雙氣隙雙實心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器傳動特性分析

鄭華， 田杰

（合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，合肥 230009）

雙氣隙雙實心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器傳動特性分析

鄭華， 田杰

（合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，合肥 230009）

磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，應(yīng)用廣泛，對其傳動特性的分析研究有著重要意義。文中依據(jù)電磁感應(yīng)原理，提出一種雙面氣隙雙層實心的電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，運用Ansoft Maxwell軟件建立有限元分析計算模型，進(jìn)行靜磁場分析，并針對影響傳遞轉(zhuǎn)矩的永磁鐵磁極對數(shù)、永磁鐵厚度、氣隙厚度、內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，得出各結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁力聯(lián)軸器傳遞性能的影響規(guī)律，豐富了磁力傳動的理論與應(yīng)用，為磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器；雙面氣隙；雙層實心；傳遞轉(zhuǎn)矩；有限元

0 引言

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁力聯(lián)軸器的技術(shù)得到了迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。磁力聯(lián)軸器一般以永磁鐵作為機械設(shè)備執(zhí)行器或傳動部件的動力源，利用磁力耦合作用來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩或力的傳遞。磁力聯(lián)軸器的主、從動軸沒有直接接觸，不存在摩擦損耗，振動小，便于控制，傳動效率高，相比于機械式聯(lián)軸器更具優(yōu)勢[1]。

傳統(tǒng)單面氣隙磁力聯(lián)軸器普遍存在軸向力大的缺陷，針對這一問題，提出一種雙面氣隙磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，并且發(fā)揮實心轉(zhuǎn)子本身具有的良好啟動性能、結(jié)構(gòu)簡單、便于加工和工作可靠等優(yōu)點[2]，采用雙面實心結(jié)構(gòu)作為該磁力聯(lián)軸器的從動盤，進(jìn)一步改善其性能。

雙氣隙雙實心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器主結(jié)構(gòu)由主、從動盤總成構(gòu)成，主從動盤之間設(shè)立雙層間隙。磁力聯(lián)軸器永磁鐵分布于主動盤上，永磁鐵NS交叉順序布置且軸向磁化。雙實心轉(zhuǎn)子表面附著銅導(dǎo)體，傳遞效率高，可以實現(xiàn)電動機軟啟動，避免產(chǎn)生起步過載的現(xiàn)象。具體工作原理為：電動機啟動，主動盤旋轉(zhuǎn)切割磁感線，感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場，與原磁場耦合，驅(qū)動從動盤外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)電動機與負(fù)載之間轉(zhuǎn)矩的傳遞。可以通過調(diào)節(jié)主動盤和從動盤之間的氣隙改變磁場，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)矩與輸出功率的大小[3]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁力聯(lián)軸器總體結(jié)構(gòu)

1 有限元計算模型建立及靜磁場分析

Ansoft Maxwell 2D/3D是一款功能強大的有限元分析軟件，主要用于機電設(shè)備和電磁設(shè)備的二維、三維的仿真分析，包括靜電場、靜磁場、渦流場、瞬態(tài)場和溫度場分析模塊。

采用Ansoft Maxwell建立磁力聯(lián)軸器的有限元計算模型，進(jìn)行靜磁場分析[4]，模擬其啟動過程，并對影響磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)做進(jìn)一步分析研究。由于磁力聯(lián)軸器采用軸向磁化，需要采用Ansoft Maxwell 3D建立三維模型來分析。磁力聯(lián)軸器整個模型關(guān)于主動轉(zhuǎn)盤對稱，可以建立1/2模型進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 電磁感應(yīng)式聯(lián)軸器的三維模型

Maxwell系統(tǒng)材料庫中沒有永磁鐵材料，需要單獨定義材料屬性，其中，定義剩余磁感應(yīng)強度Br值為1.25 T，矯頑力Hc值為-947000A/m，設(shè)置Bulkconductivity為2000000，同時設(shè)置X軸正向為磁化方向。Ansoft Maxwell可以進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，針對最大誤差區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，得到較高的網(wǎng)格密度。聯(lián)軸器三維模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

在磁力聯(lián)軸器的分析中，永磁鐵本身就是激勵源，因此不必施加額外的激勵。對于三維靜磁場分析，只需要選擇求解域邊界，設(shè)置為無窮遠(yuǎn)處，表示此處的磁感應(yīng)強度為零。求解得到磁場分布如圖4所示。

圖4 磁感應(yīng)強度云圖

2 聯(lián)軸器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳遞轉(zhuǎn)矩的影響

傳遞轉(zhuǎn)矩是磁力聯(lián)軸器的重要評價指標(biāo)，分析研究影響傳遞轉(zhuǎn)矩的因素極具意義。影響磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括永磁鐵磁極對數(shù)、永磁鐵厚度、氣隙厚度、內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度[5]。下面從這4個方面分析它們對磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

1）永磁鐵磁極對數(shù)對傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

圖5 不同磁極對數(shù)下的傳遞轉(zhuǎn)矩變化曲線

磁極對數(shù)一直以來都是磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要參數(shù)。磁極對數(shù)直接影響著磁場分布狀況，決定了氣隙磁場強度大小，因此對電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩有著重要的影響。將磁極對數(shù)作為單因素變量，變化值設(shè)為4、8、12、16、20，得到不同磁極對數(shù)的磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知，傳遞轉(zhuǎn)矩隨時間先增大后減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于磁力聯(lián)軸器剛啟動時，工作磁場主要由主動盤上的永磁體提供，隨后從動盤上的銅導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與永磁體的磁場相互疊加產(chǎn)生更大的感應(yīng)電流，如此反復(fù)，即感應(yīng)電流先增加后減小最后趨于平穩(wěn)。同時，隨著磁極對數(shù)的增加，關(guān)系曲線變化越平滑，說明增加磁極對數(shù)可以降低聯(lián)軸器的振動。其中，由于傳遞轉(zhuǎn)矩有順時針或逆時針，因此傳遞轉(zhuǎn)矩數(shù)值存在正負(fù)之分，但此處僅需關(guān)注傳遞轉(zhuǎn)矩絕對值的大小。轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定時，可以得到輸出轉(zhuǎn)矩隨磁極對數(shù)變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩與磁極對數(shù)的關(guān)系

由圖6分析可知，在一定的范圍之內(nèi)，傳遞轉(zhuǎn)矩隨著磁極對數(shù)的增加而逐漸上升，隨后呈現(xiàn)下降趨勢。

2）永磁鐵厚度對傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

永磁體厚度對聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩有著重要影響。在其他結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，永磁體厚度越大，傳遞的轉(zhuǎn)矩也越大，但是增大永磁體厚度，制造成本會急劇增加。因此，應(yīng)當(dāng)在滿足傳動要求的前提下合理地選擇永磁體厚度。將永磁體厚度作為單因素變量，變化值設(shè)為4、6、8、10、12，得到不同永磁體厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線，如圖7所示。

圖7 不同永磁體厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

由圖7可知，起初隨永磁體厚度增大，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大；但當(dāng)永磁體厚度增大到一定程度，轉(zhuǎn)矩的增大程度反而不大，這是由于隨著厚度的進(jìn)一步增大，磁阻以及漏磁相應(yīng)增大，所增加的磁場的密度幾乎全部消耗掉，雖然輸出轉(zhuǎn)矩依然在增加，但是增加幅度明顯降低且大大降低磁力聯(lián)軸器永磁體的利用率。聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩隨永磁鐵厚度變化的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 輸出轉(zhuǎn)矩與永磁體厚度的關(guān)系

綜合考慮永磁體的生產(chǎn)制造成本及利用率，永磁體厚度h為12 mm時為佳。

3）氣隙厚度對傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

理論上，氣隙厚度越小，氣隙磁場強度越大，傳遞轉(zhuǎn)矩也越大。但是氣隙的大小直接關(guān)系到裝配的難易程度，氣隙越大，裝配精度越低，裝配也就越容易，氣隙越小，裝配精度越高，裝配也就越難，因此合適的氣隙厚度對聯(lián)軸器的設(shè)計至關(guān)重要。將氣隙厚度作為單因素變量，變化值設(shè)為1、3、5、7、9，得到不同氣隙厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線，如圖9所示。

傳遞轉(zhuǎn)矩隨氣隙厚度變化的關(guān)系曲線如圖10所示。從圖中可以看出，隨著氣隙厚度增大，傳遞轉(zhuǎn)矩逐漸減小，呈下降趨勢。綜合考慮聯(lián)軸器的制造成本和裝配精度，氣隙厚度取值為1 mm時最佳。

4）內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度對傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

圖9 氣隙變化下的傳遞轉(zhuǎn)矩

圖10 傳遞轉(zhuǎn)矩與氣隙的關(guān)系

磁力聯(lián)軸器內(nèi)轉(zhuǎn)子的銅盤主要作用于切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)磁場，因此內(nèi)轉(zhuǎn)子銅盤厚度即內(nèi)轉(zhuǎn)子上外層厚度直接關(guān)系到傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，對傳遞性能有著顯著影響。將內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度作為單因素變量，變化值設(shè)為2、4、6、8、10，得到內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線，如圖11所示。

圖11 不同內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩

傳遞轉(zhuǎn)矩隨內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度變化的關(guān)系如圖12所示，從圖中可以看出，隨著內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度增加，傳遞轉(zhuǎn)矩先增大后減小，在中間處取得最大值。內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度不能太大亦不能太小：若厚度太大，外層磁阻增大，阻礙磁力線透入內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)層，從而導(dǎo)致傳遞轉(zhuǎn)矩降低；若厚度太小，電阻越大，銅損耗越大，從而導(dǎo)致傳遞轉(zhuǎn)矩降低，效率降低。從曲線圖可以看出，內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度4 mm左右時，磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩最大，此時為最佳。

圖12 傳遞轉(zhuǎn)矩與內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度的關(guān)系

3 結(jié)論

針對傳統(tǒng)單氣隙磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，提出一種新的雙氣隙雙實心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件分析其靜磁場，并研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳遞轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，豐富了磁力傳動的理論與應(yīng)用，為磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 梅順齊,張智明.軸向磁力耦合驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計方法研究進(jìn)展[J].中國機械工程,2011,22(19):2375-2381.

[2] 趙韓,王勇,田杰.磁力機械研究綜述[J].機械工程學(xué)報,2003,39(12):31-36.

[3] 王晶晶,鄭鵬飛.磁力聯(lián)軸器研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2013(1):197-198.

[4] 黃海.采用ANSYS軟件進(jìn)行永磁電動機的磁場分析[J].船電技術(shù),2001,21(2):9-13.

[5] 楊超君,鄭武,李直騰,等.軸向磁化多環(huán)磁力聯(lián)軸器的三維磁場計算及分析[J].微電動機,2011,44(9):9-12.

Transmission Characteristics Analysis of Double-gap Double-solid Electromagnetic Induction Type Magnetic Coupling

ZHENG Hua,TIAN Jie
(School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China)

The magnetic coupling has the advantages of simple structure,high transmission efficiency and wide application.Based on the principle of electromagnetic induction,an electromagnetic induction magnetic coupling structure with double-gap and double-layer solid is presented.And this paper uses Ansoft Maxwell software to establish the finite element analysis model,and its static magnetic field analysis is given.The structural parameters of the permanent magnet pole,the thickness of the permanent magnet,the thickness of the inner rotor and the outer rotor thickness are analyzed according to the influence of transmission torque,and the influence of each structural parameter on the performance of magnetic coupling is obtained.It enriches the theory and application of magnetic transmission,provides a theoretical basis for optimizing the structure of magnetic coupling.

electromagnetic induction type magnetic coupling;double-gap;double-solid;transmission torque;finite element

TH 133.4

A

1002－2333（2018）01－0066－04

（編輯黃 荻）

鄭華（1989—），女，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設(shè)計；

田杰（1968—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為磁力機械、數(shù)字化設(shè)計。

2017-03-04