高速无接触式电磁耦合器的磁场计算及实验研究

李 勇，邢敬娓，韩素芳，陆永平

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

0 引 言

(1)具有足够的耦合力矩，保持两段机械轴在0～16 000 r/min的范围内同步运行，不失步。额定转速下的耦合力矩不小于10 N·m。

(2)短时工作，温升与发热问题不考虑。

(3)在高速运行时通过电磁线圈控制可以实现两段机械轴的分离。

(4)控制方式简单，且便于实现自动控制。

(5)运行可靠。

基于上述分析，现有的耦合器满足不了研制设备的要求。为此，本文提出了一种新型无接触式电磁耦合器的设计思想，采用直流通电控制方式，利用类似于步进电动机的齿槽作用机理，完成高速运行过程中的离合作用。本文中主要研究了这种新型电磁耦合器的磁场特性，研制了样机并完成了实验测试。实验结果证明该新型电磁耦合器原理正确，方案可行。

1 结构与原理分析

高速无接触式电磁耦合器是一种利用齿槽作用机理工作的磁力机械。其磁路结构示意图如图1所示，它由定子、主从动转子和绕组组成。

图1 高速电磁耦合器磁路结构示意图

高速无接触式电磁耦合器的定子铁心圆周向开槽，内部放置控制线圈。线圈中施加直流电压时，产生恒定的轴向磁场。该电磁耦合器是双转子结构，主从动转子在相对侧上开有相同的轴向槽，与定子相对侧不开槽，形成两个附加气隙。当主动转子相对从动转子转动时，主动转子之间的气隙磁导发生变化，每转过一个转子齿距，气隙磁导变化一个周期，转子齿数就相当于高速无接触式电磁耦合器的极对数。其作用原理与步进电动机极其类似，但一个明显的区别是，所设计电磁耦合器的主从动转子上齿槽结构完全相同，当主动转子上的一个齿与从动转子上对应的齿错开θ时，其余齿也都错开θ，即各个齿的相位完全相同，所受到的作用力是线性叠加的，而步进电动机不同相的定子齿的相位是要均匀错开一个角度的。

2012年12月，习近平总书记在广东考察时指出：“要尊重人民首创精神，尊重实践、尊重创造、鼓励大胆探索、勇于开拓，聚合各项相关改革协调推进的正能量。”这里，他所谈的正能量，与毛泽东同志所说的“调动一切积极因素，团结一切可以团结的力量”的基本精神是一致的。

在高速无接触电磁耦合器工作时，其主动转子安装在原动机的输出端，耦合器的从动转子与工作机的输入端相连。同其他耦合器一样，高速无接触式耦合器工作在如下两种状态:

(1)接通状态:当励磁线圈通直流电时，会产生一恒定磁场。恒定磁场通过定子、主从动转子和附加气隙形成闭合磁路。此时，对于主从动转子而言，受到的是一单极性的磁场。当原动机转动时，主动转子跟随原动机转动，在不失步情况下，由于磁阻效应从动转子便跟随主动转子同步旋转，实现了耦合器的接通。

(2)断开状态:当需要轴系断开时，只要切断励磁线圈的电源即可，此时虽然原动机仍然转动，但主从动转子之间已无磁场存在，转矩消失，从动转子不能跟随主动转子同步旋转，实现了耦合器的断开。

2 有限元建模与仿真计算

2.1 Ansoft建模

有限元法被证实是计算电机、磁力机械的磁场和各种特性有效可行的方法，是根据变分原理和离散化而求取近似解的方法。应用有限元计算耦合器的静态转矩特性和磁场可给实际设计提供理论数据依据。所设计的高速无接触式耦合器的结构特殊，不具有完全对称性，磁场分布呈现三维特征，所以二维有限元法不适用，本文采用三维有限元法对耦合器的磁场分布及静态转矩特性情况分析计算。

根据图1中的结构示意图，利用有限元分析软件建立的耦合器3D模型示意图如图2所示。定子及主从动转子材料选用Steel_1010，绕组材料为铜，模型主要尺寸如下:定子外径为98 mm，轴向耦合长度为30 mm;气隙长度为0.5 mm;绕组匝数为450匝。

图2 高速电磁耦合器的3D有限元模型

需要注意的是，3个附加气隙合起来就是离合器的总气隙长度，所以选择需要特别注意，此处合计选取0.5 mm。

耦合器磁场分析采用的电磁场理论基于Maxwell方程组，考虑到钢的磁导率远远大于外界空气的磁导率，可以认为穿过定子外边界和从动转子内边界的磁通量很小，所以定子外边界与从动转子内边界可以认为是等A线，即B=0，满足第一类边界条件Az=0。

高速无接触式耦合器径向磁场对称分布，磁场每经过一个齿距就发生重复，满足整周期边界条件。为减小计算量，节约计算时间，设置主从边界，建立耦合器一个齿矩的有限元模型计算如图3所示。局部剖分图如图4所示。

图3 高速电磁耦合器的一个齿距模型

图4 有限元局部剖分图

2.2 模型计算

对建立的耦合器有限元模型，通以1 200 AT的励磁电流，经电磁场有限元计算，得出某一位置的磁链分布图和磁密分布云图如图5、图6所示。由图5可以看出，耦合器的磁链从定子经过气隙进入主动转子，然后穿过齿和气隙，进入从动转子，再通过气隙回到定子齿，形成闭合回路，主从动转子受到的是单极性的磁场。由图6可以看出，耦合器的内转子和齿部比较容易饱和，在结构优化设计中应该适当优化其尺寸，改善性能。

图5 磁链分布图

图6 磁密分布云图

通过对应不同位置电磁转矩的有限元计算，得到耦合器的矩角特性曲线如图7所示。可以看出，从动转子受到的电磁转矩基本上呈正弦规律变化，类似于步进电动机的静转矩特性，电磁转矩的幅值约为Tmax=10.1 N·m。由于齿槽参数设计的原因，特性中具有明显的二次谐波成分，但这并不影响电磁耦合器的正常工作。和步进电动机类似，正常工作时从动转子相对于主动转子一定要存在一定的失调角，且失调角与传递的转矩有关。在一定范围内变化时，传递的转矩随着失调角的增加而增加。当失调角增大到一定值时，传递的转矩达到最大值。若负载转矩超过该最大值，则会产生打滑失步现象。一旦失步一个齿，则从动转子会出现不可逆性失步直至停止。

图7 电磁耦合器的矩角特性

2.3 励磁特性

对应不同的励磁电流，矩角特性的变化趋势如图8所示，最大电磁转矩随励磁电流的变化趋势如图9所示。可以看出，当励磁电流较小磁路未饱和时，电磁转矩最大值随电流近似平方关系变化。当电流增大到一定数值后，磁路逐渐饱和，电磁转矩最大值增加幅度减小，呈现饱和特征。从特性上看，励磁电流在4 A左右可以满足要求。

图8 不同励磁电流时的矩角特性

图9 最大电磁转矩随励磁电流的变化趋势

2.4 参数优化

为了得到特性最优的耦合器，对耦合器的结构参数进行了优化设计。在不改变耦合器的主要参数尺寸(如定子内外径、主从动转子内径)的情况下，本文利用有限元法计算了齿数和齿宽等参数对耦合器转矩特性的影响。

齿宽齿距比一定时改变耦合器的齿数，得到最大转矩的变化曲线如图10所示。可以看到，齿数增大则最大转矩也增大，但当齿数增加到一定数值时，最大转矩也呈现一定的饱和趋势，这可能是因齿部饱和的影响所致。另外齿数太多会增加加工难度，降低齿部刚度。所以综合考虑，选择齿数为26～28比较适宜。

齿数一定时，改变耦合器的齿宽齿距比得到最大转矩曲线如图11所示。可以看到，在一定齿宽范围内，最大转矩值随着齿宽的减小而增大，但当齿宽减小到一定宽度时，由于齿部的高饱和影响最大转矩值会减小。另外，齿宽太窄会降低齿的机械强度。所以综合考虑，齿宽取0.3～0.4比较适宜。

图10 最大转矩与齿数的关系曲线

图11 最大转矩与齿宽的关系曲线

3 实验研究

高速无接触式电磁耦合器作为传动器件，其最基本的特性就是最大转矩特性，这关系到耦合器的工作可靠性问题。根据设计参数研制的无接触式电磁耦合器样机如图12所示，为了性能测试，设计了特殊的安装轴系。

试验样机最大转矩与励磁电流特性的测试结果与仿真曲线的对比如图13所示。可以看出，仿真计算结果与测试结果的变化规律相同，两者最大误差18%，最小误差8.8%。总体看来，计算得到的结果数值偏大，这可能是有限元法计算的精度以及材料特性定义的不准确造成的。

图12 实验样机

图13 样机最大转矩特性的仿真与测试对比

4 结 语

本文应用三维电磁场有限元法，对所设计的一种新型高速无接触式电磁耦合器进行了分析计算。建立了耦合器的有限元模型，通过计算得到了耦合器的磁链分布图和矩角特性曲线，并对齿数和齿宽参数进行了优化。最后研制了样机并完成了测试，仿真计算和实验测试结果都证明了所提出的设计思路是正确的，方案是可行的，可以解决所提出的工程问题。

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