一種適宜于高速運行的無接觸式電磁離合器

李 勇 邢敬娓 韓素芳 陸永平

（哈爾濱工業大學電氣工程 哈爾濱 150001）

1 引言

離合器是機械傳動系統中一種重要的傳動裝置，主要用于原動機和工作機之間、機械內部的主動軸和從動軸之間實現運動的傳遞與脫離。離合器的種類很多，有磁粉式離合器，摩擦片式離合器、電磁離合器等。很多人進行了離合器方面的研究，包括基本結構、設計計算、磁場模型、動態分析等[1-6]。在所研制的一個高速旋轉設備中，需要一個特殊的離合器，必須具備以下功能:

（1）具有足夠的耦合力矩，額定轉速下的耦合力矩在15N·m左右。

（2）要適宜于高速運行，并在高速運行時實現兩段機械軸的分離，轉速范圍在0～15000r/min。由于從動軸對機械沖擊非常敏感，需要采用無接觸方式工作。

（3）主動軸和從動軸之間必須同步運行，不能有相對位移。

（4）分離迅速，不能影響從動軸的下一步動作，分離時間不能超過0.2s。

（5）運行可靠，在高速運行時候出現故障能夠自動脫開，具有自動保護功能。

（6）控制方式簡單，且便于實現自動控制。

基于上述情況，現有的離合器滿足不了研制設備的這些特殊要求。為此，本文提出了一種新型無接觸式電磁離合器的設計思想[7]，采用直流通電控制方式，利用齒槽作用機理，完成高速運行過程中的離合作用。本文旨在介紹和研究這種新型電磁離合器的原理結構、磁場計算，樣機研制和實驗測試等問題。理論分析和實驗結果都證明了該新型電磁離合器原理正確，方案可行。

2 新型電磁離合器結構與特點

新型無接觸式電磁離合器由定子，主從動轉子和線圈組成，其結構簡圖如圖 1所示。離合器的主動轉子安裝在原動機的輸出端，離合器的從動轉子與工作機的輸入端相連。該離合器工作于如下的兩種狀態:

圖1 電磁離合器的結構示意圖1—離合器定子 2—勵磁線圈3—離合器主動轉子 4—離合器從動轉子Fig.1 Sketch of the designed electromagnetic clutch

（1）接通狀態:勵磁線圈通電，在兩個轉子間產生磁場和轉矩，此時兩個轉子完全是齒對齒。當原動機轉動時，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，實現離合器的接通。

（2）斷開狀態:當工作機需要與原動機斷開時，只要切斷勵磁線圈的電源即可，此時兩個轉子之間已無磁場耦合和電磁轉矩，從動轉子呈自由減速狀態，實現了離合器的斷開。

該離合器的主要特點:

（1）基于磁阻效應原理，與步進電機和開關磁阻電機相似但卻有本質區別，文獻上還未見過報道。這兩種電機的定、轉子齒數絕不能相等，否則無法連續旋轉，而本離合器主動和從動軸轉子一定是齒數相等、嚴格對齊的。

（2）無接觸電磁場耦合方式，具有自動保護功能。離合器依靠兩個轉子之間的最大靜轉矩保持主從部分的耦合，當出現故障或特殊情況，使得一方速度突變，負載轉矩大于保持轉矩時，則出現失步，主從部分自動脫離。

（3）采用直流供電方式，時間常數小，能實現快速分離。

（4）適宜于高速運轉。耦合部分無電磁線圈、磁鋼、摩擦片等部件，結構完整，剛度好，適宜于研制設備所需的高速運行。

3 離合器模型的解析分析

電磁離合器的電磁轉矩可依據最基本的機電能量轉換原理，通過磁場儲能或磁共能對位置角的偏導求解來求得。所設計的離合器利用的是磁阻效應，分析時可以借鑒開關磁阻電機和步進電機的相關理論[8-9]。

無接觸式離合器的等值磁路如圖2所示，其中Fm、Rm和Rσ1分別對應勵磁繞組的等效磁動勢、內部磁阻和漏磁阻。R1～RZ分別為每極下的氣隙磁阻，Rh為附加氣隙的磁阻，Rσ2為轉子間氣隙的漏磁阻。

圖2 離合器的等值磁路Fig.2 Equivalent magnetic circuit of the clutch

所設計離合器主動和從動轉子具有相同的齒槽結構，所以每個齒在確定位置處的磁阻是相同的。每個齒距之間的磁路亦是相同的，因此可簡化計算一個齒的轉矩T1，總轉矩即為ZT1，Z為齒數。

當不計鐵心飽和及忽略高次諧波時，每極磁阻可表示為

式中 Λa—氣隙磁導的恒定分量；

Λb—氣隙磁導的基波分量幅值；

θe—主從動轉子齒中心線之間的電角度。

設Rg為一個齒距下的氣隙磁阻，則外部磁路磁阻為

磁路的總磁阻為

顯然，外部磁路總磁阻RT隨Rg的變化而變化，因此當勵磁磁動勢 Fm保持恒定時，氣隙中總磁通Φm亦隨Rg變化，即隨轉子位置角θe的變化而變化。

則對應一個齒距的電磁轉矩為

式中 θ—主從動轉子齒中心線之間的機械角度；

另外，離合器最大轉矩與齒數是隱函數關系，不同齒數時轉矩的計算結果如圖3所示。

圖3 轉矩與齒數的關系曲線Fig.3 Calculated curve between torque and number of teeth

根據上述分析可以得出如下結果:

（1）當磁路不飽和時，最大轉矩與電流的平方近似成正比，因此，改變勵磁安匝數就可以調節離合器的最大轉矩，進而調整帶載能力。

（2）轉矩隨轉差角基本是正弦變化，有些類似于步進電機的靜轉矩特性。但由于其中有余弦的一次項和二次項，所以曲線與正弦曲線相比有畸變，但只要曲線的變化規律是單調的，就可以滿足設計要求。

（3）負載轉矩不同，則轉差角不同。當負載轉矩小于最大靜轉矩時，從動轉子可以跟隨主動轉子同步旋轉，完成所要求的離合功能。

（4）轉矩與齒數成正向變化關系，即齒數越多，轉矩越大。當齒數增加到一定時，轉矩幾乎不再增加。

這說明所設計的新型離合器的工作原理是可行的。

4 電磁離合器的Ansoft仿真計算

利用有限元分析軟件建立了離合器的 3D計算模型，離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，穿過定子外邊界和從動轉子內邊界的磁通量很小，所以可以認為定子外邊界與從動轉子內邊界是等A線，即B=0，滿足第一類邊界條件Az=0。由于離合器內的磁場分布每經過一個齒距就發生重復，滿足整周期邊界條件，因而求解域可縮小為一個齒距內的區域，如圖4所示。

對建立的離合器有限元模型，設置適當的繞組匝數，通以直流電，經電磁場有限元計算，得出通入某一電流時的磁鏈圖如圖5所示。

圖4 求解區域Fig.4 Computational area of magnetic field

圖5 磁鏈分布圖Fig.5 Flux distribution of the calculated field

經過分析可以看出，離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，對于主從動轉子而言，耦合的是單極性的磁場。

計算求得的磁通密度分布云圖如圖6所示，可以看出離合器的內轉子和齒部比較容易飽和，在結構優化設計中要適當考慮其尺寸。計算得到離合器的矩角特性曲線如圖7所示，與式（7）的分析結果是符合的。

圖6 磁通密度分布云圖Fig.6 Flux density cloud of the clutch

圖7 離合器的矩角特性Fig.7 Torque-angle characteristics of the clutch

對應不同電流的轉矩-電流特性計算結果表明，當電流逐漸增大并超過 8A時，磁路開始飽和，轉矩特性也呈現飽和特征。

5 樣機研制和實驗

根據設計參數研制的無接觸式電磁離合器樣機如圖8所示（設計了特殊的安裝軸系）。通過測試得出樣機最大轉矩與勵磁電流的關系曲線如圖9所示。

圖8 實驗樣機Fig.8 Designed prototype

圖9 樣機轉矩-電流關系曲線測試結果Fig.9 Experimental data at different phase currents

對比圖9和仿真計算結果可以看出，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，計算得到的結果偏大，這可能是由計算的精度和測量誤差造成的。

實驗設備上，裝配離合器的主從轉子速度曲線如圖10所示，實驗時最高轉速在12000r/min左右。從曲線可以看出，主從轉子耦合狀態良好，沒有出現相對打滑現象。

圖10 裝配離合器的主從轉子實測速度曲線Fig.10 Measured speed curves of the two rotors attached to the clutch

6 結論

本文設計了一種新型的基于齒槽作用機理的適宜于高速運行的無接觸式電磁離合器，進行了基于磁路法的解析分析和基于Ansoft的仿真計算，最后研制了樣機并完成了測試。理論分析、仿真計算和實驗測試結果都證明，所提出的新型離合器的設計思路是正確的，方案是可行的，可以滿足所研制設備的工程要求。

關于該離合器的優化設計、動態特性控制等問題，限于篇幅，將另文介紹。

[1]任兆香, 李彭年.采用有限元法分析滑差離合器電機的磁場[J].電工技術學報, 2000, 15(2): 41-46.Ren Zhaoxiang, Li Pengnian.Using the finite-element method to analyse the magnetic field of slip clutch electric machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2000, 15(2): 41-46.

[2]徐金壽.徑向電磁離合器[J].太原重型機械學院學報, 2002, 23(4): 309-311.Xu Jinshou.Radial electromagnetic clutch[J].Journal of Taiyuan Heavy Machinery Institute, 2002, 23 (4):309-311.

[3]Marc Dassen, Maarten Steinbuch, Alex Serrarens.Simulation and control of an automotive dry clutch[C].Proceeding of the American Control Conference,2004: 4078-4083.

[4]楊紅, 趙韓.快速電磁離合器力矩特性的有限元分析[J].輕工機械, 2004(1): 74-76.Yang Hong, Zhao Han.The FEM analysis on torque characteristics of the fast electromagnetic clutch[J].Light Industry Machinery, 2004 (1): 74-76.

[5]Pauvert V, Bernard N, Zaim M E, et al.Modelisation and optimization of clutch magnet actuator topologies[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 853-860.

[6]李勇, 崔友, 陸永平.一種高速電磁制動器制動過程的動態特性分析[J].電工技術學報, 2007, 22(8):131-135.Li Yong, Cui You, Lu Yongping.Dynamic characteristics of braking process for a high speed electromagnetic brake [J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(8): 131-135.

[7]Li Yong, Xing Jingwei, Han Sufang, et al.Principle and simulation analysis of a novel structure non-contact electromagnetic clutch[C].Proceedings of the ICEMS, Tokyo, Japan, 2009: 1-4.

[8]鄒繼斌, 李巍, 李勇.爪極式單相永磁步進電機特性的數值計算與分析[J].電工技術學報, 2007, 22(10): 1-5.Zou Jibin, Li Wei, Li Yong.Calculation and analysis of single phase stepper motor with claw poles [J].Transactions of China Electrotechnical Society , 2007,22(10): 1-5.

[9]劉闖, 朱旭勇, 卿湘文.開關磁阻電機轉子動力學建模與分析[J].中國電機工程學報, 2008, 28 (3):83-89.Liu Chuang, Zhu Xuyong, Qing Xiangwen.Modeling and analysis of switched reluctance machine considering rotor dynamics[J].Proceedings of the CSEE, 2008,28(3): 83-89.