磁力齒輪溫度場(chǎng)仿真與試驗(yàn)研究
李建強(qiáng)， 黃蘇融， 曹海東， 王凱立
（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）
摘 要：稀土釹鐵硼永磁材料溫度系數(shù)較高，高溫下剩余磁密b，下降，磁力齒輪轉(zhuǎn)矩傳遞能力降低；l司時(shí)導(dǎo)致永磁體內(nèi)稟矯頑力下降，可能造成局部失磁，使磁力齒輪性能?chē)?yán)重惡化。同此，對(duì)磁力齒輪的設(shè)計(jì)和運(yùn)行而言，有必要研究其運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布=分析計(jì)算軸向磁場(chǎng)間制式磁力齒輪的熱源分布情況，建立磁力齒輪三維溫度場(chǎng)有限元模型，仿真計(jì)算磁力齒輪關(guān)鍵部件內(nèi)的溫度分布，完成樣機(jī)溫升試驗(yàn)工作。樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果相吻合，驗(yàn)證r仿真模型的準(zhǔn)確性，以及溫度對(duì)磁力齒輪性能的影響。
關(guān)鍵詞：磁力齒輪；三維溫度場(chǎng)i溫升試驗(yàn)
中國(guó)分類(lèi)號(hào)：tm 303.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 a 文章編號(hào)：1673-6540(2010)07-0006-05
0引言
機(jī)械齒輪箱是汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)申應(yīng)用較廣泛的一種變速裝置，具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。但是機(jī)械齒輪箱有一些固有的缺點(diǎn)，如機(jī)械摩擦、磨損和噪聲，需要潤(rùn)滑；可能疲勞和過(guò)載損壞，需要經(jīng)常性維護(hù)等。特別是在低溫時(shí)，齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油黏度增加，會(huì)增大齒輪的摩擦、磨損和噪聲。與機(jī)械齒輪不同的是，磁力齒輪輸入端和輸出端之間無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)機(jī)械摩擦和磨損、無(wú)需潤(rùn)滑，從而減少維護(hù)；同時(shí)具有自過(guò)載保護(hù)功能，能保護(hù)齒輪及設(shè)備不受沖擊力的破壞，增加可靠性，提高使用壽命。
隨著永磁材料，特別是稀土釹鐵硼永磁材料性能的不斷提高，磁力齒輪引起工程界越來(lái)越多的關(guān)注。直接耦合式磁力齒輪是齒對(duì)齒結(jié)構(gòu)，永磁體利用率不高，轉(zhuǎn)矩密度低。磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪是近幾年提出的一種新型變速驅(qū)動(dòng)裝置。2001年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)d howe等首次提出基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的磁力齒輪，并在2004-2006年相繼發(fā)表了基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的徑向磁場(chǎng)磁力齒輪、直線(xiàn)磁力齒輪和軸向磁場(chǎng)磁力齒輪的論文，對(duì)三種磁力齒輪的工作原理作了深入研究，研制出徑向磁場(chǎng)磁力齒輪樣機(jī)。2005年，丹麥奧爾堡犬學(xué)p．0．rasmussen等提出一種內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)置聚磁式研究與設(shè)計(jì)輪，并研制開(kāi)發(fā)出一臺(tái)樣機(jī)。香港大學(xué)k tchau等開(kāi)展徑向磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪及其應(yīng)用研究，并取得一定的研究成果。上海大學(xué)黃蘇融等對(duì)軸向磁場(chǎng)磁力齒輪進(jìn)行了研究，并于2008年研制出原理樣機(jī)。與直接耦合式磁力齒輪相比，磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪的所有永磁體都參與轉(zhuǎn)矩的傳遞，轉(zhuǎn)矩密度較高。
磁力齒輪是一種能量轉(zhuǎn)換機(jī)械，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)牛損耗和熱量，導(dǎo)致其部件的溫度升高。稀上釹鐵硼永磁體溫度系數(shù)較高，剩余磁密b，的溫度系數(shù)可達(dá)百分之0.13，高溫。f磁損失較大；內(nèi)稟矯頑力h。．的溫度系數(shù)可達(dá)百分之(0.6~0.7)，以n35eh為例，20℃時(shí)內(nèi)稟矯頑力致，為2 170.4 ka/m;180 ℃時(shí)， 934.4 ka/m，抗去磁能力下降百分之56. 9。磁力齒輪借助永磁體磁場(chǎng)傳遞轉(zhuǎn)矩，剩余磁密b，的下降使得磁力齒輪轉(zhuǎn)矩下降；高溫導(dǎo)致內(nèi)稟矯頑力h。下降，可產(chǎn)生局部失磁，使得磁力齒輪性能?chē)?yán)重惡化。因此，對(duì)磁力齒輪的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，有必要研究其運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布。從檢索到的文獻(xiàn)看，針對(duì)磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪的研究主要集中在電磁和結(jié)構(gòu)方面，而對(duì)于碰力齒輪溫度場(chǎng)的研究成果未見(jiàn)報(bào)道。
本文以高速轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)、低速轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)p= 23、調(diào)制定子極數(shù)n=27、齒輪變速比g=5. 75的軸向磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪原理樣機(jī)為例，用有限元法對(duì)其三維溫度場(chǎng)計(jì)算，得出關(guān)鍵部件的溫度分布情況，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
1 損耗計(jì)算
軸向磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。軸向磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪的高速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)經(jīng)定子磁極調(diào)制后，在低速側(cè)的高速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間諧波中，以23對(duì)極諧波分量****，該諧波與低速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的23對(duì)極諧波互相耦合，產(chǎn)生23對(duì)極諧波轉(zhuǎn)矩，其余諧波與低速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合后產(chǎn)的轉(zhuǎn)矩平均值為零。同理，低速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)經(jīng)定子磁極調(diào)制后，在高速側(cè)的低速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間諧波中，以4對(duì)極諧波分量****，與高速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合，產(chǎn)生4對(duì)極的轉(zhuǎn)矩，其余諧波與高速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值為零。但各諧波分量均會(huì)產(chǎn)生鐵心損耗和永磁體渦流損耗。
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