電磁自輔助起動與制動齒輪的研發與應用

孫鴻基，董小平，范衍澤，肖志敏，高天翔

（1.河北大學質量技術監督學院，河北保定 071002；2.汽車制造質量教育社會實踐基地（河北大學—長安汽車），河北保定 071002；3.河北大學電子信息工程學院，河北保定 071002）

0 引言

在“中國制造2025”戰略環境下，當前許多國內大型工程面臨大型設備制造與使用的難題。針對其中大型齒輪起動和制動時因齒輪轉動慣量過大[1]而導致起動與制動困難的問題，開展本創新項目的研究。本創新項目采用設置齒輪內部通電線圈的方式，設計了一種電磁自輔助起動與制動齒輪[2]（以下簡稱“電磁自輔助齒輪”），通過電磁力給齒輪施加轉矩，利用單片機控制電流從而控制轉矩大小，同時還可以減少振動。本項目的實施，對大型工程的效率提高和成本節約均起到重大作用，具有深遠的社會意義和巨大的工業價值。

1 電磁自輔助起動與制動齒輪結構和工作原理

電磁自輔助齒輪結構上是在普通的漸開線齒輪齒中內置線圈，沿圓周分布（圖1）。每個線圈都單獨連一根總線，自成一路，單獨受單片機控制。

兩齒輪嚙合運轉時，在齒1 即將于齒4 嚙合之時，齒1 線圈通以逆時針電流，同時齒4 線圈通以順時針電流，產生一適當大小的電磁斥力，隨著兩齒距離越來越靠近，該力也會隨之增大，在完全接觸以后，停止通電，電磁力也同時消失，該行為可起到輔助制動和減振作用；如果通之以同方向的電流，則可起到輔助啟動的作用（圖2）。同理，齒2、齒3、齒5 可以根據需要選擇電流方向與大小來進行調節。在此過程中，未參與嚙合運動的齒內線圈將不予通電。

圖1 電磁自輔助齒輪結構

圖2 工作原理示意

2 供電方案

在其他條件相同的情況下，電磁力的大小完全取決于電流的大小，因此需要根據需求的力的大小設定相應的電流大小。根據康玉寬[3]等人的研究，兩同軸通電圓柱形螺線管間電磁作用力F 如下：

可是在實際嚙合的過程中，線圈并不是同軸接觸，所以需要加上修正系數Φ，即Fa=ΦF。該系數應該根據實際情況由實驗測定。

3 結論

（1）齒輪線圈內置于齒內，每捆線圈單獨受控，線圈通電產生電磁力輔助起動與制動。

（2）采用反向通電消磁。

（3）可應用于大型齒輪的起動、制動和減振。