交替極Hal bach徑向永磁聯軸器特性分析

田 杰 陳亮亮 任泰安 董剛

（合肥工業大學機械工程學院，安徽合肥 230009）

0 引言

永磁聯軸器是一種利用磁力耦合作用實現力或力矩無接觸傳遞的新型傳動機構，是近年來動力傳遞方式及動密封技術領域取得的重要研究成果。相較于傳統機械式聯軸器，永磁聯軸器能將動密封轉為靜密封，實現無接觸傳動，具有減振、隔離、過載保護、軟啟動和節能環保等特性，因此永磁聯軸器在機械、化工、汽車、土木、電力、國防和核工業等很多工程領域應用廣泛，被譽為綠色的傳動機構。

永磁聯軸器根據磁極充磁方式的不同，可分為軸向永磁聯軸器和徑向永磁聯軸器。傳統徑向永磁聯軸器的磁極多為N、S交替緊密排列結構，該結構相鄰交替排列的磁極對數較多，在同一轉子上形成回路的磁力線較多，從而導致部分磁通量的浪費。

交替極永磁陣列是由永磁體與鐵芯凸極呈交替排列構成，其中永磁體沿徑向為同一勵磁方向，即同為N極或S極，而相鄰永磁體之間的鐵芯凸極則會被相應磁化成沿徑向的異極性，永磁極與鐵芯凸極構成極性交替分布結構。國內外許多專家學者針對交替極結構的永磁電機進行了深入研究，發現采用交替極結構有助于提高永磁體的利用率，降低永磁材料的消耗。

與傳統徑向充磁結構的永磁陣列相比，Halbach永磁陣列則是將不同勵磁方向的永磁體按照一定規則排列，能夠在陣列的一邊匯聚磁力線，另一邊削弱磁力線，呈現出獨特的單邊聚磁特性。且Halbach陣列可以建立比較理想的正弦分布的磁場，能夠獲得比傳統永磁陣列更大的氣隙磁通密度。本文結合交替極結構和Halbach永磁陣列的優勢，提出了一種交替極Halbach徑向永磁聯軸器。

1 拓撲結構分析

本文提出的交替極Halbach徑向永磁聯軸器拓撲結構如圖1所示，它由主動端和從動端構成。主、從動端均由永磁陣列和軛鐵構成，每對極的永磁陣列由一個Halbach永磁極和一個凸鐵極構成，且極對數和尺寸規格相同，通過磁力耦合作用來實現無接觸式傳動。

圖2為交替極Halbach永磁陣列示意圖，它由一個凸鐵極和一個Halbach永磁極構成，主磁極沿徑向充磁，兩邊的輔助磁極的充磁方向與徑向夾角為θ，而凸鐵極則會被相應磁化成沿徑向的異極性。該永磁陣列不僅能有效增強氣隙處的磁通密度，減弱軛鐵處磁場強度，還能降低永磁材料的消耗量。交替極Halbach永磁陣列的主要結構參數有：磁化角度θ、磁極厚度h，β和β為主磁極與輔助磁極的極弧角，令β和β之比為磁極配比β。表1為交替極Halbach永磁聯軸器的關鍵設計參數。

2 磁場性能分析

2.1 磁通密度分析

圖3為交替極Halbach永磁陣列和傳統永磁陣列的磁密和磁力線分布圖。由圖可知，交替極Halbach結構永磁區域的磁密分布均勻，且未出現明顯的磁路飽和狀況，漏磁較少，永磁體利用率高。在該結構中，由于凸鐵極為從永磁N極出發的磁通提供了反向磁路，故凸鐵極中的磁力線較為密集，但由于存在輔助磁極對凸鐵極的分流效應，有效抑制了其磁飽和狀態。傳統永磁結構中，由于N、S極交替緊密排列，在相鄰交替排列的永磁極中形成了多條漏磁回路，造成極間漏磁較多，且可以發現其永磁區域兩側的磁通密度較交替極Halbach結構更大，從而造成其匯聚在氣隙處的有效磁通受到削弱，側面反映了交替極Halbach結構具有更好的聚磁效果。

圖4為兩種永磁聯軸器的徑向氣隙磁密對比圖，從圖中可以看出，相比于傳統永磁結構，交替極Halbach結構的磁密分布正負幅值不等，不似傳統永磁結構其磁密分布正負幅值大小相等，但其徑向氣隙磁密的幅值大于傳統永磁結構，說明該結構能夠提高永磁體的利用率。

圖5為兩種結構永磁聯軸器的切向氣隙磁密對比圖，與徑向磁密分布類似，該結構的磁密分布正負幅值也不等，但其切向磁密幅值大小與傳統永磁結構幾乎一致。因此，通過氣隙磁密分析可知，交替極Halbach在減少永磁體用量后仍能保持較好的輸出能力。

2.2 轉矩性能分析

從動轉子保持不動，同時改變主動轉子的機械角度，可得傳統永磁聯軸器和交替極Halbach永磁聯軸器的靜態轉矩如圖6所示。由圖可知，隨著機械角度的變化，主動轉子的靜態轉矩呈正弦變化，且周期為20°。傳統永磁聯軸器的轉矩為94.03 N·m，交替極Halbach永磁聯軸器的轉矩為91.95 N·m，該結構永磁體消耗量僅為傳統結構的75%，轉矩性能卻達到其97.79%。由此驗證了在保證轉矩性能的前提下，交替極Halbach結構能夠提高永磁體利用率，減少永磁體用量。

3 結構參數敏感度分析

由于磁場氣隙及永磁陣列主要參數與永磁聯軸器的轉矩性能關系密切，故本節將對這些參數進行詳細分析，研究其對轉矩和永磁體利用率的影響規律，為后期結構優化設計奠定基礎。

圖7展示了磁化角度θ對轉矩與永磁體利用率的影響曲線。其他結構參數保持不變，改變θ的取值，由于有效體積不變，轉矩和永磁體利用率的曲線變化趨勢是相似的。隨著磁化角度θ的增大，轉矩和永磁體利用率先增大，當θ超過45°時，氣隙磁密逐漸減弱，導致轉矩性能降低，轉矩和利用率的曲線出現下降現象。

當改變磁極厚度，保持其他參數不變時，磁極厚度對轉矩性能的影響規律如圖8所示。當磁極厚度增加時，轉矩也隨之增大，但增長率則慢慢衰減。永磁體利用率隨著磁極厚度的增加，先增大后減小，當磁極厚度為7 mm時，利用率最大。

氣隙厚度與有效氣隙磁密的大小關系密切，直接影響到轉矩性能的優劣。如圖9所示，氣隙厚度越小，轉矩性能越好，隨著其不斷增加，氣隙中的磁阻增大，導致氣隙中的有效磁密減小，因而轉矩性能大幅下降。

圖10為最大轉矩和永磁體利用率隨磁極配比β變化的曲線。保持其他結構參數不變，隨著β的增加，凸鐵極所占比率也在增大，導致有效永磁體體積減小，故最大轉矩隨之降低。而永磁體利用率則隨著β的增加，先增大后減小，存在一個最優磁極配比值1.4。

4 結語

本文提出了一種新型的交替極Halbach徑向永磁聯軸器，并對其磁場性能與結構參數敏感度進行了研究分析。將傳統永磁陣列與交替極Halbach永磁陣列的永磁聯軸器的磁場性能進行了對比，發現交替極Halbach永磁陣列能夠明顯提高永磁體利用率，降低永磁材料消耗和極間漏磁，有效改善永磁聯軸器轉矩性能。以磁化角度θ、磁極厚度h、氣隙厚度e和磁極配比β為研究對象，縱向對比了這四個關鍵結構參數對轉矩和永磁體利用率的影響關系，可以發現各關鍵結構參數對轉矩和永磁體利用率的影響規律并不相同，由此可見轉矩和永磁體利用率并不能同時達到最優值，為后續的結構優化設計奠定了基礎。