雙交替極磁力聯(lián)軸器傳動性能研究

田杰，李雨蒙，任泰安

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

磁力聯(lián)軸器作為一種典型磁力機械，是一種通過永磁體磁場將輸入軸與輸出軸連接起來的新型聯(lián)軸器。與傳統(tǒng)的機械式聯(lián)軸器相比，具有能夠進行無接觸傳動，以及實現(xiàn)軟啟動、隔離振動、過載保護等功能[1]。

為了滿足磁力聯(lián)軸器在實際生產(chǎn)工作中的使用需求，各國學者對磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)均進行了廣泛的研究[2]。在磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)方面，江蘇大學楊超君等[3]引入Halbach聚磁結(jié)構(gòu)，提出了Halbach型永磁異步聯(lián)軸器，有效提高了磁力聯(lián)軸器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩。哈爾濱理工大學的呂森等[4]將調(diào)磁環(huán)引入氣隙，提出了調(diào)制式的磁極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了磁場調(diào)制功能。文獻[5]針對多種大轉(zhuǎn)矩磁力聯(lián)軸器模型進行了分析，并在此基礎上給出了優(yōu)化設計方案。

由于漏磁現(xiàn)象，磁力聯(lián)軸器的永磁材料利用率不高，在實際使用中，磁力聯(lián)軸器具有低速應用的特征，通常需要采用極對數(shù)較大的設計方案，導致了磁鋼用量增加，磁鋼間漏磁增多等問題[6-7]。

在電動機領域，各國學者對減少永磁體用量問題已有大量深入的研究。文獻[8]針對電動機轉(zhuǎn)子提出了交替極結(jié)構(gòu)的概念，即轉(zhuǎn)子部分永磁體沿磁化方向呈現(xiàn)同極性的排列方式，鐵芯極則沿徑向方向被磁化成與永磁極方向相反的磁極，永磁極與鐵芯極構(gòu)成交替分布。該設計在保證磁場性能的情況下，大幅降低了永磁材料用量。文獻[9]對電動機轉(zhuǎn)子的磁極結(jié)構(gòu)做了研究，用鐵芯極替換部分永磁極后，有效改善了轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)極間漏磁的問題。交替極結(jié)構(gòu)在磁力聯(lián)軸器中還沒有相關的應用。

現(xiàn)有的磁力聯(lián)軸器相關研究，重點是提高磁力聯(lián)軸器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩，較少有研究將提高永磁材料利用率當作目標[10-11]。磁力聯(lián)軸器的工業(yè)應用主要得益于稀土永磁材料的發(fā)展，很多新研究均基于稀土永磁材料[12]。由于稀土永磁材料作為一種重要戰(zhàn)略資源，價格昂貴、產(chǎn)量有限，磁力機械制造和后期維護成本較高，不利于磁力機械的大規(guī)模應用[13]。因此有必要將提高材料利用率作為磁力聯(lián)軸器的優(yōu)化設計方向。

本文提出一種永磁材料利用率較高的雙交替極徑向同步磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，并通過有限元方法驗證其磁場性能與傳動性能。

1 交替極結(jié)構(gòu)的磁力聯(lián)軸器

傳統(tǒng)磁力聯(lián)軸器的磁極通常為N、S極交替放置在鐵芯上，從能量角度來說，這種結(jié)構(gòu)對能量的利用率不如交替極結(jié)構(gòu)[14]。

本文提出了一種雙交替極磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，永磁體部分均采用同向徑向充磁，并在同極性永磁體間引入磁化方向相反的鐵芯極。交替極結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別在于用鐵芯極替代了部分永磁極。在聯(lián)軸器工作中，鐵芯極成為被磁化的磁極，磁化方向與相鄰永磁極相反。圖1為永磁材料用量不變時的徑向同步雙交替極四極聯(lián)軸器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁力聯(lián)軸器對比示意圖。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用充磁方向相反的兩種磁極，交替極結(jié)構(gòu)選用充磁方向相同的磁極，磁極與磁極間為鐵芯凸極。普通磁力聯(lián)軸器在優(yōu)化永磁材料用量時，常常通過調(diào)整磁環(huán)厚度實現(xiàn)；交替極聯(lián)軸器則可以考慮磁極厚度、極弧角、極弧比等多個參數(shù)，具有更大的優(yōu)化空間。將交替極結(jié)構(gòu)應用于磁力聯(lián)軸器，有助于減少磁力聯(lián)軸器的材料用量，在提高永磁材料利用率方面相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)勢。

2 交替極磁力聯(lián)軸器傳動性能有限元分析

本文對徑向同步雙交替極四極聯(lián)軸器的磁場分布與傳動力矩進行有限元分析。并在基本尺寸與永磁材料用量不變的條件下，對如圖1所示的兩種聯(lián)軸器進行對比。圖2～圖5分別給出了徑向同步雙交替極聯(lián)軸器與普通徑向同步聯(lián)軸器的徑向磁感應強度圖、切向磁感應強度圖、磁感線分布圖、磁密云圖及轉(zhuǎn)矩對比圖，分析對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 同步徑向雙交替極聯(lián)軸器與傳統(tǒng)徑向磁力聯(lián)軸器對比圖

徑向磁密的計算公式為[15]

式中：Br為徑向磁密；Bx、By分別為沿x、y方向的磁密分量；φ為磁密矢量B與x軸的夾角。

以最大轉(zhuǎn)矩時兩種聯(lián)軸器的磁場分布為分析對象，通過式（1）對磁力聯(lián)軸器氣隙磁密進行計算分解，其氣隙部分徑向磁密曲線如圖2所示。

圖2為一個周期的徑向磁密曲線變化情況。從變化趨勢上看，兩者均沿圓周方向呈周期式分布，由于交替極結(jié)構(gòu)的特殊性，其徑向磁密曲線與普通的磁力聯(lián)軸器不同。從數(shù)值上看，在波峰處，普通磁力聯(lián)軸器的徑向磁密約為0.9 T，交替極聯(lián)軸器的徑向磁密約為0.6 T，是普通磁力聯(lián)軸器的67%，但交替極波峰持續(xù)較長，約為普通聯(lián)軸器的2倍；在波谷處，普通極徑向磁密約為-0.9 T，交替極徑向磁密約為-1.15 T，是普通磁力聯(lián)軸器的1.28倍。可知，在保持永磁材料用量不變的情況下，交替極的徑向磁密強度略好于普通磁力聯(lián)軸器。

圖2 兩種聯(lián)軸器徑向磁密對比圖

圖3所示分別為兩種聯(lián)軸器在最大轉(zhuǎn)矩時的磁力線分布情況。在所選用的尺寸與型式下，交替極聯(lián)軸器在取得最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差角為24.6°，普通磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)差角為22.5°。從磁力線分布情況可以看出，對于交替極聯(lián)軸器，其鐵芯極可以經(jīng)由永磁極磁化，可以看作磁性較弱的磁極。由于交替極聯(lián)軸器在磁極兩側(cè)引入氣隙，磁感線自閉合現(xiàn)象有所改善。

圖3 兩種聯(lián)軸器磁力線分布對比圖

圖4 兩種聯(lián)軸器磁密分布圖

磁力聯(lián)軸器分為內(nèi)外2個轉(zhuǎn)子，采用固定外轉(zhuǎn)子，給定內(nèi)轉(zhuǎn)子以確定轉(zhuǎn)速的方式進行仿真，圖5為此種運動模式下空載時一個周期內(nèi)兩種聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩-相位圖，表示聯(lián)軸器空載時不同相位角位置的傳遞轉(zhuǎn)矩。

如圖5所示，普通磁力聯(lián)軸器的最大空載轉(zhuǎn)矩為4.6 N·m，交替極的最大空載轉(zhuǎn)矩約為5.35 N·m，約為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 的 1.16倍。顯然，在永磁材料用量相同時，交替極聯(lián)軸器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩好于普通磁力聯(lián)軸器。

圖5 兩種聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩對比圖

3 結(jié)論

本文提出了一種雙交替極徑向同步磁力聯(lián)軸器。通過有限元仿真說明，在永磁材料用量不變時，交替極結(jié)構(gòu)的磁場性能、永磁材料利用率與最大傳遞轉(zhuǎn)矩均好于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁力聯(lián)軸器。交替極結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器作為一種新結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器，仍具有較大的優(yōu)化空間。

仿真結(jié)果表明，交替極結(jié)構(gòu)的磁力聯(lián)軸器應用在保證最大傳遞轉(zhuǎn)矩的前提下，可以有效解決普通磁力聯(lián)軸器永磁材料利用率不高的問題，為磁力聯(lián)軸器的規(guī)?；瘧锰峁┛赡堋?/p>