直线旋转变换器的设计与分析

论文总字数：24441字

摘 要

磁力耦合器的出现，推动了传动领域的发展，但其拓扑结构在一定程度上限制了磁力耦合器的应用场合。现在关于直线运动与旋转运动相互转换的磁力耦合器的研究较少，本文研究了一种新的拓扑结构的磁力耦合器——直线旋转变换器。直线旋转变换器可以实现直线运动与旋转运动之间的相互转换，通过磁场调制作用来实现转矩或力的传递，由于内转子与外动子之间的非接触性，使得这种磁力耦合器在特定场合具有特殊的优势，有较好的发展希望。本文围绕以下几个方面做了研究：

1. 设计合理的直线旋转变换器结构。确定直线旋转变换器结构的几何关系，确定直线旋转变换器的各部分参数，包括内转子永磁体极对数，调磁铁块个数和外动子永磁体极对数。

2. 分析直线旋转变换器的工作原理。采用理论分析和有限元计算研究直线旋转变换器的磁路特点，分析直线运动和旋转运动的电磁原理，揭示直线运动和旋转运动的转换机理。

3. 优化直线旋转变换器的结构。对直线旋转变换器的电磁转矩特性和电磁推力特性进行仿真分析，验证可行性；采用有限元方法研究中间的调磁铁块径向长度和中心角对电磁推力和电磁转矩的影响，借此优化结构。

关键词：直线旋转变换器；磁力耦合；有限元分析

Abstract

The appearance of magnetic coupling promotes to the development of transmission, while the topology limits its application area. Due to the less of the research on magnetic coupling of conversion of linear motion and rotary motion, this passage shows a magnetic coupling with new topology, the linear rotary transformer. The linear rotary transformer can achieve the transformation between linear motion and rotary motion, and using a magnetic field modulation to transform torque to force. The non-contact between inner rotor and outer mover makes this magnetic coupling owns a unique advantage in special situations and have a better development. This passage presents the study focusing on the following areas :

1. Design the structure of the linear rotary transformer. Design the geometric relationship and the parameters of the linear rotary transformer, including the pairs of inner rotor permanent magnet pole. the number of adjusting magnet blocks and the pairs of outer mover permanent magnet pole .

2. Analyze the working theory of the linear rotary transformer. Using theoretical analysis and finite element calculation to research magnetic circuit characteristics of the linear rotary transformer. Analyze electromagnetic theory of linear and rotational movement to show the conversion mechanism of linear and rotational movement.

3. Optimize the structure of the linear rotary transformer. Simulate and analyze the electromagnetic torque and force characteristics of the linear rotary transformer. Using the finite element method to research the impact of the electromagnetic force and torque by the central adjusting magnet blocks radial length and central angle, thereby optimizing the structure.

Keywords: Linear rotary transformer; Magnetic coupling; Finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 磁力耦合器的概述 1

1.3 磁力耦合器的发展 2

1.3.1 传统的磁力耦合器发展 2

1.3.2 高性能的磁力耦合器发展 3

1.3.3 其他形式磁力耦合器发展 3

1.4 本文的主要研究内容 3

第二章 拓扑结构的介绍 5

2.1 磁力耦合器的分类 5

2.1.1 按磁场特性分类 5

2.1.2 按运动形式分类 10

2.2 直线旋转变换器的拓扑结构 11

2.3 小结 14

第三章 工作原理和有限元分析 15

3.1 直线旋转变换器的工作原理 15

3.2 有限元分析软件介绍 16

3.2.1 Ansoft Maxwell简介 16

3.2.2 Ansoft Maxwell 仿真步骤 17

3.3 直线旋转变换器的二维有限元分析 17

3.3.1 材料添加 18

3.3.2 网络剖分 18

3.3.3 边界条件 19

3.3.4 磁场分析 19

3.4 小结 21

第四章 直线旋转变换器的仿真优化 22

4.1 仿真 22

4.2 优化 23

4.3 小结 24

第五章 总结 25

致谢 26

参考文献（References） 27

第一章 绪论

1.1 引言

生产制造是各行业产业升级、技术进步的重要保障，可以体现一个国家的综合实力，必须大力投入发展研究，传动环节恰恰是生产制造中的一个必不可少的环节，其用来实现不同速度的变换以及力或转矩的传递。以前，传动环节的应用以机械齿轮为主，它的引入解决的是传动系统中动力端与负载端转矩或速度的匹配问题，同时使得传动设备的总体积得到减小，传动系统的总成本得到降低，但是机械齿轮的引入也给传动系统带来了一些不方便的问题，比如振动、噪音、润滑以及维护等。当然，科技一直在发展，人们也一直在努力研究，通过选用高性能材料、对齿形进行精加工处理以及改进润滑等措施使得机械齿轮的性能有了很大的改进，但是可惜还是没有从根本上解决问题。电气时代的到来，对于传动环节的要求越来越高，磁性齿轮的出现对传动领域尤为重要，其利用磁场进行转矩或力的传递，输入与输出之间的非接触性特点使磁性齿轮较机械齿轮在特定场合具有一些特殊的优势^[1-2]。磁性齿轮经过材料与结构的不断变化，性能方面已经能满足许多传动场合。

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