在線調節式永磁渦流聯軸器的設計與分析

王 超,龐曉毅（江蘇省生產力促進中心,南京 210000）

在線調節式永磁渦流聯軸器的設計與分析

王 超,龐曉毅
（江蘇省生產力促進中心,南京 210000）

摘 要：本文根據電磁渦流原理，通過在永磁渦流聯軸器的傳動部分增加在線調節結構，實現聯軸器輸出轉矩的在線調節。利用Ansoft公司的Maxwell 3D電磁仿真軟件對永磁渦流聯軸器的瞬態磁場進行了仿真研究，詳細說明了永磁渦流聯軸器磁場的建模方法和求解步驟，分析了磁盤和導體盤的結構參數對輸出轉矩的影響，得到了與實際工況相吻合的仿真結果，并對永磁聯軸器的應用提出了一些改進建議。

關鍵詞：永磁渦流聯軸器;在線調速;渦流;磁場仿真

1　引言

隨著永磁材料的發展，永磁渦流驅動技術憑借低保養，低維修以及可以實現軟啟動和過載保護等特點被廣泛應用于各種機械傳動設備。永磁渦流聯軸器區別于機械式聯軸器，它是利用永磁體與導體板之間的相對運動而在導體板表面產生渦流場，并與永磁場相互作用進而達到傳遞輸出轉矩的目地，屬于非接觸式聯軸器。

但永磁渦流聯軸器不具備高速運行狀況下功率和輸出轉矩的在線調節功能，達不到資源的最大化利用。通過研究輸出轉矩與磁場的對應關系，合理設計調節結構，實現在線調整聯軸器的內、外轉子之間的空氣間隙，進而調節感應磁場的大小，以實現輸出轉矩與功率的在線調節。同時將利用Maxwell 3D電磁仿真軟件對永磁渦流聯軸器的三維瞬態磁場進行仿真研究，詳細說明了永磁渦流聯軸器磁場的建模方法和求解步驟，分析了磁盤和導體盤的結構參數對輸出轉矩的影響。

近年來，國外對永磁渦流驅動技術的特性研究已經較為成熟[1][2]，而國內對這一塊的研究比較少[3]，大多是針對徑向型永磁聯軸器即磁力泵方向的開發，得出了徑向型永磁聯軸器的輸出轉矩推導公式并進行了二維磁場仿真。分析表明，本文所提及的在線調節式永磁渦流聯軸器，國內外研究并不充分，特別是現采用的二維有限元模型分析并不能完全模擬其真實狀況，計算精度也達不到工程要求。

2　結構設計與原理

在線調節式永磁渦流聯軸器的結構設計如圖1所示，由在線調節裝置和永磁渦流聯軸器兩部分組成，主要是依靠永磁體盤(內轉子)和導體盤(外轉子)之間的空氣間隙的變化來調節輸出轉矩。該渦流將產生一個與多極磁環相反方向的感應磁場，兩個磁場相互作用使導體盤受到一個磁轉矩的作用而隨之轉動。

啟動時，兩盤的間距最大。電機啟動過程中，與電機連接的永磁體盤很快達到電機的額定轉速，然后根據所需轉速和系統載荷要求，在線調整兩盤間的空氣間隙，使傳遞的扭矩逐漸增大，與負載連接的導體盤轉速逐漸加快，兩盤之間的轉速差迅速減小，直到最后達到所需要的額定轉速，系統開始在額定狀態下正常運轉。這種結構可使電機在較小的負荷下逐漸完成啟動過程，實現了電機的軟啟動，啟動過程平穩，加減速均勻。

3　永磁渦流聯軸器的有限元分析

本文所研究的電磁場隨時間不斷的發生變化，所以在此將使用Maxwell 3D軟件的Transient模塊進行磁場仿真分析。

3.1 三維瞬態電磁場計算原理

在三維瞬態場中，可以采用局部剖分法來計算三維瞬態運動所帶來的效應。對于低頻瞬態磁場，maxwell方程組可以寫成：

在求解三維瞬態磁場時，其棱邊上的矢量位自由度采用了一階元計算，而節點上的標量位自由度采用二階元計算。

同時，在三維瞬態磁場中，瞬態包含兩個含義，一個是瞬態的電磁過程，一個是瞬態的機械過程。在處理機械瞬態過程中，需要引入對位移或角度的離散計算，其離散格式可以按照下式描述。

其中的x表示機械位移量，可以是距離也可以是角度。

3.2 基于Maxwell 3D的有限元分析

3.2.1 創建仿真模型

在Maxwell 3D Transient模塊中建立的仿真模型如圖2所示，主要由永磁體盤、導體盤、Band區域以及求解域組成，其中永磁體盤貼有8對N、S極交替排列的永磁體。

3.2.2 指定材料屬性

模型建立完畢后，接下來需要指定材料屬性。本文中包含空氣、永磁體、銅和鐵等材料，每種材料都要輸入相應的特征。其中求解區域和Band區域可以直接使用軟件默認的Vacuum屬性，在定義永磁體材料屬性時要注意磁化方向的選擇，這里指定N極磁體為Z軸正方向充磁，S極磁體為Z軸負方向充磁。

3.2.3 劃分網格

本文所提及模型尺寸非常規整，可采用手工設置網格，Band區域內的物體網格要劃的密一點。而對于求解區域，我們可以不進行剖分。3.2.4 求解設置與分析

表1　不同狀態下的輸出轉矩

最后對模型進行求解參數設定并求解。可以得到如圖3與表1：

由圖3可以看出在啟動初期輸出轉矩很大，之后趨于一個穩定值，這是因為一方面在轉動初期導體板表面摩擦力比較大另一方面此時渦流場還沒有完全建立。表1中表示的是在不同狀態下的輸出轉矩，這里所給出的輸出轉矩都是在渦流場趨于穩定后的平均值。通過仿真，我們可以得出以下結論：

（1）隨著永磁體盤和導體盤之間的空氣間隙不斷變大，輸出轉矩相應變小，主要是由于距離增大后渦流感應變低，所以在設計時要注意對兩盤間距的控制，讓其在最有效的范圍內變化；

（2）永磁材料的選擇并沒有特別的要求，可根據所需渦流效應的強弱來定，同時考慮到資源最大化利用，現階段一般建議釹鐵硼系列；

（3）永磁體厚度的變化對輸出轉矩影響較大，但如果一味通過增大永磁體的厚度來增加轉矩顯然是不合理的，因為永磁體相對而言成本還是比較昂貴的，所以選擇合適的永磁體厚度也是相當重要的；

（4）輸出轉矩與永磁體的極數也密切相關，隨著磁極數的變大輸出轉矩先增大到一定值后反而降低，這主要是由于隨著磁極數的增加使得每一個永磁體塊產生的渦流效應值降低；

（5）銅盤厚度的變化趨勢與永磁體厚度類似，都是在達到一定值后反而減弱，主要因為隨著銅盤厚度的增加，單位體積內穿過銅盤的磁力線相應會減少，自然會影響到輸出轉矩值；

4　結語

隨著國際社會越來越重視環境保護，大量的工業污染必將得到限制，在如此的大趨勢下，節能、環保成為本世紀的世紀主題勢在必行。而永磁渦流聯軸器作為節能環保型新產品，發展前景是光明的。而我國作為一個稀土大國，有著相當豐富的稀土資源，我們更應當利用好這個先天優勢，進一步深入研究永磁驅動技術，拓展此類聯軸器的應用范圍，使其得到更廣泛的應用。

本文作者創新點：通過在永磁渦流聯軸器的傳動部分增加在線調節結構，實現聯軸器輸出轉矩和功率的在線調節，并通過軟件建立永磁渦流聯軸器的三維瞬態仿真模型，得到了其磁場部分的數值解。

參考文獻：

[1]Lequesne Bruno,Liu Buyun,Nehl Thomas w. Eddy-current machines with permanent magnets and solid rotors[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1997,33(05):451-456.

[2]Peng Ying, Ruan Jiangjun, Zhang Yu. A composite grid method for moving conductor eddy-current problem[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(07):3259-3265.

[3]楊超君,顧紅偉.永磁傳動技術的發展現狀和展望[J].機械傳動,2008,32(02).