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      磁齒輪在電動汽車中的運(yùn)用研究

      2017-09-27 23:22:40井立兵楊楠李海軍王歸新
      關(guān)鍵詞:電動汽車

      井立兵?++楊楠++李海軍++王歸新

      摘要:針對磁齒輪的優(yōu)點(diǎn)及電動汽車爬坡性能差的特點(diǎn),本文對磁齒輪進(jìn)行正弦充磁,分析其氣隙磁場分布情況,制作樣機(jī)并驗(yàn)證傳動比及傳動效率;最后驗(yàn)證了使用磁齒輪的電動汽車在爬坡性能上強(qiáng)于一般的電動汽車。

      關(guān)鍵詞:磁齒輪;轉(zhuǎn)矩密度;氣隙磁場;電動汽車

      【中圖分類號】U469.72

      本論文研究目的是探索磁齒輪在電動汽車中的應(yīng)用。目前國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究人員還不多,但已有越來越多的人注意到磁齒輪的優(yōu)點(diǎn),國外的研究一直在深入,比如英國人,從理論上分析了磁齒輪的原理及運(yùn)行規(guī)律,并且制作了一種新型磁齒輪樣機(jī),試驗(yàn)表明新型磁齒輪有較大的轉(zhuǎn)矩密度,且傳遞效率也非常高。這對新能源汽車,特別是純電動汽車來說,可以替代傳統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu),特別是低速大轉(zhuǎn)矩場合,磁齒輪有更美好的應(yīng)用前景。

      一、磁齒輪傳動原理

      從結(jié)構(gòu)上看,磁齒輪主要由3部分構(gòu)成:內(nèi)部是具有較少磁極的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體(高速轉(zhuǎn)子),外部是具有較多磁極的外轉(zhuǎn)子永磁體(低速轉(zhuǎn)子),中間固定部分是由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料交錯組成的調(diào)磁鐵心塊(調(diào)磁環(huán)),起到調(diào)制內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁場的作用。由于該磁力齒輪的基本工作原理是依靠齒形定子(調(diào)磁環(huán))對磁場進(jìn)行調(diào)制,故將其稱為磁場調(diào)制式磁力齒輪[2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

      圖1 磁場調(diào)制式磁力齒輪結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 磁力線的分布

      本文采用全局解析法計(jì)算具有兩層氣隙的磁齒輪傳動裝置。電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換重要參數(shù)之一,準(zhǔn)確計(jì)算磁齒輪電磁轉(zhuǎn)矩是設(shè)計(jì)、分析磁齒輪性能的關(guān)鍵。根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法理論,電磁轉(zhuǎn)矩由切向力產(chǎn)生,如果沿半徑r的圓周積分,則電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為:

      (2)

      式中Lef為電機(jī)氣隙軸向有效長度;r為氣隙中的任意圓周半徑;Br, Bθ分別為半徑r處氣隙磁密的徑向和切向分量。對于選定的半徑,r為常數(shù)。

      二、磁齒輪磁場計(jì)算實(shí)例

      本文利用以上解析計(jì)算模型,對一臺同心式磁力齒輪樣機(jī)內(nèi)外兩層氣隙磁場和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算,

      該同心式磁力齒輪磁力線的分布情況如圖2所示。

      圖3和圖4分別為內(nèi)外兩層氣隙徑向磁密和切向磁密解析計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果的比較。

      (a) 徑向部分 (b) 切向部分

      圖3 內(nèi)層氣隙中間磁通密度(r=70.5mm)

      (a) 徑向部分 (b) 切向部分

      圖4 外層氣隙中間磁通密度(r=86.5mm)

      從圖中可看到全局解析法計(jì)算徑向和切向磁密相對有限元計(jì)算結(jié)果在波形上十分吻合。

      從樣機(jī)帶載試驗(yàn)結(jié)果知,同心式磁力齒輪傳動裝置傳遞效率受負(fù)載大小影響很大,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于60N m時(shí),其傳遞效率在90%以上。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到74N m時(shí),樣機(jī)的有效長度對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到57.18kN m/m3。

      三、結(jié)論

      本文采用了二維全局解析法計(jì)算同心式磁力齒輪磁場分布及電磁轉(zhuǎn)矩。通過實(shí)例模型計(jì)算了其空載內(nèi)外兩層氣隙磁場和電磁轉(zhuǎn)矩,其計(jì)算波形與有限元法計(jì)算波形相當(dāng)一致。而新型磁力齒輪傳動裝置的最大優(yōu)點(diǎn)就是適用于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩場合,將同心式磁齒輪傳動裝置應(yīng)用到電動汽車中,電動汽車的性能可以得到很大的提升,也更有利于推動電動汽車的發(fā)展。

      參考文獻(xiàn)

      [1]P. O. Rasmussen, T. O. Andersen, F. T. Jorgensen. Development of a high performance magnetic gear[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(3): 764-770.

      [2]K. Atallah, D, Howe. A novel high performance magnetic gear[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37(4): 2844-2846.endprint

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