Z型极靴聚磁式磁齿轮设计与仿真分析

张邦京; 朱姿娜; 李开元

doi:10.12299/jsues.22-0004

Z型极靴聚磁式磁齿轮设计与仿真分析

doi: 10.12299/jsues.22-0004

张邦京^a,,
朱姿娜^{a, b, ,},
李开元^a

a.
上海工程技术大学机械与汽车工程学院, 上海 201620
b.
上海市大型构件智能制造机器人技术协同创新中心, 上海 201620

基金项目: 国家自然科学基金项目资助（51705305、51775165）；上海市大型构件智能制造机器人技术协同创新中心开放基金项目资助（ZXP20211101）

详细信息

作者简介:
张邦京（1995−），男，在读硕士，研究方向为磁力耦合传动. E-mail：2775150845@qq.com

通讯作者:
朱姿娜（1987−），女，副教授，博士，研究方向为磁力耦合传动. E-mail：zhuzina@126.com

中图分类号: TH132.41
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出版历程
- 收稿日期: 2022-01-06
- 刊出日期: 2023-06-20

Design and simulation analysis of a flux focusing magnetic gear with Z-type pole-pieces

ZHANG Bangjing^a
,,
ZHU Zina^{a, b
, ,},
LI Kaiyuan^a

a.
School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
b.
Shanghai Collaborative Innovation Center of Intelligent Manufacturing Robot Technology for Large Components, Shanghai 201620, China

摘要

摘要: 提出并研究一种Z型极靴聚磁式磁齿轮（ZP-FFMG）. 在该磁齿轮结构中，Z型极靴可以耦合转子端面和圆柱面的磁通. 通过三维仿真可知，Z型极靴聚磁式磁齿轮中存在有助于传递转矩的轴向和径向磁通分量. 对比分析传统聚磁式磁齿轮（FFMG）和Z型极靴聚磁式磁齿轮，结果表明，与传统聚磁式磁齿轮相比，Z型极靴聚磁式磁齿轮的传递转矩提高42%，转矩密度增加15 kN·m/m³，同时磁通密度也有改善.
- 磁齿轮 /
- Z型极靴 /
- 聚磁式磁齿轮 /
- 结构设计
Abstract: A flux focusing magnetic gear with Z-type pole-pieces (ZP-FFMG) was presented and investigated. In this magnetic gear structure, the proposed Z-type pole-pieces can couple the magnetic flux of the end face and cylindrical face of rotors. The 3D simulation shows that there are axial and radial magnetic flux components in the ZP-FFMG, which are helpful to torque transmission. A comparative analysis of traditional flux focusing magnetic gear (FFMG) and ZP-FFMG was given. The results show that compared with the traditional FFMG, the transmission torque of the ZP-FFMG is increased by 42%, the torque density is increased by 15 kN·m/m³, and the magnetic flux density is also improved.
- magnetic gear /
- Z-type pole-pieces /
- flux focusing magnetic gear /
- structural design

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图 1 ZP-FFMG拓扑结构

Figure 1. Topology of ZP-FFMG

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图 2 ZP-FFMG关键参数

Figure 2. Key parameters of ZP-FFMG

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图 3 ZP-FFMG的磁通分布及截面磁通矢量

Figure 3. Magnetic flux distribution and magnetic flux vector of a section of ZP-FFMG

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图 4 外层气隙磁通密度

Figure 4. Flux density of outer air-gap

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图 5 内层气隙磁通密度

Figure 5. Flux density of inner air-gap

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图 6 矩角特性曲线

Figure 6. Torque-angle characteristic curve

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图 7 负载转矩

Figure 7. Load torque

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图 8 Z型极靴厚度对转矩的影响

Figure 8. Torque capability for thickness of Z-type pole-pieces

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图 9 ZP-FFMG与FFMG磁通密度分布对比

Figure 9. Comparison of magnetic flux density distribution between ZP-FFMG and FFMG

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图 10 最大输出转矩比较

Figure 10. Maximum output torque comparation

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图 11 FFMG和ZP-FFMG转子轴向长度对转矩能力的影响

Figure 11. Effect of axial length of FFMG and ZP-FFMG rotors on torque capacity

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表 1 ZP-FFMG参数表

Table 1. Parameter table of ZP-FFMG

部件	参数	值
HSR	外径r_ho/mm	60
	内径r_hi/mm	30
	极靴角度θ_hs/（°）	22.5
	永磁体角度θ_hm/（°）	22.5
	轴向长度d_h/mm	20
	极对数p_h	4
LSR	外径r_lo/mm	100
	内径r_li/mm	70
	极靴角度θ_ls/（°）	6
	永磁体角度θ_lm/（°）	6
	轴向长度d_l/mm	20
	极对数p_l	15
定子	径向宽度l_s/mm	8
	Z型极靴厚度t_s/mm	8 (初始) 6 (优化后)
	角度θ_s/（°）	11
	Z型极靴数量n_s	19
气隙/mm		1
永磁体剩磁/T		1.2

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表 2 FFMG 与ZP-FFMG聚磁比

Table 2. Magnetic concentration ratio of FFMG and ZP-FFMG

齿轮类型	HSR	LSR
FFMG	2.26	4.49
ZP-FFMG	1.20	2.90

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