磁场调制型磁齿轮多场耦合理论及应用

磁齿轮传动作为机械传动中一类特殊的存在一直备受关注,但由于种种原因未能在工业领域得到大规模应用。磁场调制型同轴式磁齿轮的出现,使这一行业的科研人员和科技工作者又一次燃起了希望。尽管同轴式磁齿轮以其特殊的拓扑结构和工作原理拥有了比以往的磁齿轮传动更加明显的优势,但其应用涉及的问题也相当复杂,使其产业化充满了难度和挑战。本书作者及其团队自 2013 年开始探索同轴式磁齿轮的传动原理、结构设计、动力学等方面的研究,其主要动因有以下几个方面:一是同轴式磁齿轮与传统磁齿轮相比优势极其明显,几乎可以和机械齿轮传动相媲美,实在是永磁传动领域的一匹黑马, 吸引着无数相关领域的研究人员。二是作为一种新型传动机构,其设计理论缺失、损耗和温度场等相关问题不明,想要快速实现其工业化,必须进行充分的研究。三是我国稀土资源储量丰富,由此衍生的稀土永磁材料产业虽然十分发达,但稀土永磁材料的社会附加值却有待提高,如果同轴式磁齿轮能广泛应用于工业的各个领域,其必将在带动绿色传动升级的同时,促进稀土永磁材料行业的迅猛发展,为我国高端装备发展提供强大助力。自2001年同轴式磁齿轮调制机理被提出以来,该领域内的研究人员数量迅猛提升,谢菲尔德大学研究者们成立的 Magnomatics 公司已将磁齿轮产业化,且将以磁齿轮为基础的伪直驱技术商业化后逐步应用于风电、舰船驱动和机车牵引系统,也证明了该传动系统在工业各领域将有光明的应用前景。从2013 年一个偶然的机会接触到同轴式磁齿轮以来,作为国内研究磁齿轮比较早的团队之一,我们秉承的是机械行业惯有的实用性原则。作者带领研究生从事相关方向的研究,他们的学位论文为本书的完成提供了重要参考从2018年开始, 我们与国家电投集团科学技术研究院永磁团队合作进行同轴式磁齿轮的应用化研究,得到了他们极大的支持,磁齿轮的应用示范也离不开他们的坚持和各方面的投入。本书正是作者和国家电投集团科研技术研究院联合团队在该领域多年的研究成果总结。这里包括袁晓明博士的早期探索,郝文斌、张辉等研究生和侯书博博士对系统的研究,罗帅、刘伟、刘瑞霞、周钰峰、李高盛、魏立军、吴先峰、王晋中、曹菡、高凌宇在应用示范方面的实践总结与研究。 

本书第1章介绍了目前针对磁齿轮研究的现状和存在的问题;第2章介绍了磁场调制型磁齿轮的传动机理, 分析了各因素对转矩特性的影响;第3章考虑工程设计需求,建立了基于输出转矩的磁齿轮设计公式;第4章分析了影响磁齿轮损耗、 效率及温度场的主要因素;第5 章基于试验验证了磁齿轮的相关设计理论;第6章基于磁齿轮设计理论进行了其应用示范研究;第7章考虑磁耦合刚度分析了磁齿轮的自由振动特点;第8章考虑外部激励研究了磁齿轮的强迫响应;第9章分析了磁耦合刚度时变特性引起的参数激励;第10章研究了磁齿轮磁耦合刚度非线性引起的复杂共振现象; 第 11 章探索了基于磁流变阻尼器的磁齿轮半主动控制。本书的目的是为同轴式磁齿轮设计和动力学性能提高提供理论与技术基础,以推动该传动系统的工业应用和产业化进程。本书可供从事同轴式磁传动及磁场调制型复合电机、永磁电机研究或开发的科研、设计人员参考,也可为进行相关领域研究的研究生提供学习参考。 

本书在编写过程中,得到了许多同事和研究生、国家电投集团科学技术研究院同行的帮助和支持,在此表示衷心的感谢。由于作者学识、时间有限,加上磁场调制型磁齿轮作为一种新型传动相关理论还不太成熟, 新问题也在被不断挖掘,本书难免存在疏漏之处,恳请读者批评指正。 

本书系统地介绍了磁场调制型磁齿轮机械、磁、热多场耦合理论及应用示范研究，是作者团队十多年研究成果的提炼和总结。在研究磁齿轮转矩特性及影响因素基础上，提出了基于输出转矩的磁齿轮高精度设计公式，分析了基于磁热耦合的磁齿轮损耗及温度场分布，结合实际应用介绍了如何进行磁齿轮的优化、设计、制造及应用示范；深入探索了弱磁耦合刚度对磁齿轮传动系统固有特性的影响，揭示了时变弱磁耦合刚度导致的磁齿轮传动系统参数激励响应、稳定性，以及主共振、谐波共振以及内共振等非线性振动行为，提出了基于磁流变阻尼器的磁齿轮系统半主动控制策略，以提高磁齿轮系统的动力学稳定性。本书首次考虑实际应用提出了磁齿轮实用化设计理论，建立了磁齿轮多场耦合动力学理论体系，可为提高磁齿轮的传动能力、运行稳定性提供有效的指导，为加快磁齿轮传动产业化及在各领域的应用提供技术支持，也为同类型磁传动的设计、制造提供借鉴。

本书作为一部理论联系实际的著作，把国家战略融入其中，提升了书稿内容质量，并尽量简洁易读，对理论研究者、政府决策者及其他社会人员都有很好的参考价值。