雙氣隙雙實(shí)心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器傳動(dòng)特性分析

鄭華， 田杰

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

雙氣隙雙實(shí)心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器傳動(dòng)特性分析

鄭華， 田杰

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，應(yīng)用廣泛，對(duì)其傳動(dòng)特性的分析研究有著重要意義。文中依據(jù)電磁感應(yīng)原理，提出一種雙面氣隙雙層實(shí)心的電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Ansoft Maxwell軟件建立有限元分析計(jì)算模型，進(jìn)行靜磁場(chǎng)分析，并針對(duì)影響傳遞轉(zhuǎn)矩的永磁鐵磁極對(duì)數(shù)、永磁鐵厚度、氣隙厚度、內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，得出各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁力聯(lián)軸器傳遞性能的影響規(guī)律，豐富了磁力傳動(dòng)的理論與應(yīng)用，為磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器；雙面氣隙；雙層實(shí)心；傳遞轉(zhuǎn)矩；有限元

0 引言

近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁力聯(lián)軸器的技術(shù)得到了迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。磁力聯(lián)軸器一般以永磁鐵作為機(jī)械設(shè)備執(zhí)行器或傳動(dòng)部件的動(dòng)力源，利用磁力耦合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩或力的傳遞。磁力聯(lián)軸器的主、從動(dòng)軸沒(méi)有直接接觸，不存在摩擦損耗，振動(dòng)小，便于控制，傳動(dòng)效率高，相比于機(jī)械式聯(lián)軸器更具優(yōu)勢(shì)[1]。

傳統(tǒng)單面氣隙磁力聯(lián)軸器普遍存在軸向力大的缺陷，針對(duì)這一問(wèn)題，提出一種雙面氣隙磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，并且發(fā)揮實(shí)心轉(zhuǎn)子本身具有的良好啟動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)[2]，采用雙面實(shí)心結(jié)構(gòu)作為該磁力聯(lián)軸器的從動(dòng)盤(pán)，進(jìn)一步改善其性能。

雙氣隙雙實(shí)心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器主結(jié)構(gòu)由主、從動(dòng)盤(pán)總成構(gòu)成，主從動(dòng)盤(pán)之間設(shè)立雙層間隙。磁力聯(lián)軸器永磁鐵分布于主動(dòng)盤(pán)上，永磁鐵NS交叉順序布置且軸向磁化。雙實(shí)心轉(zhuǎn)子表面附著銅導(dǎo)體，傳遞效率高，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，避免產(chǎn)生起步過(guò)載的現(xiàn)象。具體工作原理為：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，主動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)切割磁感線(xiàn)，感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，與原磁場(chǎng)耦合，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)盤(pán)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間轉(zhuǎn)矩的傳遞。可以通過(guò)調(diào)節(jié)主動(dòng)盤(pán)和從動(dòng)盤(pán)之間的氣隙改變磁場(chǎng)，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)矩與輸出功率的大小[3]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁力聯(lián)軸器總體結(jié)構(gòu)

1 有限元計(jì)算模型建立及靜磁場(chǎng)分析

Ansoft Maxwell 2D/3D是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，主要用于機(jī)電設(shè)備和電磁設(shè)備的二維、三維的仿真分析，包括靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、瞬態(tài)場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析模塊。

采用Ansoft Maxwell建立磁力聯(lián)軸器的有限元計(jì)算模型，進(jìn)行靜磁場(chǎng)分析[4]，模擬其啟動(dòng)過(guò)程，并對(duì)影響磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)做進(jìn)一步分析研究。由于磁力聯(lián)軸器采用軸向磁化，需要采用Ansoft Maxwell 3D建立三維模型來(lái)分析。磁力聯(lián)軸器整個(gè)模型關(guān)于主動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)稱(chēng)，可以建立1/2模型進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 電磁感應(yīng)式聯(lián)軸器的三維模型

Maxwell系統(tǒng)材料庫(kù)中沒(méi)有永磁鐵材料，需要單獨(dú)定義材料屬性，其中，定義剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br值為1.25 T，矯頑力Hc值為-947000A/m，設(shè)置Bulkconductivity為2000000，同時(shí)設(shè)置X軸正向?yàn)榇呕较?。Ansoft Maxwell可以進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，針對(duì)最大誤差區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，得到較高的網(wǎng)格密度。聯(lián)軸器三維模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

在磁力聯(lián)軸器的分析中，永磁鐵本身就是激勵(lì)源，因此不必施加額外的激勵(lì)。對(duì)于三維靜磁場(chǎng)分析，只需要選擇求解域邊界，設(shè)置為無(wú)窮遠(yuǎn)處，表示此處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。求解得到磁場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

2 聯(lián)軸器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響

傳遞轉(zhuǎn)矩是磁力聯(lián)軸器的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析研究影響傳遞轉(zhuǎn)矩的因素極具意義。影響磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括永磁鐵磁極對(duì)數(shù)、永磁鐵厚度、氣隙厚度、內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度[5]。下面從這4個(gè)方面分析它們對(duì)磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

1）永磁鐵磁極對(duì)數(shù)對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

圖5 不同磁極對(duì)數(shù)下的傳遞轉(zhuǎn)矩變化曲線(xiàn)

磁極對(duì)數(shù)一直以來(lái)都是磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。磁極對(duì)數(shù)直接影響著磁場(chǎng)分布狀況，決定了氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，因此對(duì)電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩有著重要的影響。將磁極對(duì)數(shù)作為單因素變量，變化值設(shè)為4、8、12、16、20，得到不同磁極對(duì)數(shù)的磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖5所示。

由圖5可知，傳遞轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間先增大后減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于磁力聯(lián)軸器剛啟動(dòng)時(shí)，工作磁場(chǎng)主要由主動(dòng)盤(pán)上的永磁體提供，隨后從動(dòng)盤(pán)上的銅導(dǎo)體切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)相互疊加產(chǎn)生更大的感應(yīng)電流，如此反復(fù)，即感應(yīng)電流先增加后減小最后趨于平穩(wěn)。同時(shí)，隨著磁極對(duì)數(shù)的增加，關(guān)系曲線(xiàn)變化越平滑，說(shuō)明增加磁極對(duì)數(shù)可以降低聯(lián)軸器的振動(dòng)。其中，由于傳遞轉(zhuǎn)矩有順時(shí)針或逆時(shí)針，因此傳遞轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值存在正負(fù)之分，但此處僅需關(guān)注傳遞轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值的大小。轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定時(shí)，可以得到輸出轉(zhuǎn)矩隨磁極對(duì)數(shù)變化的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩與磁極對(duì)數(shù)的關(guān)系

由圖6分析可知，在一定的范圍之內(nèi)，傳遞轉(zhuǎn)矩隨著磁極對(duì)數(shù)的增加而逐漸上升，隨后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2）永磁鐵厚度對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

永磁體厚度對(duì)聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩有著重要影響。在其他結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，永磁體厚度越大，傳遞的轉(zhuǎn)矩也越大，但是增大永磁體厚度，制造成本會(huì)急劇增加。因此，應(yīng)當(dāng)在滿(mǎn)足傳動(dòng)要求的前提下合理地選擇永磁體厚度。將永磁體厚度作為單因素變量，變化值設(shè)為4、6、8、10、12，得到不同永磁體厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖7 不同永磁體厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖7可知，起初隨永磁體厚度增大，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大；但當(dāng)永磁體厚度增大到一定程度，轉(zhuǎn)矩的增大程度反而不大，這是由于隨著厚度的進(jìn)一步增大，磁阻以及漏磁相應(yīng)增大，所增加的磁場(chǎng)的密度幾乎全部消耗掉，雖然輸出轉(zhuǎn)矩依然在增加，但是增加幅度明顯降低且大大降低磁力聯(lián)軸器永磁體的利用率。聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩隨永磁鐵厚度變化的關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 輸出轉(zhuǎn)矩與永磁體厚度的關(guān)系

綜合考慮永磁體的生產(chǎn)制造成本及利用率，永磁體厚度h為12 mm時(shí)為佳。

3）氣隙厚度對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

理論上，氣隙厚度越小，氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，傳遞轉(zhuǎn)矩也越大。但是氣隙的大小直接關(guān)系到裝配的難易程度，氣隙越大，裝配精度越低，裝配也就越容易，氣隙越小，裝配精度越高，裝配也就越難，因此合適的氣隙厚度對(duì)聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。將氣隙厚度作為單因素變量，變化值設(shè)為1、3、5、7、9，得到不同氣隙厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖9所示。

傳遞轉(zhuǎn)矩隨氣隙厚度變化的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10所示。從圖中可以看出，隨著氣隙厚度增大，傳遞轉(zhuǎn)矩逐漸減小，呈下降趨勢(shì)。綜合考慮聯(lián)軸器的制造成本和裝配精度，氣隙厚度取值為1 mm時(shí)最佳。

4）內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。

圖9 氣隙變化下的傳遞轉(zhuǎn)矩

圖10 傳遞轉(zhuǎn)矩與氣隙的關(guān)系

磁力聯(lián)軸器內(nèi)轉(zhuǎn)子的銅盤(pán)主要作用于切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，因此內(nèi)轉(zhuǎn)子銅盤(pán)厚度即內(nèi)轉(zhuǎn)子上外層厚度直接關(guān)系到傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，對(duì)傳遞性能有著顯著影響。將內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度作為單因素變量，變化值設(shè)為2、4、6、8、10，得到內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖11所示。

圖11 不同內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度下的傳遞轉(zhuǎn)矩

傳遞轉(zhuǎn)矩隨內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度變化的關(guān)系如圖12所示，從圖中可以看出，隨著內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度增加，傳遞轉(zhuǎn)矩先增大后減小，在中間處取得最大值。內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度不能太大亦不能太?。喝艉穸忍?，外層磁阻增大，阻礙磁力線(xiàn)透入內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)層，從而導(dǎo)致傳遞轉(zhuǎn)矩降低；若厚度太小，電阻越大，銅損耗越大，從而導(dǎo)致傳遞轉(zhuǎn)矩降低，效率降低。從曲線(xiàn)圖可以看出，內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度4 mm左右時(shí)，磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩最大，此時(shí)為最佳。

圖12 傳遞轉(zhuǎn)矩與內(nèi)轉(zhuǎn)子外層厚度的關(guān)系

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)單氣隙磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，提出一種新的雙氣隙雙實(shí)心電磁感應(yīng)式磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件分析其靜磁場(chǎng)，并研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，豐富了磁力傳動(dòng)的理論與應(yīng)用，為磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 梅順齊,張智明.軸向磁力耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程,2011,22(19):2375-2381.

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Transmission Characteristics Analysis of Double-gap Double-solid Electromagnetic Induction Type Magnetic Coupling

ZHENG Hua,TIAN Jie
(School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China)

The magnetic coupling has the advantages of simple structure,high transmission efficiency and wide application.Based on the principle of electromagnetic induction,an electromagnetic induction magnetic coupling structure with double-gap and double-layer solid is presented.And this paper uses Ansoft Maxwell software to establish the finite element analysis model,and its static magnetic field analysis is given.The structural parameters of the permanent magnet pole,the thickness of the permanent magnet,the thickness of the inner rotor and the outer rotor thickness are analyzed according to the influence of transmission torque,and the influence of each structural parameter on the performance of magnetic coupling is obtained.It enriches the theory and application of magnetic transmission,provides a theoretical basis for optimizing the structure of magnetic coupling.

electromagnetic induction type magnetic coupling;double-gap;double-solid;transmission torque;finite element

TH 133.4

A

1002－2333（2018）01－0066－04

（編輯黃 荻）

鄭華（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)；

田杰（1968—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇帕C(jī)械、數(shù)字化設(shè)計(jì)。

2017-03-04