電磁齒輪結構參數對漏磁的影響分析

鄭文偉，張莉，鐘俊

電磁齒輪結構參數對漏磁的影響分析

鄭文偉，張莉*，鐘俊

（臺州學院 機械工程學院，浙江 臺州 318000）

漏磁在磁力傳動中不可避免，利用ANSYS有限元軟件對電磁齒輪進行磁場分析，研究工作氣隙、極齒對數、極齒厚度、及周向氣隙等因素對磁感應強度的影響，仿真得到不同因素值下磁感應強度的變化值，進而推導出這些因素對電磁齒輪漏磁的影響，為電磁齒輪的設計提供了理論依據。

電磁齒輪；漏磁；磁感應強度

電磁齒輪屬于非接觸傳動，通過磁場產生磁力來傳遞運動和動力[1-2]。漏磁在磁力傳動中不可避免，它對傳動效率影響較大，會明顯影響電磁力和磁轉矩的大小和方向[3]，減小漏磁對電磁齒輪的設計和應用具有重要意義。

1 電磁齒輪

圖1所示電磁齒輪的每個極齒都具有N極或S極磁性[4]，通過主從動齒輪N、S磁極相吸產生的耦合作用完成齒輪傳動動作。

圖1 電磁齒輪結構圖

電磁齒輪的漏磁現象會直接影響磁場強度，從而影響電磁力的大小。產生漏磁的因素較多，本文主要研究電磁齒輪的結構參數對漏磁的影響，如圖2所示，包括工作氣隙、極齒對數、極齒厚度及周向氣隙。電磁齒輪的主要參數為：齒輪外徑83 mm，加載電流3 A。

圖2 電磁齒輪各結構參數示意圖

本文利用ANSYS有限元軟件對電磁齒輪傳動進行磁場分析，磁極材料采用10號鋼，電磁齒輪有限元模型如圖3所示，采用PLANE 13單元。由于ANSYS后處理中沒有對漏磁的具體量化指標，因此本文通過分析各因素對磁感應強度產生的影響而推導出對漏磁的影響。

圖3 電磁齒輪有限元模型

2 電磁齒輪結構參數對漏磁的影響

2.1 工作氣隙s

電磁齒輪工作氣隙是指兩齒輪耦合時主從輪兩齒之間的最小距離，它是影響磁感應強度的較大因素之一。已知：極齒對數6、極齒厚度3.5 mm、周向氣隙3°，所分析的工作氣隙變化范圍為∈[0.1, 1]，取值為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm。

圖4為不同工作氣隙所對應的磁感應強度關系曲線圖。可知磁感應強度隨工作氣隙增大而減小；當氣隙在0.1～0.3 mm時，磁感應強度隨氣隙的增大而快速減小；當氣隙繼續增大，磁感應強度隨氣隙的增大而緩慢減小。圖5為工作氣隙分別為0.1 mm和1 mm的電磁齒輪局部磁場分布，對比可看出，氣隙較大者在耦合處的磁力線較少，這是因為氣隙厚度增加，磁阻加大而導致通過的磁通量減少，漏磁增多，則磁感應強度較低。

圖4 工作氣隙s與磁感應強度B關系曲線

（a）s＝0.1 mm （b）s＝1 mm

因此，電磁齒輪應盡可能采用較小的工作氣隙，以取得較大的磁感應強度。本文設計的電磁齒輪工作氣隙＝0.2 mm。

2.2 極齒對數p

電磁齒輪極齒對數不同，產生的磁感應強度不同，傳遞的電磁力也有所不同。已知：極齒厚度為3.5 mm，周向氣隙為3°，工作氣隙為0.2 mm，齒輪極齒對數分別取為2、3、4、5、6對。

圖6為不同極齒對數與磁感應強度的關系。極齒對數＝2時，磁感應強度比較大；當極齒對數由2對增加到3對時，磁感應強度下降較快；但當極齒對數再增加時，磁感應強度下降不顯著。由圖7可看出，極齒對數多者，有較多的磁通繞經到相鄰極齒內部磁路，參加耦合的磁通減少，則磁感應強度降低。

當電磁齒輪采用較少的極齒對數時，雖然磁感應強度較高，但齒數過少對齒輪傳動不利，會影響齒輪的傳動平穩性，因此，電磁齒輪的極齒對數取值要綜合考慮，不宜過小。本文設計的電磁齒輪極齒對數采用6對。

圖6 極齒對數p與磁感應強度B關系曲線

圖7 不同極齒對數的磁場分布圖

2.3 極齒厚度h

極齒厚度為電磁齒輪極齒的厚度。已知：極齒對數為6，周向氣隙為3°，工作氣隙為0.2 mm，極齒厚度變化范圍∈[1, 6]，取值分布為1、1.5、2、2.5、3.5、4、4.5、5.5、6 mm。

圖8為不同極齒厚度所對應的磁感應強度關系曲線圖。可知，極齒厚度＝1 mm時，磁感應強度非常小；當極齒厚度在1～1.5 mm時，磁感應強度快速增加；但當極齒厚度處于1.5～6 mm時，磁感應強度又逐漸減小。圖9為極齒厚度＝1.5 mm和＝6 mm的電磁齒輪局部磁力線分布圖，對比可看出，當極齒厚度增加，極齒磁阻增大，通過的磁通量減少，漏磁增加，則其磁感應強度降低。

因此，在確定電磁齒輪的極齒厚度時，需根據電磁齒輪其它參數確定一個合適的厚度，使磁感應強度達到一個適當值，但極齒厚度取值過小，會導致加工困難。綜合考慮下，本文設計的電磁齒輪極齒厚度取值為3.5 mm。

圖8 極齒厚度h與磁感應強度B關系曲線

（a）h＝1.5 mm （b）h＝6 mm

2.4 周向氣隙e

周向氣隙是指電磁齒輪左爪極和右爪極之間的周向間隙，以其對應的旋轉角來表示。已知：極齒對數為6，工作氣隙為0.2 mm，極齒厚度為3.5 mm，周向氣隙變化范圍∈[1, 6.5]，取值分布為1、1.5、2、2.5、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5 mm。圖10為不同周向氣隙與磁感應強度的關系。

圖10 周向氣隙e與磁感應強度B關系曲線

由圖10知，磁感應強度隨周向氣隙的增大而逐漸減小；在1°≤≤3.5°磁感應強度隨氣隙角度降低較快；在4°≤≤6°磁感應強度隨氣隙角度降低較平緩。圖11為＝1.5°和＝6.5°的二維磁力線分布，可以看出，隨周向氣隙角度的增大，電磁齒輪內部磁路的磁通增多，參與耦合齒之間的磁通減少，導致磁感應強度降低。

圖11 不同周向氣隙的磁場分布圖

電磁齒輪設計時盡可能采用較小的周向氣隙。本文設計的電磁齒輪周向氣隙取值為＝3°。

3 結論

本文利用ANSYS有限元軟件對電磁齒輪進行了磁場分析，研究了工作氣隙、極齒對數、極齒厚度及周向氣隙等因素對磁感應強度的影響，獲得各因素與磁感應強度的關系曲線以及電磁齒輪的磁場分布圖，從而推導出這些因素對電磁齒輪漏磁的影響，為電磁齒輪的設計提供了理論依據。

[1]張莉，陳倫軍. 新型非接觸電磁齒輪電磁力及熱性能計算與分析[J]. 機械設計與制造，2010（9）：205-207.

[2]封寧君，余海濤，胡敏強，等. 圓筒型直線磁齒輪性能分析[J]. 電工技術學報，2015，30（2）：43-49.

[3]王澄泓，汪希平，周朝暾，等. 電磁推力軸承磁場的有限元計算及漏磁分析[J]. 機械設計與研究，2004（5）：52-55.

[4]倪濤. 基于蒙特卡羅法的電磁齒輪的可靠性分析[J]. 制造業自動化，2011，33（8）：88-91.

Effects of Structure Parameters of Electromagnetic Gear on Magnetic Flux Leakage

ZHENG Wenwei，ZHANG Li，ZHONG Jun

(School of Mechanical engineering, Taizhou University, Taizhou 318000, China )

Magnetic flux leakage is inevitable in magnetic drive system; magnetic field of electromagnetic gear was analyzed by ANSYS, effects of structure parameters of electromagnetic gear on magnetic induction intensity was studied, including working air-gap, magnetic pole logarithm, magnetic pole thickness and circumferential air-gap. Variation of magnetic induction intensity was obtained by simulation analysis, and effects on magnetic flux leakage were deducted. The results can provide the theoretical basis for designing electromagnetic gear.

electromagnetic gear；magnetic flux leakage；magnetic induction intensity

TH132.41

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.015

1006－0316 (2018) 03－0057－04

2017－07－12

浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃（2016R430027）

鄭文偉（1995－），男，浙江溫州人，本科，主要研究方向為結構設計。

張莉（1977－），女，貴州黎平人，博士，副教授，主要研究方向為產品結構設計、CAD／CAE。