电磁齿轮结构参数对漏磁的影响分析

郑文伟，张莉，钟俊

电磁齿轮结构参数对漏磁的影响分析

郑文伟，张莉*，钟俊

（台州学院 机械工程学院，浙江 台州 318000）

漏磁在磁力传动中不可避免，利用ANSYS有限元软件对电磁齿轮进行磁场分析，研究工作气隙、极齿对数、极齿厚度、及周向气隙等因素对磁感应强度的影响，仿真得到不同因素值下磁感应强度的变化值，进而推导出这些因素对电磁齿轮漏磁的影响，为电磁齿轮的设计提供了理论依据。

电磁齿轮；漏磁；磁感应强度

电磁齿轮属于非接触传动，通过磁场产生磁力来传递运动和动力[1-2]。漏磁在磁力传动中不可避免，它对传动效率影响较大，会明显影响电磁力和磁转矩的大小和方向[3]，减小漏磁对电磁齿轮的设计和应用具有重要意义。

1 电磁齿轮

图1所示电磁齿轮的每个极齿都具有N极或S极磁性[4]，通过主从动齿轮N、S磁极相吸产生的耦合作用完成齿轮传动动作。

图1 电磁齿轮结构图

电磁齿轮的漏磁现象会直接影响磁场强度，从而影响电磁力的大小。产生漏磁的因素较多，本文主要研究电磁齿轮的结构参数对漏磁的影响，如图2所示，包括工作气隙、极齿对数、极齿厚度及周向气隙。电磁齿轮的主要参数为：齿轮外径83 mm，加载电流3 A。

图2 电磁齿轮各结构参数示意图

本文利用ANSYS有限元软件对电磁齿轮传动进行磁场分析，磁极材料采用10号钢，电磁齿轮有限元模型如图3所示，采用PLANE 13单元。由于ANSYS后处理中没有对漏磁的具体量化指标，因此本文通过分析各因素对磁感应强度产生的影响而推导出对漏磁的影响。

图3 电磁齿轮有限元模型

2 电磁齿轮结构参数对漏磁的影响

2.1 工作气隙s

电磁齿轮工作气隙是指两齿轮耦合时主从轮两齿之间的最小距离，它是影响磁感应强度的较大因素之一。已知：极齿对数6、极齿厚度3.5 mm、周向气隙3°，所分析的工作气隙变化范围为∈[0.1, 1]，取值为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm。

图4为不同工作气隙所对应的磁感应强度关系曲线图。可知磁感应强度随工作气隙增大而减小；当气隙在0.1～0.3 mm时，磁感应强度随气隙的增大而快速减小；当气隙继续增大，磁感应强度随气隙的增大而缓慢减小。图5为工作气隙分别为0.1 mm和1 mm的电磁齿轮局部磁场分布，对比可看出，气隙较大者在耦合处的磁力线较少，这是因为气隙厚度增加，磁阻加大而导致通过的磁通量减少，漏磁增多，则磁感应强度较低。

图4 工作气隙s与磁感应强度B关系曲线

（a）s＝0.1 mm （b）s＝1 mm

因此，电磁齿轮应尽可能采用较小的工作气隙，以取得较大的磁感应强度。本文设计的电磁齿轮工作气隙＝0.2 mm。

2.2 极齿对数p

电磁齿轮极齿对数不同，产生的磁感应强度不同，传递的电磁力也有所不同。已知：极齿厚度为3.5 mm，周向气隙为3°，工作气隙为0.2 mm，齿轮极齿对数分别取为2、3、4、5、6对。

图6为不同极齿对数与磁感应强度的关系。极齿对数＝2时，磁感应强度比较大；当极齿对数由2对增加到3对时，磁感应强度下降较快；但当极齿对数再增加时，磁感应强度下降不显著。由图7可看出，极齿对数多者，有较多的磁通绕经到相邻极齿内部磁路，参加耦合的磁通减少，则磁感应强度降低。

当电磁齿轮采用较少的极齿对数时，虽然磁感应强度较高，但齿数过少对齿轮传动不利，会影响齿轮的传动平稳性，因此，电磁齿轮的极齿对数取值要综合考虑，不宜过小。本文设计的电磁齿轮极齿对数采用6对。

图6 极齿对数p与磁感应强度B关系曲线

图7 不同极齿对数的磁场分布图

2.3 极齿厚度h

极齿厚度为电磁齿轮极齿的厚度。已知：极齿对数为6，周向气隙为3°，工作气隙为0.2 mm，极齿厚度变化范围∈[1, 6]，取值分布为1、1.5、2、2.5、3.5、4、4.5、5.5、6 mm。

图8为不同极齿厚度所对应的磁感应强度关系曲线图。可知，极齿厚度＝1 mm时，磁感应强度非常小；当极齿厚度在1～1.5 mm时，磁感应强度快速增加；但当极齿厚度处于1.5～6 mm时，磁感应强度又逐渐减小。图9为极齿厚度＝1.5 mm和＝6 mm的电磁齿轮局部磁力线分布图，对比可看出，当极齿厚度增加，极齿磁阻增大，通过的磁通量减少，漏磁增加，则其磁感应强度降低。

因此，在确定电磁齿轮的极齿厚度时，需根据电磁齿轮其它参数确定一个合适的厚度，使磁感应强度达到一个适当值，但极齿厚度取值过小，会导致加工困难。综合考虑下，本文设计的电磁齿轮极齿厚度取值为3.5 mm。

图8 极齿厚度h与磁感应强度B关系曲线

（a）h＝1.5 mm （b）h＝6 mm

2.4 周向气隙e

周向气隙是指电磁齿轮左爪极和右爪极之间的周向间隙，以其对应的旋转角来表示。已知：极齿对数为6，工作气隙为0.2 mm，极齿厚度为3.5 mm，周向气隙变化范围∈[1, 6.5]，取值分布为1、1.5、2、2.5、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5 mm。图10为不同周向气隙与磁感应强度的关系。

图10 周向气隙e与磁感应强度B关系曲线

由图10知，磁感应强度随周向气隙的增大而逐渐减小；在1°≤≤3.5°磁感应强度随气隙角度降低较快；在4°≤≤6°磁感应强度随气隙角度降低较平缓。图11为＝1.5°和＝6.5°的二维磁力线分布，可以看出，随周向气隙角度的增大，电磁齿轮内部磁路的磁通增多，参与耦合齿之间的磁通减少，导致磁感应强度降低。

图11 不同周向气隙的磁场分布图

电磁齿轮设计时尽可能采用较小的周向气隙。本文设计的电磁齿轮周向气隙取值为＝3°。

3 结论

本文利用ANSYS有限元软件对电磁齿轮进行了磁场分析，研究了工作气隙、极齿对数、极齿厚度及周向气隙等因素对磁感应强度的影响，获得各因素与磁感应强度的关系曲线以及电磁齿轮的磁场分布图，从而推导出这些因素对电磁齿轮漏磁的影响，为电磁齿轮的设计提供了理论依据。

[1]张莉，陈伦军. 新型非接触电磁齿轮电磁力及热性能计算与分析[J]. 机械设计与制造，2010（9）：205-207.

[2]封宁君，余海涛，胡敏强，等. 圆筒型直线磁齿轮性能分析[J]. 电工技术学报，2015，30（2）：43-49.

[3]王澄泓，汪希平，周朝暾，等. 电磁推力轴承磁场的有限元计算及漏磁分析[J]. 机械设计与研究，2004（5）：52-55.

[4]倪涛. 基于蒙特卡罗法的电磁齿轮的可靠性分析[J]. 制造业自动化，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

浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（2016R430027）

郑文伟（1995－），男，浙江温州人，本科，主要研究方向为结构设计。

张莉（1977－），女，贵州黎平人，博士，副教授，主要研究方向为产品结构设计、CAD／CAE。