磁力耦合式直線驅動裝置的建模與優化

趙海寧 趙川 張鵬飛 金俊杰 孫鳳 于慎波 王振宇

摘 要：針對傳統機械系統難以完成密封環境中的驅動任務，提出了一種非接觸式磁力耦合直線驅動裝置，分析了不同優化方案的磁力特性．采用等效磁路法分別建立了水平驅動力和法向干擾力的解析模型，通過有限元瞬態仿真和實驗測量對理論計算模型的準確性進行驗證，應用該解析模型對不同優化方案的磁力特性進行對比分析．結果表明，所建立的解析模型與實驗結果的誤差較小，采用徑向磁化圓柱形永磁體的雙輪驅動方案最大驅動力提高近２倍，并消除了法向干擾力，在一定負載工況下可實現高效運行．

關 鍵 詞：磁力耦合；直線驅動；磁力解析；特性分析；建模；有限元分析；磁力測試；結構優化

中圖分類號：ＴＭ３５９４ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２３）０２－０１８０－０７

傳統的機械傳動主要分為摩擦傳動與嚙合傳動兩種類型，主動件與從動件接觸是完成機械傳動的前提［１］．磁力驅動機構可消除接觸摩擦、無需潤滑，可避免二次粉塵的產生，實現分離式傳動，近年來在化工機械、食品機械、醫療機械等領域都有迫切的應用需求．因此，磁力驅動裝置的開發應用可實現高潔凈環境和真空密封條件下的驅動，具有十分重要的意義［２－３］．

磁力驅動裝置的結構優化、磁場建模和傳動性能分析是當前研究的重點［４－６］．Ａｔａｌｌａｈ等［７－８］提出永磁齒輪的拓撲優化方案，分析了永磁體數量、調磁環數量對速比和磁通密度的影響．為了增強氣隙磁通密度并提高轉矩密度，吳鵬和張進等［９－１０］分別提出一種雙調制結構的同軸式磁齒輪結構，分析了輔助磁通調制對轉矩能力增強特性的作用．Ｍａｆｉ和Ｊｅｎｎｅｙ等［１１－１２］設計了基于Ｈａｌｂａｃｈ陣列結構的永磁齒輪，利用單邊磁通增強的特性增大轉矩密度，同時降低了轉矩脈動和調制器的損耗，但采用鐵質調磁環的磁齒輪在高速傳動應用中受到限制，且由于內外轉子上均安裝有永磁體，氣隙磁場的諧波含量較高．黃金霖等［１３］提出一種由永磁調磁塊、內轉子永磁體和外轉子鐵心等組成的永磁齒輪結構，并采用多目標優化方法對其結構參數進行了優化設計．楊超君等［１４］提出一種可調速異步盤式磁力聯軸器，通過調節主、從動盤間的氣隙長度改變磁力，從而實現轉速調節，并對轉差率與傳動效率間的關系進行了研究，可實現一定負載下高效運行．盤式聯軸器在軸向會受到磁場力影響，因此需安裝軸承以提供軸向支撐．田杰等［１５］設計了一種混合式永磁聯軸器，建立傳遞轉矩模型，分析了磁極數、氣隙大小及磁體厚度等主要參數對傳動性能的影響．包廣清等［１６］將磁場調制式磁齒輪應用于風力發電系統，基于電動機和磁齒輪有限元模型的聯合動態仿真，試制了磁齒輪樣機．