高速無接觸式電磁耦合器的磁場計算及實驗研究

李 勇，邢敬娓，韓素芳，陸永平

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

(1)具有足夠的耦合力矩，保持兩段機械軸在0～16 000 r/min的范圍內同步運行，不失步。額定轉速下的耦合力矩不小于10 N·m。

(2)短時工作，溫升與發熱問題不考慮。

(3)在高速運行時通過電磁線圈控制可以實現兩段機械軸的分離。

(4)控制方式簡單，且便于實現自動控制。

(5)運行可靠。

基于上述分析，現有的耦合器滿足不了研制設備的要求。為此，本文提出了一種新型無接觸式電磁耦合器的設計思想，采用直流通電控制方式，利用類似于步進電動機的齒槽作用機理，完成高速運行過程中的離合作用。本文中主要研究了這種新型電磁耦合器的磁場特性，研制了樣機并完成了實驗測試。實驗結果證明該新型電磁耦合器原理正確，方案可行。

1 結構與原理分析

高速無接觸式電磁耦合器是一種利用齒槽作用機理工作的磁力機械。其磁路結構示意圖如圖1所示，它由定子、主從動轉子和繞組組成。

圖1 高速電磁耦合器磁路結構示意圖

高速無接觸式電磁耦合器的定子鐵心圓周向開槽，內部放置控制線圈。線圈中施加直流電壓時，產生恒定的軸向磁場。該電磁耦合器是雙轉子結構，主從動轉子在相對側上開有相同的軸向槽，與定子相對側不開槽，形成兩個附加氣隙。當主動轉子相對從動轉子轉動時，主動轉子之間的氣隙磁導發生變化，每轉過一個轉子齒距，氣隙磁導變化一個周期，轉子齒數就相當于高速無接觸式電磁耦合器的極對數。其作用原理與步進電動機極其類似，但一個明顯的區別是，所設計電磁耦合器的主從動轉子上齒槽結構完全相同，當主動轉子上的一個齒與從動轉子上對應的齒錯開θ時，其余齒也都錯開θ，即各個齒的相位完全相同，所受到的作用力是線性疊加的，而步進電動機不同相的定子齒的相位是要均勻錯開一個角度的。

2012年12月，習近平總書記在廣東考察時指出：“要尊重人民首創精神，尊重實踐、尊重創造、鼓勵大膽探索、勇于開拓，聚合各項相關改革協調推進的正能量。”這里，他所談的正能量，與毛澤東同志所說的“調動一切積極因素，團結一切可以團結的力量”的基本精神是一致的。

在高速無接觸電磁耦合器工作時，其主動轉子安裝在原動機的輸出端，耦合器的從動轉子與工作機的輸入端相連。同其他耦合器一樣，高速無接觸式耦合器工作在如下兩種狀態:

(1)接通狀態:當勵磁線圈通直流電時，會產生一恒定磁場。恒定磁場通過定子、主從動轉子和附加氣隙形成閉合磁路。此時，對于主從動轉子而言，受到的是一單極性的磁場。當原動機轉動時，主動轉子跟隨原動機轉動，在不失步情況下，由于磁阻效應從動轉子便跟隨主動轉子同步旋轉，實現了耦合器的接通。

(2)斷開狀態:當需要軸系斷開時，只要切斷勵磁線圈的電源即可，此時雖然原動機仍然轉動，但主從動轉子之間已無磁場存在，轉矩消失，從動轉子不能跟隨主動轉子同步旋轉，實現了耦合器的斷開。

2 有限元建模與仿真計算

2.1 Ansoft建模

有限元法被證實是計算電機、磁力機械的磁場和各種特性有效可行的方法，是根據變分原理和離散化而求取近似解的方法。應用有限元計算耦合器的靜態轉矩特性和磁場可給實際設計提供理論數據依據。所設計的高速無接觸式耦合器的結構特殊，不具有完全對稱性，磁場分布呈現三維特征，所以二維有限元法不適用，本文采用三維有限元法對耦合器的磁場分布及靜態轉矩特性情況分析計算。

根據圖1中的結構示意圖，利用有限元分析軟件建立的耦合器3D模型示意圖如圖2所示。定子及主從動轉子材料選用Steel_1010，繞組材料為銅，模型主要尺寸如下:定子外徑為98 mm，軸向耦合長度為30 mm;氣隙長度為0.5 mm;繞組匝數為450匝。

圖2 高速電磁耦合器的3D有限元模型

需要注意的是，3個附加氣隙合起來就是離合器的總氣隙長度，所以選擇需要特別注意，此處合計選取0.5 mm。

耦合器磁場分析采用的電磁場理論基于Maxwell方程組，考慮到鋼的磁導率遠遠大于外界空氣的磁導率，可以認為穿過定子外邊界和從動轉子內邊界的磁通量很小，所以定子外邊界與從動轉子內邊界可以認為是等A線，即B=0，滿足第一類邊界條件Az=0。

高速無接觸式耦合器徑向磁場對稱分布，磁場每經過一個齒距就發生重復，滿足整周期邊界條件。為減小計算量，節約計算時間，設置主從邊界，建立耦合器一個齒矩的有限元模型計算如圖3所示。局部剖分圖如圖4所示。

圖3 高速電磁耦合器的一個齒距模型

圖4 有限元局部剖分圖

2.2 模型計算

對建立的耦合器有限元模型，通以1 200 AT的勵磁電流，經電磁場有限元計算，得出某一位置的磁鏈分布圖和磁密分布云圖如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，耦合器的磁鏈從定子經過氣隙進入主動轉子，然后穿過齒和氣隙，進入從動轉子，再通過氣隙回到定子齒，形成閉合回路，主從動轉子受到的是單極性的磁場。由圖6可以看出，耦合器的內轉子和齒部比較容易飽和，在結構優化設計中應該適當優化其尺寸，改善性能。

圖5 磁鏈分布圖

圖6 磁密分布云圖

通過對應不同位置電磁轉矩的有限元計算，得到耦合器的矩角特性曲線如圖7所示。可以看出，從動轉子受到的電磁轉矩基本上呈正弦規律變化，類似于步進電動機的靜轉矩特性，電磁轉矩的幅值約為Tmax=10.1 N·m。由于齒槽參數設計的原因，特性中具有明顯的二次諧波成分，但這并不影響電磁耦合器的正常工作。和步進電動機類似，正常工作時從動轉子相對于主動轉子一定要存在一定的失調角，且失調角與傳遞的轉矩有關。在一定范圍內變化時，傳遞的轉矩隨著失調角的增加而增加。當失調角增大到一定值時，傳遞的轉矩達到最大值。若負載轉矩超過該最大值，則會產生打滑失步現象。一旦失步一個齒，則從動轉子會出現不可逆性失步直至停止。

圖7 電磁耦合器的矩角特性

2.3 勵磁特性

對應不同的勵磁電流，矩角特性的變化趨勢如圖8所示，最大電磁轉矩隨勵磁電流的變化趨勢如圖9所示?？梢钥闯?，當勵磁電流較小磁路未飽和時，電磁轉矩最大值隨電流近似平方關系變化。當電流增大到一定數值后，磁路逐漸飽和，電磁轉矩最大值增加幅度減小，呈現飽和特征。從特性上看，勵磁電流在4 A左右可以滿足要求。

圖8 不同勵磁電流時的矩角特性

圖9 最大電磁轉矩隨勵磁電流的變化趨勢

2.4 參數優化

為了得到特性最優的耦合器，對耦合器的結構參數進行了優化設計。在不改變耦合器的主要參數尺寸(如定子內外徑、主從動轉子內徑)的情況下，本文利用有限元法計算了齒數和齒寬等參數對耦合器轉矩特性的影響。

齒寬齒距比一定時改變耦合器的齒數，得到最大轉矩的變化曲線如圖10所示?？梢钥吹?，齒數增大則最大轉矩也增大，但當齒數增加到一定數值時，最大轉矩也呈現一定的飽和趨勢，這可能是因齒部飽和的影響所致。另外齒數太多會增加加工難度，降低齒部剛度。所以綜合考慮，選擇齒數為26～28比較適宜。

齒數一定時，改變耦合器的齒寬齒距比得到最大轉矩曲線如圖11所示。可以看到，在一定齒寬范圍內，最大轉矩值隨著齒寬的減小而增大，但當齒寬減小到一定寬度時，由于齒部的高飽和影響最大轉矩值會減小。另外，齒寬太窄會降低齒的機械強度。所以綜合考慮，齒寬取0.3～0.4比較適宜。

圖10 最大轉矩與齒數的關系曲線

圖11 最大轉矩與齒寬的關系曲線

3 實驗研究

高速無接觸式電磁耦合器作為傳動器件，其最基本的特性就是最大轉矩特性，這關系到耦合器的工作可靠性問題。根據設計參數研制的無接觸式電磁耦合器樣機如圖12所示，為了性能測試，設計了特殊的安裝軸系。

試驗樣機最大轉矩與勵磁電流特性的測試結果與仿真曲線的對比如圖13所示?？梢钥闯?，仿真計算結果與測試結果的變化規律相同，兩者最大誤差18%，最小誤差8.8%。總體看來，計算得到的結果數值偏大，這可能是有限元法計算的精度以及材料特性定義的不準確造成的。

圖12 實驗樣機

圖13 樣機最大轉矩特性的仿真與測試對比

4 結 語

本文應用三維電磁場有限元法，對所設計的一種新型高速無接觸式電磁耦合器進行了分析計算。建立了耦合器的有限元模型，通過計算得到了耦合器的磁鏈分布圖和矩角特性曲線，并對齒數和齒寬參數進行了優化。最后研制了樣機并完成了測試，仿真計算和實驗測試結果都證明了所提出的設計思路是正確的，方案是可行的，可以解決所提出的工程問題。

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