雙交替極磁力聯軸器傳動性能研究

田杰，李雨蒙，任泰安

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

磁力聯軸器作為一種典型磁力機械，是一種通過永磁體磁場將輸入軸與輸出軸連接起來的新型聯軸器。與傳統的機械式聯軸器相比，具有能夠進行無接觸傳動，以及實現軟啟動、隔離振動、過載保護等功能[1]。

為了滿足磁力聯軸器在實際生產工作中的使用需求，各國學者對磁力聯軸器的結構均進行了廣泛的研究[2]。在磁力聯軸器的結構方面，江蘇大學楊超君等[3]引入Halbach聚磁結構，提出了Halbach型永磁異步聯軸器，有效提高了磁力聯軸器的最大傳遞轉矩。哈爾濱理工大學的呂森等[4]將調磁環引入氣隙，提出了調制式的磁極結構，實現了磁場調制功能。文獻[5]針對多種大轉矩磁力聯軸器模型進行了分析，并在此基礎上給出了優化設計方案。

由于漏磁現象，磁力聯軸器的永磁材料利用率不高，在實際使用中，磁力聯軸器具有低速應用的特征，通常需要采用極對數較大的設計方案，導致了磁鋼用量增加，磁鋼間漏磁增多等問題[6-7]。

在電動機領域，各國學者對減少永磁體用量問題已有大量深入的研究。文獻[8]針對電動機轉子提出了交替極結構的概念，即轉子部分永磁體沿磁化方向呈現同極性的排列方式，鐵芯極則沿徑向方向被磁化成與永磁極方向相反的磁極，永磁極與鐵芯極構成交替分布。該設計在保證磁場性能的情況下，大幅降低了永磁材料用量。文獻[9]對電動機轉子的磁極結構做了研究，用鐵芯極替換部分永磁極后，有效改善了轉子磁極結構極間漏磁的問題。交替極結構在磁力聯軸器中還沒有相關的應用。

現有的磁力聯軸器相關研究，重點是提高磁力聯軸器的最大傳遞轉矩，較少有研究將提高永磁材料利用率當作目標[10-11]。磁力聯軸器的工業應用主要得益于稀土永磁材料的發展，很多新研究均基于稀土永磁材料[12]。由于稀土永磁材料作為一種重要戰略資源，價格昂貴、產量有限，磁力機械制造和后期維護成本較高，不利于磁力機械的大規模應用[13]。因此有必要將提高材料利用率作為磁力聯軸器的優化設計方向。

本文提出一種永磁材料利用率較高的雙交替極徑向同步磁力聯軸器結構，并通過有限元方法驗證其磁場性能與傳動性能。

1 交替極結構的磁力聯軸器

傳統磁力聯軸器的磁極通常為N、S極交替放置在鐵芯上，從能量角度來說，這種結構對能量的利用率不如交替極結構[14]。

本文提出了一種雙交替極磁力聯軸器結構，永磁體部分均采用同向徑向充磁，并在同極性永磁體間引入磁化方向相反的鐵芯極。交替極結構與傳統結構的差別在于用鐵芯極替代了部分永磁極。在聯軸器工作中，鐵芯極成為被磁化的磁極，磁化方向與相鄰永磁極相反。圖1為永磁材料用量不變時的徑向同步雙交替極四極聯軸器與傳統結構磁力聯軸器對比示意圖。

傳統結構使用充磁方向相反的兩種磁極，交替極結構選用充磁方向相同的磁極，磁極與磁極間為鐵芯凸極。普通磁力聯軸器在優化永磁材料用量時，常常通過調整磁環厚度實現；交替極聯軸器則可以考慮磁極厚度、極弧角、極弧比等多個參數，具有更大的優化空間。將交替極結構應用于磁力聯軸器，有助于減少磁力聯軸器的材料用量，在提高永磁材料利用率方面相比傳統結構具有較大優勢。

2 交替極磁力聯軸器傳動性能有限元分析

本文對徑向同步雙交替極四極聯軸器的磁場分布與傳動力矩進行有限元分析。并在基本尺寸與永磁材料用量不變的條件下，對如圖1所示的兩種聯軸器進行對比。圖2～圖5分別給出了徑向同步雙交替極聯軸器與普通徑向同步聯軸器的徑向磁感應強度圖、切向磁感應強度圖、磁感線分布圖、磁密云圖及轉矩對比圖，分析對象的結構參數如表1所示。

表1 磁力聯軸器的結構參數

圖1 同步徑向雙交替極聯軸器與傳統徑向磁力聯軸器對比圖

徑向磁密的計算公式為[15]

式中：Br為徑向磁密；Bx、By分別為沿x、y方向的磁密分量；φ為磁密矢量B與x軸的夾角。

以最大轉矩時兩種聯軸器的磁場分布為分析對象，通過式（1）對磁力聯軸器氣隙磁密進行計算分解，其氣隙部分徑向磁密曲線如圖2所示。

圖2為一個周期的徑向磁密曲線變化情況。從變化趨勢上看，兩者均沿圓周方向呈周期式分布，由于交替極結構的特殊性，其徑向磁密曲線與普通的磁力聯軸器不同。從數值上看，在波峰處，普通磁力聯軸器的徑向磁密約為0.9 T，交替極聯軸器的徑向磁密約為0.6 T，是普通磁力聯軸器的67%，但交替極波峰持續較長，約為普通聯軸器的2倍；在波谷處，普通極徑向磁密約為-0.9 T，交替極徑向磁密約為-1.15 T，是普通磁力聯軸器的1.28倍。可知，在保持永磁材料用量不變的情況下，交替極的徑向磁密強度略好于普通磁力聯軸器。

圖2 兩種聯軸器徑向磁密對比圖

圖3所示分別為兩種聯軸器在最大轉矩時的磁力線分布情況。在所選用的尺寸與型式下，交替極聯軸器在取得最大轉矩時的轉差角為24.6°，普通磁力聯軸器的轉差角為22.5°。從磁力線分布情況可以看出，對于交替極聯軸器，其鐵芯極可以經由永磁極磁化，可以看作磁性較弱的磁極。由于交替極聯軸器在磁極兩側引入氣隙，磁感線自閉合現象有所改善。

圖3 兩種聯軸器磁力線分布對比圖

圖4 兩種聯軸器磁密分布圖

磁力聯軸器分為內外2個轉子，采用固定外轉子，給定內轉子以確定轉速的方式進行仿真，圖5為此種運動模式下空載時一個周期內兩種聯軸器的轉矩-相位圖，表示聯軸器空載時不同相位角位置的傳遞轉矩。

如圖5所示，普通磁力聯軸器的最大空載轉矩為4.6 N·m，交替極的最大空載轉矩約為5.35 N·m，約為傳統結構 的 1.16倍。顯然，在永磁材料用量相同時，交替極聯軸器的最大傳遞轉矩好于普通磁力聯軸器。

圖5 兩種聯軸器轉矩對比圖

3 結論

本文提出了一種雙交替極徑向同步磁力聯軸器。通過有限元仿真說明，在永磁材料用量不變時，交替極結構的磁場性能、永磁材料利用率與最大傳遞轉矩均好于傳統結構磁力聯軸器。交替極結構聯軸器作為一種新結構聯軸器，仍具有較大的優化空間。

仿真結果表明，交替極結構的磁力聯軸器應用在保證最大傳遞轉矩的前提下，可以有效解決普通磁力聯軸器永磁材料利用率不高的問題，為磁力聯軸器的規模化應用提供可能。