齿轮是一种应用范围很广的传动装置。磁齿轮的主动转子与从动转子利用磁场耦合来变换速度和传递力矩,磁齿轮具有机械齿轮无法比拟的优点,例如便于维护,无需润滑,可靠性高,寿命长,噪音低和固有的过载保护。轴向磁齿轮的轴向力比较大,会使它的装配比径向磁齿轮更加困难。但是,在需要密封隔离的场合,轴向磁齿轮则更具有优势。本文针对轴向磁齿轮的优化设计开展研究工作,包括以下几个方面:首先,以传统充磁轴向磁齿轮为例,分析了轴向磁齿轮的工作原理。接着用Maxwell软件建立传统充磁轴向磁齿轮的3D有限元模型并且得到它的磁密分布图。基于轴向磁齿轮的气隙磁密分布,提出两种简化的转矩和轴向力计算公式。其次,依据永磁体充磁方向和排列方式的不同,轴向磁齿轮可分为传统充磁轴向磁齿轮、聚磁式轴向磁齿轮和Halbach式轴向磁齿轮。采用3D有限元法对三种轴向磁齿轮的气隙磁密分布、转矩特征和轴向力分别进行比较。基于轴向磁齿轮的气隙磁密的谐波分析,利用上述两种简化的公式计算出各次谐波磁密产生的转矩和轴向力,得出各次谐波磁密对转矩传递和轴向力的作用。比较表明:聚磁式轴向磁齿轮的最大静态转矩和永磁体利用率最大,比传统充磁轴向磁齿轮提高了17.5%和32.6%,比Halbach式轴向磁齿轮提高了2%和15.1%。Halbach式轴向磁齿轮的转矩波动比另外两种轴向磁齿轮都小。传统充磁轴向磁齿轮低速转子的轴向力最小,比聚磁式轴向磁齿轮小38.3%,比Halbach式轴向磁齿轮小32.7%。再次,为了提高Halbach式轴向磁齿轮的转矩传递能力,利用3D有限元法对高速转子永磁体的轴向厚度、矩形调磁铁块的长度和Halbach式轴向磁齿轮的内径等八个结构参数进行参数分析。通过参数分析,发现诸如高速转子永磁体轴向厚度和Halbach式轴向磁齿轮的内径等六个参数对Halbach式轴向磁齿轮的输出转矩和输出转矩密度有明显影响。然后基于气隙磁密分布分析上述六个关键参数如何影响Halbach式轴向磁齿轮的低速转子的输出转矩。利用Maxwell软件对Halbach式轴向磁齿轮进行优化,优化目标为输出转矩密度最大化。通过优化,Halbach式轴向磁齿轮的输出转矩从54.7Nm提高至82.61Nm,增加51.02%。在此基础上,按照优化后的结构参数绘制了Halbach式轴向磁齿轮的工程图。