磁力聯軸器的轉矩計算及其影響因素分析

摘 要：磁力聯軸器使用永磁體的磁力把原動機與工作機相聯接，能以無接觸的方式完成轉矩的傳遞，是機械工業中應用最廣泛的關鍵設備之一。計算磁力聯軸器的轉矩是機械設計中電機選型和阻抗匹配要考慮的重要問題。雖然人們已對磁力聯軸器做了大量的研究，但系統研究磁力聯軸器轉矩計算并分析轉矩影響因素的資料并不多。因此，研究磁力聯軸器的轉矩計算有必要進一步探討。

關鍵詞：磁力聯軸器；靜態轉矩；磁場

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.214

1 前言

隨著機械工業的不斷發展，國內外對機械傳動裝置的研究不斷深入，磁力聯軸器也逐漸從傳統的機械聯軸器逐漸過渡到現在的磁力聯軸器，很好的解決了過大的振動和電機啟動問題。密封特性是機械液壓傳動中的重要指標，磁力聯軸器將傳統聯軸器采用的動密封轉為靜密封，困擾設計人員的密封問題得以解決。為了進一步研究磁力聯軸器的傳動特性，完善磁力聯軸器的選型計算，本文將主要探討磁力聯軸器的轉矩計算問題并分析磁力聯軸器轉矩大小的影響因素。

2 磁力聯軸器的結構組成和工作原理

磁力聯軸器主要由兩個普通聯軸器復合而成，一個作為主動裝置，一個作為從動裝置。其中主動部件主要由主動盤、調速裝置、主動軸、永磁體、主動基體、推力球軸承、操作手柄等組成，從動部件主要由從動盤、從動基體、從動軸等組成。永磁體分布在主動部件的轉子上，從動轉子槽上分布有薄環形的銅導體。主動盤和從動盤之間不直接接觸，轉矩的傳遞通過永磁體形成的氣隙磁場完成，這就大幅度地減輕了聯軸器組成部件由于振動造成的磨損。

主動裝置中的操作手柄帶動螺紋傳動副、軸承沿著一定的方向轉動，右從動盤基體壓縮彈簧的同時推動連桿轉動，并帶動左從動盤壓縮彈簧，從而使主動盤和從動盤拉開距離；若操作手柄向相反的方向轉動，彈簧的拉伸狀態被恢復，從而使兩個從動盤拉開距離；這樣反復控制操作手柄的轉動，調整主、從動盤之間的距離，就能實現磁力聯軸器的調速，這就是磁力聯軸器調速的工作原理。當電機啟動的時候，磁力聯軸器的操作手柄動作，使主、從動盤之間的距離調整到最大，這樣就實現了電機和負載的分離，使電機在空載或低負載的情況下啟動；當電機穩定運行后，轉動操縱手柄將主、從動盤間距調到設定距離，電機帶動負載正常運轉，這就完成了電機的軟啟動。

3 磁力聯軸器的轉矩計算

磁力聯軸器最重要的作用就是實現了原動機和從動機之間的轉矩傳遞，轉矩大小的計算是磁力聯軸器設計的重要參數。轉矩的傳遞是通過氣隙磁場完成的，要計算轉矩就必須計算磁場。磁力聯軸器的磁場分布十分復雜，常用的磁路法、解析法等磁場計算方法并不能很好完成磁場計算，磁力聯軸器磁場的計算需使用有限元的方法。建立磁力聯軸器的FEA模型，再研究氣隙、磁極數、槽深、永磁體、銅導線、原動機轉速等對轉矩的影響。

為了簡化建立磁力聯軸器模型的過程，作出如下假設。第一，不考慮永磁體的磁滯效應，假設永磁體是各向同性的。第二，或略磁力聯軸器中非磁性材料存在，只考慮轉盤、永磁體、銅導線等磁性材料。基于以上假設，選取適當的氣隙長度、轉子尺寸、永磁體尺寸等參數建立磁力聯軸器的分析模型。磁力聯軸器模型的氣隙是平面型的，方向沿磁力聯軸器的軸線方向，磁力聯軸器內部磁場分布不均勻，需使用FEA軟件分析磁場分布。

假設永磁體的磁極數為18，從動轉子上的槽數為16，在ANSYS中建立磁力聯軸器的有限元模型，并在指定磁力聯軸器各組成零部件的材料屬性后劃分網格。由于聯軸器的轉動會產生感應磁場，故采用瞬態分析的方法計算磁場參數。設置原動機輸入的轉速和轉差率，運行求解后得到磁感應強度的云圖，然后進行后處理得到磁感應強度的分布。根據磁感應強度的分布，就能方便的計算磁力聯軸器所傳遞的轉矩。

4 磁力聯軸器轉矩的影響因素分析

首先分析從動機負載對磁力聯軸器轉矩的影響。在上文中的有限元分析，得到了轉矩與時間關系的曲線，在原動機剛啟動的一段時間內，磁力聯軸器所傳遞的轉矩逐漸增大，然后轉矩逐漸減小并趨于穩定，這與氣隙磁場的變化有關。當原動機剛剛啟動時，磁場主要來自永磁體，隨著輸入轉速的不斷增加，轉矩也逐漸增加；當轉速進一步增大時，磁力聯軸器內部產生了感應磁場，與原磁場相抵消，故轉矩下降。隨著磁場逐漸趨于穩定，磁力聯軸器的轉矩也趨于穩定。

其次分析輸入轉速對磁力聯軸器轉矩的影響。逐漸改變有限元模型中磁力聯軸器的輸入轉速，FEA后處理得到磁力聯軸器轉矩隨時間的變化曲線。從該圖中可以看出，轉矩在前0.06s中迅速增加，隨后迅速趨于穩定。對比不同輸入轉速下的轉矩-時間曲線，發現隨著輸入轉速的增加磁力聯軸器傳遞的轉矩大小略有增加，但是變化幅度很小。這是由于負載是一定的，轉速增大則使功率增大，相應的磁力聯軸器所傳遞的轉矩大小也隨之增加。

最后分析氣隙尺寸對磁力聯軸器傳遞轉矩的影響。在氣隙尺寸分別為4mm、6mm、8mm和10mm的情況下分別求解磁力聯軸器的有限元模型。后處理結果表明，磁力聯軸器所傳遞轉矩的大小隨著氣隙尺寸的增大而減小。隨著氣隙尺寸的變化，磁力聯軸器轉矩的大小波動很大。這是因為隨著氣隙尺寸的增加，主動盤和從動盤之間的漏磁增加，并且氣隙尺寸的增加造成了磁路磁阻的增大，這都造成了電磁轉矩和齒槽轉矩的減小，因此磁力聯軸器轉矩也減小。

5 結論與展望

磁力聯軸器是在機械傳動裝置中普遍應用的重要設備，用于完成原動機和從動機之間的轉矩傳遞，計算磁力聯軸器轉矩對機械傳動裝置的設計和磁力聯軸器的選型有重要影響。本文在介紹磁力聯軸器結構組成和工作原理的基礎上，介紹了分析磁力聯軸器磁場分布的有限元方法，并分析了影響磁力聯軸器傳遞轉矩大小的因素，對磁力聯軸器的設計和選型能起到一定的指導作用。

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作者簡介：周德宇（1979-），男，回族，江蘇揚州人，本科，工程師，研究方向：機械設計制造。