磁力耦合式直線驅(qū)動裝置的建模與優(yōu)化

趙海寧 趙川 張鵬飛 金俊杰 孫鳳 于慎波 王振宇

摘 要：針對傳統(tǒng)機械系統(tǒng)難以完成密封環(huán)境中的驅(qū)動任務(wù)，提出了一種非接觸式磁力耦合直線驅(qū)動裝置，分析了不同優(yōu)化方案的磁力特性．采用等效磁路法分別建立了水平驅(qū)動力和法向干擾力的解析模型，通過有限元瞬態(tài)仿真和實驗測量對理論計算模型的準(zhǔn)確性進行驗證，應(yīng)用該解析模型對不同優(yōu)化方案的磁力特性進行對比分析．結(jié)果表明，所建立的解析模型與實驗結(jié)果的誤差較小，采用徑向磁化圓柱形永磁體的雙輪驅(qū)動方案最大驅(qū)動力提高近２倍，并消除了法向干擾力，在一定負(fù)載工況下可實現(xiàn)高效運行．

關(guān) 鍵 詞：磁力耦合；直線驅(qū)動；磁力解析；特性分析；建模；有限元分析；磁力測試；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：ＴＭ３５９４ 文獻標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２３）０２－０１８０－０７

傳統(tǒng)的機械傳動主要分為摩擦傳動與嚙合傳動兩種類型，主動件與從動件接觸是完成機械傳動的前提［１］．磁力驅(qū)動機構(gòu)可消除接觸摩擦、無需潤滑，可避免二次粉塵的產(chǎn)生，實現(xiàn)分離式傳動，近年來在化工機械、食品機械、醫(yī)療機械等領(lǐng)域都有迫切的應(yīng)用需求．因此，磁力驅(qū)動裝置的開發(fā)應(yīng)用可實現(xiàn)高潔凈環(huán)境和真空密封條件下的驅(qū)動，具有十分重要的意義［２－３］．

磁力驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、磁場建模和傳動性能分析是當(dāng)前研究的重點［４－６］．Ａｔａｌｌａｈ等［７－８］提出永磁齒輪的拓?fù)鋬?yōu)化方案，分析了永磁體數(shù)量、調(diào)磁環(huán)數(shù)量對速比和磁通密度的影響．為了增強氣隙磁通密度并提高轉(zhuǎn)矩密度，吳鵬和張進等［９－１０］分別提出一種雙調(diào)制結(jié)構(gòu)的同軸式磁齒輪結(jié)構(gòu)，分析了輔助磁通調(diào)制對轉(zhuǎn)矩能力增強特性的作用．Ｍａｆｉ和Ｊｅｎｎｅｙ等［１１－１２］設(shè)計了基于Ｈａｌｂａｃｈ陣列結(jié)構(gòu)的永磁齒輪，利用單邊磁通增強的特性增大轉(zhuǎn)矩密度，同時降低了轉(zhuǎn)矩脈動和調(diào)制器的損耗，但采用鐵質(zhì)調(diào)磁環(huán)的磁齒輪在高速傳動應(yīng)用中受到限制，且由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子上均安裝有永磁體，氣隙磁場的諧波含量較高．黃金霖等［１３］提出一種由永磁調(diào)磁塊、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體和外轉(zhuǎn)子鐵心等組成的永磁齒輪結(jié)構(gòu)，并采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計．楊超君等［１４］提出一種可調(diào)速異步盤式磁力聯(lián)軸器，通過調(diào)節(jié)主、從動盤間的氣隙長度改變磁力，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并對轉(zhuǎn)差率與傳動效率間的關(guān)系進行了研究，可實現(xiàn)一定負(fù)載下高效運行．盤式聯(lián)軸器在軸向會受到磁場力影響，因此需安裝軸承以提供軸向支撐．田杰等［１５］設(shè)計了一種混合式永磁聯(lián)軸器，建立傳遞轉(zhuǎn)矩模型，分析了磁極數(shù)、氣隙大小及磁體厚度等主要參數(shù)對傳動性能的影響．包廣清等［１６］將磁場調(diào)制式磁齒輪應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基于電動機和磁齒輪有限元模型的聯(lián)合動態(tài)仿真，試制了磁齒輪樣機．