轴向永磁涡流耦合器传动特性分析

1、轴向永磁涡流耦合器传动特性分析随着稀土永磁技术的进步，采用非接触空气介质传递功率的永磁涡流耦合器在机械传动领域得到广泛应用。实际使用情况表明，永磁涡流耦合器能够很好地应用在易燃易爆、潮湿、粉尘含量高、电压波动大、谐波含量较高、冲击负载频繁等恶劣环境，具有传动平稳、过载保护、软启动、节能环保等优点。双边磁场耦合型轴向永磁涡流耦合器具有轴向磁场漏磁小、传递转矩密度高、转子静轴向力为零等特点，许多学者对其结构特性进行了研究。文献【5】研究了该型耦合器在轴对中存在偏差时无附加载荷的传动机理；文献【7】研究了永磁耦合器传递转矩与间隙、转速差之间的对应关系；文献对永磁耦合器磁场结构进行了深入分析，通过三维

2、有限元模型对其传动特性进行了研究；文献通过改变气隙、磁体厚度及数量、导体等结构参数，利用三维有限元方法研究了各结构参数对永磁耦合器传动特性的影响。本文对双边磁场耦合型轴向永磁涡流耦合器磁场结构进行了理论分析，利用电磁仿真有限元分析软件ANSYS Maxwell3D建立了仿真模型，研究了转速差为01 500 r/min时，气隙对其传递转矩及单边轴向力的影响，以及转差为100 r/min时，导磁盘、导体结构参数对其传动特性的影响，其仿真分析结果对永磁涡流耦合器后续进一步优化设计提供了理论依据。1 轴向永磁涡流耦合器组成及原理如第48页图1所示，轴向永磁涡流联轴器主要包括永磁转子和导体转子 ，其中，

3、永磁转子由磁体、磁体保持盘、导磁盘组成；导体转子由导体、导体保持盘组成，导体转子置于永磁转子之间，并保持一定的气隙，导体保持盘两侧覆有导体，磁体保持盘背面与导磁盘紧贴固定，并在其圆周方向分布镶嵌着N极、S极交替排列的偶数对磁体，永磁转子两侧磁体轴向正对，且磁极相反，这样就产生了磁力线闭合的交替排列的永磁场。其工作原理是：启动电机后，与电机轴连接的永磁转子加速转动，永磁转子与导体转子非接触，两者存在转差，与负载轴连接的导体转子上的导体切割永磁转子磁体产生的固有永磁场。根据电磁感应定律，导体表面形成感应涡电流，产生感应磁场，并与永磁场相互耦合，阻碍永磁转子转动。导体转子在永磁转子的驱动下，其转速快

4、速上升，随着永磁转子加速至恒定转速，两者之间的转差也逐渐减小，导体切割永磁场也随之减弱，从而两者之间的磁场传递力矩逐渐减小，直至磁场传递力矩与负载所需的传动力矩相匹配，并保持在一定转差下稳定运行，实现了从主动端到负载端无机械连接的能量传递。2 理论分析图2为轴向永磁涡流联轴器磁场的结构示意图，永磁转子磁体轴向均匀充磁，永磁场磁力线路径为【7】：磁体N极→气隙→导体→另一侧磁体S极→另一侧导磁盘→相邻的磁体N极→导体→相邻的磁体S极→导磁盘→磁体S极，整个磁场回路构成磁路串联的结构形式。导磁盘选用磁导率非常

5、高的导磁材料，以汇聚更多的磁力线，减少漏磁；导体选用导电性能非常良好的非导磁材料，以提高涡流感应磁场的强度；磁体/导体保持盘选用非导磁材料，可保证永磁转子与导体转子不产生静态接触力。表1为主要组成件的材料参数。上述轴向永磁涡流联轴器磁场结构为双边耦合型，相比单边耦合型，其具有双层气隙，整体磁场结构对称，使得永磁转子及导体转子所受轴向力趋于零；另外，双边耦合型结构漏磁系数小，电流密度大，因此，其转矩密度也高。导体转子产生的磁场力是由永磁转子提供的永磁场感应产生，根据牛顿第三定律，二者受力大小相等，方向相反，因此，二者所受电磁转矩大小相等。导体转子产生的感应涡电流，其径向感应电流为有效电流，可有效

6、切割轴向永磁场，产生电磁转矩；但其他方向的感应电流不切割轴向永磁场，为无效电流，产生焦耳热释放到永磁涡流联轴器周围空气中，这样就提高了永磁转子磁体的工作温度，超过一定温度，磁体便会退磁，最终，提供电磁转矩的永磁场也会消失。为此，一方面，可以通过加装散热片或水冷却装置，降低永磁转子磁体的工作温度；另一方面，可以通过结构优化，提高电磁转矩密度，减少无效电流，从而降低导体转子工作时向四周释放的热量。3 仿真研究3.1 仿真模型建立考虑到轴向永磁涡流联轴器的对称性，以及有限元计算仿真分析过程中计算机内存资源消耗，利用电磁仿真有限元分析软件ANSYS Maxwell3D建立仿真模型，第49页图3、图4分

7、别为仿真模型及有限元网格划分，第49页表2为仿真模型结构参数。3.2 传动特性仿真分析传递转矩及轴向力是联轴器工作时的主要特性参数，通过改变永磁转子与导体转子间的气隙、永磁转子磁体背板参数及导体转子参数，研究各参数改变对轴向永磁涡流联轴器传递转矩及轴向力的影响。当转差为100 r/min时，永磁涡流联轴器工作效率为93%，可认为是其正常工作状态。下文所述轴向力是指永磁转子单边及导体转子一侧导体所受轴向力，传递转矩是整个联轴器系统的传递转矩。3.2.1 气隙气隙调整将影响到永磁场穿过导体的磁通密度，以致导体在切割永磁场时，感应涡电流密度受到影响，从而导体所获得的电磁转矩也将发生改变。图5、图6、

8、图7分别为不同气隙下，轴向永磁涡流联轴器传递转矩、永磁转子轴向力、导体转子轴向力与转差之间的关系，设定永磁转子与导体转子单边气隙分别为2 mm，4 mm，6 mm，8 mm。由图5可知，随着转差增大，转矩迅速增大，直至转差增大至190 r/min时，转矩达到最大值，随着转差继续增大，转矩逐渐减小；当气隙增大，传递转矩减小，其最大传递转矩下降比较明显。由图6可知，转差低于150 r/min时，永磁转子所受轴向引力大于轴向斥力，永磁转子两个磁体盘相互靠近，从单条曲线来看，转差越小，电磁感应磁场强度越弱，其产生的轴向斥力则越小，而轴向引力是由永磁转子固有的永磁场产生，因此，永磁转子两个磁体盘相互靠近

9、的轴向力随着转差减小而增加；当转差高于150 r/min，永磁转子所受轴向引力小于轴向斥力，永磁转子两个磁体盘开始分离；其原因是：转差越大，电磁感应磁场强度越强，其产生的轴向斥力则越大，但随着转差进一步增大，导体转子电磁感应涡电流趋肤效应更加明显，导体中通过涡流的有效截面积减小，从而使得导体的有效电阻增大，因此，随着转差进一步增大，其电磁感应磁场强度并没有明显增强，因而其产生的轴向感应磁场斥力也没有明显增大，从单条曲线看，其轴向力随着转差进一步增大趋于平缓。当气隙增大，永磁场产生的轴向引力及感应涡电流磁场产生的轴向斥力都减小，其变化关系见图6。由图7可知，由于导体转子为非导磁材料制成，因此，导

10、体转子所受轴向力为电磁感应涡电流磁场产生的轴向力，随着转差增大，其轴向力也增大并趋于平缓。3.2.2 导磁盘第50页表3表5分别为改变导磁盘厚度、内径及外径后，其对传动特性的影响。由表3表5可知，改变导磁盘厚度、内径及外径尺寸对传动特性影响不大。表6、表7分别为改变导体内径、外径后，其对传动特性的影响，导体内/外径增量为0时，导体径向边缘与磁体径向边缘重合。由表6可知，当导体内径增加时，永磁转子所受轴向力增加，但导体转子所受轴向力及传递转矩减少。由表7可知，当导体外径增加时，永磁转子所受轴向力减小，但导体转子所受轴向力及传递转矩增加。综上所述，定义导体面与磁体面径向矢量比值为叠合率，则增大叠合

11、率，永磁转子所受轴向力减小，但导体转子所受轴向力及传递转矩增大。4 结论1）转差低于190 r/min时，传递转矩随转差提高而迅速增大至最大值，转差超过190 r/min后，转矩出现下降趋势，但其下降幅度相对平缓，转差越大，其转矩下降更趋平缓。2）增大气隙，传递转矩下降，而且最大转矩下降幅度较大。3）改变导磁盘的结构尺寸，对传动特性影响不大。4）导体面与磁体面叠合率越大，单边永磁转子所受轴向力越小，但导体转子所受轴向力及传递转矩越大。参考文献：【1】 Frank Holden. Permanent magnet couplings and adjustable speed drives tec

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