图5实验方案框图

实验采用二台日本小野公司产转矩转速传感器,型号:SS100SS500;负载由一台磁粉制动器提供。如图2所示在被测齿轮的输入输出端分别置于转矩转速传感器。通过磁电变换,传感器将取出反映被测齿轮转速,转矩的两个电信号。卡式转矩转速仪是配备于传感器的同步计数器。内装相应的专用软件能完成数据采集、存储及拟合曲线的动态测试工作,能简明的反映被测数据的平均值、瞬时值和变化趋势。

 

五、 实验结果及分析

5.1实验曲线

实验通过高速自动采集,对磁力传动的输出转速n2,转矩T,效率η等参数进行了动态测试,结果见图6(a-f)所示。

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5.2曲线分析

    输出转速曲线图a表明:输出转速瞬态值有微小波动,平均值恒定,走势平稳。实现定传动比传动,且平稳性好。

    输出转矩曲线图b表明:转矩工作点Ta=2.4Nmm, 与转速曲线类似,曲线走势平稳,平均值趋于常量。

但转矩的瞬时值并非常量,呈周期循环变化规律。见输出转矩曲线(放大)图c所示。

在图b曲线的基础上,给传动继续加载,转矩值增大,在T5Nmm时,转矩波动幅度明显加大,传动产生一定震动,如输出转矩曲线图d所示。这时说明永磁齿轮已工作在它所能传递的最大转矩附近。传动处于不稳定状态。

当负载继续增加时(即:超过最大转矩),输出转速迅速下降,低于设计转速值,出现失步现象,见输出转速曲线(失步)图e

在实验所得传动效率曲线图f中,若扣除输入输出端联轴器的效率损失,磁力传动效率η已达0.99以上。而传统齿轮需在良好的润滑状态下,才能获得高效率传动。

六、 结束语

本文通过实验,对试制稀土永磁磁力齿轮传动进行了动态参数测试,测试结果与分析表明,永磁齿轮以磁场耦合方式传递运动,具有与传统齿轮不同特点。其传动转矩瞬态值呈周期变化,平均值为常量;随负载增加,传动工作点漂移,靠近Tmax时,产生震动;传动过载时导致“失步”(即:从动轮转速迅速下降),同时也兼有过载保护作用。通过正确的结构设计,合理的参数选择,能获得性能满意的磁力传动。但是,对于磁力传动设计而言,耦合磁场复杂,转矩关联因素较多,给设计计算(如工作(额定转矩的计算,磁极极数的优化设计等)带来一定困难。因此,准确而实用的设计计算方法,是今后需要作进一步研究工作的课题。

来源:北京磁运达科技有限公司