二級磁源端面式磁力耦合器磁轉矩特性的仿真研究

楊小龍 陶尚尚

摘 要：磁力耦合器是一種利用磁場間相互作用傳遞轉矩的傳動裝置.由于磁力耦合器的主動轉子和從動轉子是非接觸式連接，故具有過載保護、傳動平穩等優點，并在工業生產中得到越來越多的應用. 因此 ， 對磁力耦合器傳遞轉矩的影響因素進行理論研究具有十分重要的現實意義. 本文使用有限元分析仿真軟件 ANSYS 建立二級磁源端面式磁力耦合器的三維模型， 對二級磁源端面式磁力耦合器氣隙內磁場的分布進行研究，得到了二級磁源端面式磁力耦合器的磁轉矩與內外圈永磁體徑向距離、永磁體軸向厚度以及徑向長度的變化規律. 結果表明：二級磁源端面式磁力耦合器的磁轉矩隨著內外圈磁體徑向距離的減小而增大；磁轉矩隨著永磁體軸向厚度以及徑向長度的增大先增大后趨于穩定.

關鍵詞：磁力耦合器；有限元法；磁場；磁轉矩

中圖分類號：TH136 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.013

0 引言

傳統的機械式傳動結構主要包括各種齒輪結構、皮帶輪結構、鏈結構和渦輪蝸桿結構等.這些傳動結構都要求主動部件與從動部件相互接觸，因此在傳動過程中存在磨損、振動和噪聲，同時還需要潤滑.這使得一些特殊用途的傳動機構在結構形式上顯得較為復雜，對系統動態性能的影響不能忽略不計[1-5].

磁力耦合器又稱為永磁傳動技術，它是以磁學作為基本理論，通過永磁體之間所產生的磁力作用從而實現磁轉矩無接觸傳遞的一種新技術[3-7].將永磁磁力耦合器應用于傳動系統中，實現了主動件與從動件的完全分離，大大簡化了許多傳統復雜傳動機構的結構.

雖然目前磁力耦合器的種類很多，但由于傳遞轉矩較低，從而限制了磁力耦合器在高轉矩傳遞領域的應用.為了提高磁力耦合器的磁轉矩，本文設計了一種二級磁源端面式磁力耦合器，研究了其關鍵參數對磁轉矩的影響，從而為永磁傳動技術應用于高轉矩領域提供了重要的參考依據[6-10].

1 二級磁源端面式磁力耦合器的模型與磁轉矩的計算

1.1 二級磁源端面式磁力耦合器的有限元模型

本文設計的二級磁源端面式磁力耦合器整體結構圖以及磁體分布圖如圖1、圖2所示.

二級磁源端面式磁力耦合器的主要結構參數如表1所示.

本文使用Ansys有限元軟件對其進行三維建模，并對模型進行了以下假設和處理：只考慮主、從動法蘭盤、永磁體等與磁性相關的材料，對于非導磁的隔套，將其當作空氣處理；鐵磁材料各向同性，忽略磁滯效應.從動法蘭盤和永磁體的三維有限元模型如圖3所示.

1.2 端面式磁力耦合器磁轉矩的計算

端面式磁力耦合器磁轉矩的計算是通過采高斯定理求解法[5]實現的.其磁轉矩T的計算如下：

式中：K——磁路系數，一般K=4.0～6.4；M——磁化強度；Bm和Hm分別為工作點處的磁感應強度和磁場強度；H——外磁路在從動轉子磁體處產生的磁場強度； m和S分別為磁極的極數和極面積；tm——磁體的軸向厚度；R——磁體中心至旋轉中心的半徑；θ——轉角差.

由式（1）可知，當轉角差時，磁轉矩將達到最大值.

2 實驗結果

保持二級磁源端面式磁力耦合器外圈永磁體的尺寸和位置不變，沿徑向改變內圈永磁體的位置，研究內外圈永磁體之間的徑向距離對磁轉矩的影響，其結果如圖4所示.

永磁體的軸向厚度越大，氣隙磁路中的磁感應強度越大，磁轉矩越大.軸向厚度對磁感應強度有著重大影響，因此研究這一參數的變化對磁轉矩的影響有著重要的意義.經ANSYS仿真計算得出氣隙厚度對二級磁源端面式磁力耦合器磁轉矩的影響如圖5所示.

增大磁體的徑向長度也會增加永磁體的磁勢.在保持外磁體外徑、內外磁體徑向長度和其他尺寸不變的情況下，分別模擬徑向長度為9 mm、11 mm、13 mm、15 mm、17 mm、19 mm時的磁力密封模型.經仿真計算徑向厚度對二級磁源端面式磁力耦合器的磁轉矩影響如圖6所示.

綜合上述結果，現在綜合對磁體厚度和磁體徑向長度對其進行研究，分別研究磁體厚度為4 mm、5 mm、6 mm，徑向長度為13 mm、15 mm時所對應的轉矩的情況.此外，鑒于在磁體厚度為6 mm時，徑向長度為15 mm的外磁體轉矩取得較大，徑向長度為13 mm的內磁體轉矩取得最大值，額外還模擬了磁體厚度為6 mm、外磁體徑向長度為15 mm、內磁體徑向長度為13 mm時的轉矩情況.經ANSYS仿真計算得到的軸向厚度和徑向長度對二級磁源端面式磁力耦合器磁轉矩的影響如圖7所示.

3 實驗結果討論

3.1 內外圈永磁體的徑向距離對磁轉矩的影響

從圖4可以看出：二級磁源端面式磁力耦合器的總磁轉矩等于內外圈永磁體磁轉矩之和；二級磁源端面式磁力耦合器的內圈磁轉矩隨著內外圈永磁體的徑向距離增大而近似等幅度減小；二級磁源端面式磁力耦合器的外圈磁轉矩隨著內外圈永磁體的徑向距離先增大后近似保持不變；二級磁源端面式磁力耦合器的總磁轉矩隨著內外圈永磁體的徑向距離增大而減小.

這是因為當改變內外圈永磁體徑向距離且外圈磁體尺寸和位置不變時，內圈永磁體中心至旋轉中心的距離會變小；根據磁力耦合器磁轉矩的理論計算公式可以看出，這兩個因素都會導致內圈永磁體磁轉矩的降低.而外圈永磁體磁勢、以及永磁體中心至旋轉中心的半徑都基本保持不變，故外磁體產生的磁轉矩基本保持不變.因此，二級磁源端面式磁力耦合器的總磁轉矩隨著內永磁體徑向距離的增大而減小.

3.2 永磁體的軸向厚度對磁轉矩的影響

從圖5可以看出：二級磁源端面式磁力耦合器內外圈的磁轉矩隨著永磁體軸向厚度的增大而增大；磁轉矩在永磁體厚度為3 mm～6 mm之間增加的幅度大；當永磁體厚度達到6 mm以后，雖然磁轉矩還在增大，但增長的幅度變得平緩.

其原因主要有以下幾點：1）永磁體產生磁勢，永磁體越厚則提供的磁勢就越大，故磁路中的氣隙磁感應強度就越強. 2）由于永磁體中存在磁阻和漏磁，所以永磁體軸向厚度增加，磁阻也隨之增加，漏磁也增加得明顯；當永磁體軸向厚度達到一定時，永磁體中增加的磁勢與增加的磁阻和漏磁這三者之間形成一個動態平衡，磁轉矩增長得平緩. 3）考慮到生產成本，一般高矯頑力的永磁體價格較為昂貴，因此不宜選擇軸向厚度太大的永磁體. 綜合考慮經濟效益和使用性后，選用軸向厚度為6 mm較適宜.

3.3 永磁體的徑向長度對磁轉矩的影響

從圖6可以看出：磁轉矩在永磁體徑向長度為9 mm～13 mm時，隨著徑向長度的增大而增大；磁轉矩在永磁體徑向長度為13 mm～17 mm時，隨著徑向長度的增大而減小；磁轉矩在永磁體徑向長度為17 mm～20 mm時，隨著徑向長度的增大而增大.

這是因為：永磁體產生磁勢，永磁體徑向長度越大，提供的磁勢越大，故磁路中的氣隙磁感應強度越強；由于永磁體中存在磁阻和漏磁，所以永磁體徑向長度增加，磁阻也隨之增加，漏磁也增加得明顯；此外，徑向長度的改變還會影響磁體中心至旋轉中心的半徑，磁體徑向長度越大，其磁力矩的作用半徑就越小，而且這個影響對內磁體尤為明顯.故徑向長度太大會大大降低內磁體的永磁體利用率.

3.4 磁體的軸向厚度和徑向長度共同對磁轉矩的影響

從圖7可以看出：磁體厚度和徑向長度都較小時，內磁體可以獲得較為合適的轉矩值，而外磁體的磁轉矩卻很小，故總轉矩較小；隨著磁體軸向厚度和徑向長度的增大，外磁體的轉矩值在增大，但內磁體轉矩卻在減小，故總轉矩值幾乎不變.

4 結論

針對端面式磁力密封傳遞磁轉矩較小的問題設計了一種二級磁源端面式磁力耦合器，通過理論分析、數值計算驗證了其結構的合理性，該種結構的磁力耦合器可以廣泛應用于真空泵等關鍵設備中.最終得到的結論如下：

1）二級磁源端面式磁力耦合器磁轉矩隨著內外圈磁體徑向距離的增大而減小；

2）二級磁源端面式磁力耦合器磁轉矩隨著永磁體的軸向厚度的增大而增大；

3）二級磁源端面式磁力耦合器磁轉矩隨著永磁體的徑向厚度的增大先增大后減小又增大；

4）二級磁源端面式磁力耦合器能夠傳遞的磁轉矩高達900 N·m.

參考文獻

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Abstract： Magnetic coupler is a kind of transmission device that uses magnetic field to transfer torque. As its active rotor and the driven rotor of the magnetic coupler are non-contact connection， magnetic coupler has the advantages of overload protection and stable transmission and it is used more and more in industrial production. Therefore， it is of great practical significance to perform the theoretical research on the factors which influence the transmission torque of magnetic coupler. By using finite element analysis simulation software ANSYS to establish the 3D simulation model， magnetic field distributions in the air gap of end face magnetic coupling with two layer magnetic sources have been studied and the effects of the radial length between the inner magnet and outer magnet， the axial thickness and the radial length of permanent magnet on the magnetic torque of end face magnetic coupling with two layer magnetic sources have been obtained. The results show that the magnetic torque of end face magnetic coupling with two layer magnetic sources increases with decrease in the radial length between the inner magnet and outer magnet. Its magnetic torque increases firstly and then keeps stable with the increase in the axial thickness and the radial length of permanent magnet.

Key words： magnetic coupling； finite element method； magnetic field； magnetic torque

（學科編輯：黎 婭）