“聚磁式”磁力耦合器的磁場分析

楊　高，李爭光

（武漢船用電力推進裝置研究所）

“聚磁式”磁力耦合器的磁場分析

楊高，李爭光

（武漢船用電力推進裝置研究所）

為提高設備功率與轉矩密度，本文提出了一種“聚磁式”磁力耦合器，并對其進行了有限元仿真分析。分析結果表明與一般磁力耦合器相比，“聚磁式”磁力耦合器，轉矩提高20%，是一種有效的緊湊性設計方案。分析結果為磁力耦合器的結構設計做支撐。

磁力耦合器聚磁轉矩密度

0前言

近年來，我國倚重資源消費、效益低、消耗高、污染大的傳統增長方式，已經成為各部門和地方政府面臨的現實問題，節能降耗任務十分緊迫。磁力耦合器是一種新型的節能調速產品，非常適用于風機、泵類負載的節能調速應用，廣泛用于電力、石化、冶金、建材、煤炭、水力及有色等行業，具有環境適應性強、減振降噪、無污染、高效節能等優點［1-6］。最早開始提出并對其市場應用的是美國MagnaDrive公司，隨后傳入中國，也有一些學者對其相關特性進行了研究［7-10］，多家公司相續研發出了相關產品。

隨著技術研究的深入，大功率的磁力耦合器發展遭遇技術瓶頸，其中冷卻與散熱、支撐重量、尺寸空間、軸向電磁力等技術難題都需要一一解決。無疑，提升設備的轉矩密度以減小尺寸空間和重量是應首要考慮的問題。

為解決上述問題，本文提出了一種“聚磁式”磁力耦合器電磁結構，通過提高氣隙磁通量，從而大幅提高轉矩，并能有利于減小設備體積與重量。經過有限元仿真分析，結果表明，該方案轉矩提升明顯，轉矩脈動小，是一種有效可行的緊湊性設計方案。

1磁力耦合器原理

磁力耦合器的一般電磁結構，如圖1所示。磁力耦合器由主動盤、傳動磁盤、銅（或鋁）盤和永磁體組成。其中，主動盤連接電機端提供動力，傳動磁盤連接負載端傳遞動力，銅（或鋁）盤與永磁體相互旋轉感應渦流，銅（或鋁）盤與永磁體間存在一間隙，稱為氣隙，兩者旋轉時互不接觸，因此，提供了非接觸式的電磁傳動。磁力耦合器調速控制系統是將磁力耦合器連接在驅動電機和負載（風機、水泵）之間，調整磁力耦合器的氣隙來改變輸出的扭矩和轉速，達到調速目的，如圖2所示。它由磁力耦合器、執行器、調速控制器組成。

通過采集系統壓力或是流量信號，與用戶給定的壓力或是流量進行比較，經過PI調節器，輸出控制電動執行機構（氣隙調節裝置）來改變磁力耦合器的氣隙，從而改變輸出的轉速及轉矩，調節系統的壓力或是流量，從而達到恒壓力或是恒流量輸出目的，滿足節能調速的技術要求。

2聚磁式磁力耦合器模型

2.1聚磁結構

本文提出的聚磁式磁力耦合器是在一般磁力耦合器的電磁結構的基礎上，在導體盤上布置有若干起聚磁作用的“聚磁圓柱”或“聚磁釘”來實現的。具體結構見圖3所示。

“聚磁釘”采用導磁性材料制作而成，替代了原來導體盤的材料，分布于導體盤上。這帶來了兩個方面的好處，一方面由于“聚磁釘”磁導率遠遠高于空氣或銅的磁導率，提供了更好的磁通路，可“聚集”磁場，提高通過導體盤的磁通量；另一方面，由于僅是在銅盤上分布有若干“聚磁釘”，占用材料體積較少，仍然可以保證導體盤的電導率較高，并盡可能少的影響導體盤的導電通路。

2.2仿真模型

由于結構復雜，磁力耦合器的磁場計算與分析一般采用有限元計算方法，必須建立三維仿真模型進行計算。考慮到沿軸向，其電磁結構組成呈左右對稱分布（見圖1），可取其一半即單盤作分析，又考慮到永磁體的布置沿周向呈周期性分布，在設計和布置“聚磁釘”時也人為設置以一對極為單元呈周期性分布，因此，為簡化分析，只需建立一對極的三維模型，如圖4所示。

仿真模型主要參數見表1所示。

2.3剖分

從計算精度的要求來看，有限元剖分應盡可能密，但從計算時間上考慮，剖分應盡可能稀疏。考慮這兩方面的影響，在實際工程中，對材料突變部位（尖角處）和磁場能量突中的部位應剖分較密，其余部分較稀疏。

本文剖分見圖5所示，對氣隙、導體盤、聚磁釘剖分單元進行加密，其余部分較為稀疏。所有單元的總體能量誤差控制在1%之內。

2.4邊界的設置

由于仿真模型簡化為一對極模型，在一對極模型的邊界處應設置全周期邊界條件，即令邊界處對應磁場強度大小和方向相同。

2.5求解

本文采用瞬態場進行仿真計算，在實際工作時，設備的導體盤與傳動磁盤都會旋轉，如果按實際設置會加大求解的難度。考慮到運動是相對的，我們可以自由選擇不同的參考系。本文選擇以導體盤作為參考系，即令導體盤相對靜止，傳動磁盤相對于導體盤旋轉，以簡化分析。

求解的時間步長與傳動磁盤的相對旋轉速度和永磁體的極對數相關，當轉速較快且永磁體極數越多時，導體盤中感應的電流頻率就越高，時間步長就越小。本文主要對額定工況下進行分析，由于相對轉速（轉差轉速）較小，設置時間步設為0.001 s。

3仿真結果分析與對比

3.1磁密分布

磁力耦合器導體盤與導磁盤的磁密分布如圖6所示。

顯然，在導體盤中的聚磁釘聚集了較高的磁密，局部磁密集中達到3T，大部份磁密至1.6T左右，而聚磁釘周邊磁密大部份在0.7T左右。結果表明，聚磁釘實現了“聚磁”的效果。

3.2電流分布

磁力耦合器導體盤中的電流分布如圖7所示。

圖7表明，電流在導體盤的非聚磁釘區域數值較大，聚磁釘區域的電流數值較小，導體盤上的電流繞行于聚磁釘流動，因此，聚磁釘雖然聚磁，但不聚磁電流，基本不影響原有電路結構，同時也不會增加渦流損耗，或導致損耗在局部集中。

3.3轉矩脈動

聚磁結構的磁力耦合器轉矩，如圖8所示。圖8表明，聚磁結構的磁力耦合器的轉矩存在一定的脈動現象，主要原因是由于在旋轉過程中由于聚磁釘的引入，導致磁阻分布不均，使得轉矩脈動。因此，有必要對聚磁釘的大小及布置進行適當的優化，以減小轉矩脈動的影響。

3.4聚磁結構的優化

本文對聚磁釘的大小及布置進行子多方案的對比優化，如表2所示。

注：每對極排布方式指外環+中環+內環各自的“聚磁釘”的數量。

表2中方案5為一般結構的永磁耦合調速器，計算的平均轉矩值為0.93kN，與其它采用聚磁結構的永磁耦合調速器對比，其平均轉矩低于20%以下，證明聚磁結構的轉矩提升效果明顯。

表2中方案1至4的結果也表明聚磁釘太疏或直徑較小則聚磁效果較弱，平均轉矩較小，而聚磁釘直徑大轉矩提升較大，但轉矩脈動也較大。在工程設計中工藝實施的方便與可行性也是需要考慮的重要因素。綜合對比，方案2的轉矩波動小，平均轉矩較高。

4結論

本文提出了一種“聚磁式”磁力耦合器，建立了有限元的電磁仿真模型，經仿真分析，結果表明：1）聚磁結構提高了輸出轉矩20%左右，有效的減小了設備的體積和重量。2）聚磁釘直徑、數量與輸出的轉矩成正比例關系，轉矩脈動與聚磁釘的直徑有關。3）通過適當的方案優選，可明顯降低脈動轉矩，達到工程實用的效果。因此“聚磁式”磁力耦合器是一種有效可行的緊湊性設計方案。

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Magnetic Field Analysis of Magnetic Coupling with Magnetism-collected Structure

Yang Gao，Li Zhengguang
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

In order to improve the power and torque density，this paper presents a new type of magnetic coupling with magnetism-collected structure.The finite element method is carried out，and the results are analyzed.The results show that the magnetic coupler with magnetism-collected structure increases the torque，which is a kind of effective and compact design scheme，and the analysis results can be also used to guide the further structural design of magnetic coupling.

magnetic coupling；magnetism-collected；torque density.

TP46

A

1003-4862（2016）07-0038-04

2015-12-15

湖北省科技支撐計劃（2014BAA021）

楊高（1982-），男，碩士，高級工程師。研究方向：電機設計。