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永磁行星齿轮电机设计结构及有限元浅析

永磁齿轮电机被广泛应用到了诸如电动汽车、机械臂等智能机电系统。永磁齿轮电机可以分为同心式磁齿轮和永磁行星齿轮电机。这其中,永磁行星齿轮电机由于功率密度、效率、高传动比和散热能力的显著优势而引起了越来越多的关注,并广泛用于高驱动转矩和低转速应用。同心式磁齿轮和永磁行星齿轮电机的所有构件绕着同一轴心转动,此种结构的磁铁利用率高,有较佳的传递转矩值,是目前具有突破性与代表性的一种。


依据气隙方向与磁铁充磁方向可分为以下 4 种结构: ①径向气隙结构: 此种磁齿轮机构的气隙方向为半径方向排列。②轴向气隙结构: 此种磁齿轮机构的气隙方向为转轴方向排列。③径向与轴向结构: 此种磁齿轮机构的气隙方向同时具半径与转轴方向排列。④充磁变异结构: 此种磁齿轮机构的气隙方向为半径或转轴方向排列。

大多数传统的永磁齿轮电机参数设计方法仅考虑磁极形状相对规则且磁极没有极靴的情况,并不考虑实际应用中存在的优选尺寸问题。


1、样机设计与有限元分析

使用有限元计算并比较永磁行星齿 轮电机的电磁性能和传动性能,主要涉及磁饱和度, 转矩,极靴厚度,定子外径和线圈匝数。

1)定子极靴厚度对转矩、气隙磁通密度的影响

定子极靴的厚度对磁场的影响较大,通过对极靴厚度的优化,极靴下面的气隙密度将会均匀。

2)槽宽优化对磁通密度的影响

为了优化定子齿部与轭部的磁路结构,从而达到降耗目的。

3)传递转矩

分别以永磁太阳轮或永磁行星齿轮或转子( 永磁外齿圈) 做为固定部分,并以转子( 永磁外齿圈) 或永磁行星齿轮或永磁太阳轮做为输出部分,以AnsysMaxwell 有限元分析软件进行静磁场与传递扭矩分析,从而找到单位永磁体能产生较高传递转矩的永磁行星齿轮电机的优选参数。


2、电磁性能分析

通过优化定子齿部与轭部中的槽宽以及槽半径、定子极靴的厚度、定子线圈匝数、定子外径,获得 了优化后的永磁行星齿轮电机结构物理模型,得出 了分析磁力线和磁通密度分布。


3、仿真与试验分析

通过上述分析,改善了永磁行星齿轮电机的整体效率、转矩密度、功率密度,永磁行星齿轮电机的MAX传递转矩是样机设计时的 一个性能指标,因此有必要测量其传递转矩的转矩特性,并与仿真数值 进行比较,是验证提出的设计方法和优化方法有效性的关键。从而获得了优化后的磁齿轮传动机构。


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