同轴磁齿轮的机电耦合仿真

磁性齿轮通过磁力传递应力，不会像机械齿轮那样因零件之间的接触而产生噪音，也不会因磨损而造成损失。主要用于电机中以实现高扭矩密度。

本文介绍了 CST EM STUDIO (CST EMS) 的仿真示例，并解释了此类磁转矩的分析过程和有用功能。齿轮实际上是两个同步机器。通过执行瞬态分析，您可以省去确定运动转子的负载角的麻烦。

移动网格功能对于这种模拟很有用。规则网格需要在每个时间步重新生成，但此功能不需要。此外，CST EMS瞬态分析可以求解每个时间步的运动方程并计算启动特性。

使用 CST EMS 创建的简单磁齿轮模型如图 1 所示。该模型由一个内转子和一个外转子组成，多个永磁体放置在转子表面。这些极数决定了传动比。此型号为 1.5。磁极的N极和S极交替并径向向外磁化。转子和定子是非线性材料。

CST EMS 可以对 3D 模型执行 2D 模拟。只需指定二维横截面即可执行计算。在这个例子中，这种方法产生的结果也比 3D 模拟要少得多。

图 1：CST EMS 磁齿轮模型

可以通过多次重复静磁场模拟来完成分析，但需要时间来确定两个转子之间的负载角。即使假设层压减少了涡流的产生，低频瞬态求解器也有助于分析。

使用低频瞬态求解器的运动分析定义了平移或旋转运动的运动间隙。间隙定义可以通过三种方式完成：恒定速度、角位置与时间曲线以及动态运动方程。此分析示例使用所有方法来定义旋转运动间隙。

图 2 显示了三个差距定义。加速度曲线与外转子相关联。两个转子之间的耦合桥处于零速（恒速 = 0RPM）代表静止。自由旋转的内转子通过运动方程定义间隙。该方程在每个时间步求解。这种旋转运动的参数也如图2所示。

图 2：三个旋转间隙定义：（从顶部）角位置与时间、恒定速度、动态方程

低频瞬态求解器运动分析准确性的关键是移动网格功能。顾名思义，此功能消除了在每个时间步重新网格化旋转间隙的需要。这可以减少对结果产生不利影响的数值噪声，例如齿槽转矩。移动网格技术如图 3 所示。

图 3：用于磁齿轮仿真的移动网格（多种应用）

由于上面的旋转间隙定义，模型表现如下：外转子加速度产生的扭矩通过定子桥传递到内转子。由于惯性、阻力等原因，内转子启动并试图与外转子同步。

由于负载转矩被定义为速度的线性函数，因此在高速时超过了允许的转矩范围。结果是由于驱动扭矩在零附近的振荡变化而导致转子同步丢失和转子完全停止。

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