異步永磁耦合器軸偏心傳動無附加載荷特性

黃家田，崔立春，張 楠

● （1．海軍駐青島地區裝備修理監修室，山東青島 266001；2．中國人民解放軍第四八零八工廠，山東青島 266001；3．中船重工第704研究所，上海 200031）

異步永磁耦合器軸偏心傳動無附加載荷特性

黃家田1，崔立春2，張 楠3

● （1．海軍駐青島地區裝備修理監修室，山東青島 266001；2．中國人民解放軍第四八零八工廠，山東青島 266001；3．中船重工第704研究所，上海 200031）

文章介紹了異步永磁耦合器的工作原理。通過對其模擬計算分析，證明了耦合器輸出轉矩是一力耦系作用的結果，闡釋了該耦合器在軸偏心狀態下工作時，無附加載荷的機理。通過對稱的結構設計，該耦合器在存在角偏差傳動時也不會產生附加載荷。

異步永磁耦合器；軸偏心；傳動特性

0 概述

異步永磁耦合器技術開辟了磁能應用的新領域，它是機械傳動技術的新產品、新課題。它的突出特點是：無機械連接、減震降噪、可緩沖啟動設備、降低了安裝對中精度、安裝簡便、維護成本低。耦合器可設計成普通型、短時和完全過載保護型、調速型。其中耦合器在對中誤差≤3mm時仍可正常工作且無附加載荷的特點，尤其適合于艦船的減震降噪和在狹小空間的安裝使用。通過對該技術的研究；本文定性分析了異步永磁耦合器在軸偏心狀態傳動時，無附加載荷產生的機理。

1 異步永磁耦合器工作原理與磁力的分析

1.1 工作原理

耦合器工作原理示意圖見圖1，主動端的載磁盤上均布有永磁體，被動端為銅板。當電機帶動主動端旋轉時，主、被動間的相對轉差使銅板上感應出渦電流、又生成感應磁場（其極對數與永磁極對數相同），在兩個磁場的相互作用下，被動端即與電機同向轉動，但其轉速nc恒小于電機轉速n，故稱為“異步”。

圖1中，“碳鋼襯板”構成了耦合器的閉合磁路，磁力線透過空氣隙使銅板處于永磁場中。耦合器在靜態圖示位置或同步旋轉時，只有永磁場對碳鋼襯板的軸向吸力而沒有切向力（此軸向吸力通過結構的對稱設計可予以抵消），因此不能傳遞轉矩功率。

圖1 耦合器工作原理示意圖

1.2 切向力系的磁轉矩分析

按照圖1所示結構建模，在Maxwell有限元電磁分析軟件中進行模擬計算，設定轉差 50r/min，在某一時刻的渦流感應磁場分布如圖2所示。

圖 2中示出了渦流磁場與永磁場相應極性的位置關系。模擬計算表明，在相對轉差一定時，渦流磁場與永磁場的空間相對位置（圖2所示）將保持恒定，并以50r/min的轉速與永磁場同步旋轉、轉矩恒定。

為便于分析，將圖2簡化為圖3。圖中示出了作用于銅板的永磁極性、切向力和感應渦電流的對應方向。

圖2 Maxwell計算的模擬渦流磁場

圖3 永磁場與渦流磁場簡化關系圖

1）從電流在磁場中受力的角度分析，根據左手定則，對銅板而言（電流在銅板上）每股電流在磁場中將受到一個與旋轉方向同向的切向磁力或洛輪茲力f。

則磁轉矩為：

式中，R為耦合器的平均有效作用半徑。

設磁鋼板數為P；則合磁轉矩：

式中，ΣT即為耦合器的輸出磁轉矩，也是電機的負載轉矩。

2）從永磁與渦流磁場相互作用的角度分析，永磁體主動向前轉動，與其前面的渦流極同極性，即對銅板產生一個“推力”作用，與其后面的渦流極異極性，即產生一個“拉力”作用，在這“一推一拉”的連續作用下，即實現轉矩功率的傳遞。

1.3 徑向力與力耦系分析

圖 3 中示出了切向力f1～f4和f′1～f′4。當耦合器安裝的氣隙間距均等時，永磁場可視為均勻磁場，銅板對應各處的磁感應強度B相等；銅板的電導率α可認為處處相等。因此，各切向力f在數值上是相等的；又因為永磁體是按磁性、成對的均布于載磁盤上，所以對應的f1與f′1、f2與f′2……各形成了作用于銅板平面上的等值、反向、不共線的一對力，即為力偶。每一力耦矩M=f·2R。注意：力偶的性質是合力為零。

又當各力偶作用在同一平面時，合力偶矩ΣM等于各力偶矩的代數和。

所以耦合器的合磁轉矩：

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（注：p/2表示極對數）

圖4中，耦合器輸出端在沿x、y向各偏移1.5mm后，在某一時刻的渦流感應磁場分布圖及簡化圖。圖中顯示，渦流磁場極的空間分布位置始終與永磁極的位置相對應。

圖4 Maxwell計算的軸偏心1.5mm模擬渦流磁場

從圖4中可知，作用于銅板平面上的合力耦矩ΣM的矩心位置為O1，相對銅板的旋轉軸心O2偏移了1.5mm。

根據力偶在其作用平面內可任意移動，而不改變它對剛體的作用效果――力偶性質推論可知，合力偶矩ΣM對O2的作用效果應與對O1的作用效果完全相同，即驅動銅板繞O2軸旋轉的合力偶矩仍等于ΣM；力偶合力為零的性質也仍然成立。

結論：即使耦合器主、被動端存在軸偏心，也不會在徑向上產生附加載荷。也證明了該耦合器具有減震降噪的特性。

1.4 軸向力與角偏移分析

在圖1所示結構中，前文提到耦合器永磁場對“碳鋼襯板”的凈軸向吸力問題；另當耦合器存在角偏移時，因氣隙的間距不再均等，所以該結構的各切向力f的合力將不等于零。

圖5 耦合器實際結構形式示意圖

圖6 耦合器角偏移示意圖

1.5 幾點說明

1）計算表明，當存在軸偏心時，耦合器的總體轉矩相對同心狀態將略有降低。這是因為覆蓋磁鋼極的銅板面積是有限的。

2）由于安裝中兩邊氣隙不可能絕對等距，所以殘余軸向力仍將存在。

2 結束語

簡要介紹了異步永磁耦合器的特點和工作原理。通過Maxwell有限元電磁分析軟件的模擬計算，展示了渦流感應磁場的分布規律及與永磁場空間位置的相互關系。分析表明耦合器的輸出磁轉矩是一力耦系作用的結果；根據力偶的性質證明，耦合器在軸偏心狀態傳遞轉矩時不會產生附加載荷。通過對結構的對稱設計，該耦合器存在角偏差傳動也不會產生附加載荷。

[1]王秀和, 楊玉波, 等.異步啟動永磁同步電動機研究[M].北京: 機械工業出版社, 2010.

[2]魏靜微.永磁電機的磁場計算[M].北京: 機械工業出版社, 2010.

[3]符曦.高磁場永磁式電動機及其驅動系統[M].北京:機械工業出版社, 1997.

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Asynchronous Permanent Magnet Coupler Shaft Eccentric Transmission without Additional Load Characteristics

HUANG Jia-tian1, CUI Li-chun2, ZHANG Nan3
(1.Navy Qingdao Equipment Repair Supervisor Room, Qingdao 266001, China; 2.Chinese People's Liberation Army No.4808 factory, Qingdao 266001, China; 3.No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

This paper introduces the working principle of asynchronous permanent magnet coupler.Through the simulation analysis, it is proved that the coupler output torque is the result of the force & coupling effect.It also explains the mechanism that the coupler works in the shaft eccentric state without attached load.The symmetrical structure design makes the coupler generate no additional load in the angular deviation state of transmission.

asynchronous permanent magnet coupler; shaft eccentric; transmission characteristics

TH133.4

A

黃家田（1969-），男，高級工程師。研究方向：船舶輔機機動力設備研究。