【摘 要】
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永磁涡流耦合器作为一种新兴的柔性节能传动装置,能够在无刚性接触和机械连接的情况下实现转矩的传递,改变了传统机械传动运行方式,其相关的理论与技术已成为国内外学术界的研究热点。永磁涡流耦合器研究的高度复杂之处在于,求解运动导体涡流感应磁场和永磁体旋转磁场的电磁场耦合问题,以及电磁-温度多物理场的耦合问题。本文以轴向磁通永磁涡流耦合器为研究对象,以考虑运动导体动态涡流问题的电磁场建模分析为基础,研究电磁
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永磁涡流耦合器作为一种新兴的柔性节能传动装置,能够在无刚性接触和机械连接的情况下实现转矩的传递,改变了传统机械传动运行方式,其相关的理论与技术已成为国内外学术界的研究热点。永磁涡流耦合器研究的高度复杂之处在于,求解运动导体涡流感应磁场和永磁体旋转磁场的电磁场耦合问题,以及电磁-温度多物理场的耦合问题。本文以轴向磁通永磁涡流耦合器为研究对象,以考虑运动导体动态涡流问题的电磁场建模分析为基础,研究电磁-温度场双向耦合分析方法,解决永磁涡流耦合器多物理场耦合分析的问题。为了增强气隙磁密的正弦度提高功率密度和抑制转矩脉动,分别提出了基于谐波削极型磁极优化理论的设计方法和基于组合磁极的优化磁极排列方式,建立了电磁-温度场耦合解析模型,并进行了多物理场优化设计研究。这些研究工作具有重要的科学意义与学术价值,将为永磁涡流柔性传动的发展探索一条新的理论与技术路线。具体研究内容归纳如下:（1）针对运动导体动态涡流产生的感应磁场与永磁体旋转磁场耦合难于求解的问题,建立了考虑涡流效应的二维电磁场解析模型,对磁场分布和转矩特性进行了分析,通过三维有限元和15kW样机实验对解析模型进行了验证。在此基础上,基于多环等效计算方法建立了准三维电磁场解析模型,对磁场分布、涡流损耗和转矩特性进行了精确计算,解决了现有解析模型无法计算涡流损耗分布的问题,能够实现对永磁涡流耦合器局部温度最高点的准确预测。（2）针对现有电磁场解析模型仅能解决小滑差计算的问题,建立了考虑永磁体材料和导体材料温度特性的电磁-温度场双向耦合解析模型,分析了全滑差工作范围的温度分布和转矩特性,通过三维有限元和15kW样机实验对解析模型进行了验证。该解析模型解决了永磁涡流耦合器多物理场耦合分析的问题,保证涡流损耗引起的温升不会导致永磁体的不可逆退磁,同时也解决了三维有限元计算时间过长的问题,更适用于结构研究与优化。（3）为了增强气隙磁密的正弦度、提高功率密度,提出了一种基于谐波削极型磁极优化理论的永磁涡流耦合器的设计方法,有效地减少了谐波损耗,大幅度地提升了输出转矩,实现最大输出转矩提高11.22%。建立了能够准确反映磁场和涡流三维分布的解析模型,对涡流损耗、温度分布、转矩特性以及负载变化引起的温升对转矩的影响进行了精确分析。该解析模型通过三维有限元验证其准确性和优越性,为电磁-温度场耦合分析提供了快速精确的计算方法。在此基础上,提出新型导体盘结构,基于电磁-温度场耦合解析模型对其进行优化,优化后的结构具有更好的转矩特性和过载能力。（4）为了抑制转矩脉动,提出了一种基于组合磁极的优化磁极排列方式,有效地提高了永磁材料利用率,增大了额定转矩。并对其进行了电磁-温度场耦合分析,该结构实现转矩脉动抑制51.03%,额定转矩提高3.51%。在此基础上,提出了多种组合磁极排列方式,对结构参数进行灵敏度分析,基于电磁-温度场耦合解析模型对结构参数进行了优化研究。优化后的结构具有更好的转矩特性和更高的材料利用率。在优化研究中充分考虑温度分布的影响,提出了一种多物理场优化设计方法。
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