异步永磁耦合器轴偏心传动无附加载荷特性

黄家田，崔立春，张 楠

● （1．海军驻青岛地区装备修理监修室，山东青岛 266001；2．中国人民解放军第四八零八工厂，山东青岛 266001；3．中船重工第704研究所，上海 200031）

异步永磁耦合器轴偏心传动无附加载荷特性

黄家田1，崔立春2，张 楠3

● （1．海军驻青岛地区装备修理监修室，山东青岛 266001；2．中国人民解放军第四八零八工厂，山东青岛 266001；3．中船重工第704研究所，上海 200031）

文章介绍了异步永磁耦合器的工作原理。通过对其模拟计算分析，证明了耦合器输出转矩是一力耦系作用的结果，阐释了该耦合器在轴偏心状态下工作时，无附加载荷的机理。通过对称的结构设计，该耦合器在存在角偏差传动时也不会产生附加载荷。

异步永磁耦合器；轴偏心；传动特性

0 概述

异步永磁耦合器技术开辟了磁能应用的新领域，它是机械传动技术的新产品、新课题。它的突出特点是：无机械连接、减震降噪、可缓冲启动设备、降低了安装对中精度、安装简便、维护成本低。耦合器可设计成普通型、短时和完全过载保护型、调速型。其中耦合器在对中误差≤3mm时仍可正常工作且无附加载荷的特点，尤其适合于舰船的减震降噪和在狭小空间的安装使用。通过对该技术的研究；本文定性分析了异步永磁耦合器在轴偏心状态传动时，无附加载荷产生的机理。

1 异步永磁耦合器工作原理与磁力的分析

1.1 工作原理

耦合器工作原理示意图见图1，主动端的载磁盘上均布有永磁体，被动端为铜板。当电机带动主动端旋转时，主、被动间的相对转差使铜板上感应出涡电流、又生成感应磁场（其极对数与永磁极对数相同），在两个磁场的相互作用下，被动端即与电机同向转动，但其转速nc恒小于电机转速n，故称为“异步”。

图1中，“碳钢衬板”构成了耦合器的闭合磁路，磁力线透过空气隙使铜板处于永磁场中。耦合器在静态图示位置或同步旋转时，只有永磁场对碳钢衬板的轴向吸力而没有切向力（此轴向吸力通过结构的对称设计可予以抵消），因此不能传递转矩功率。

图1 耦合器工作原理示意图

1.2 切向力系的磁转矩分析

按照图1所示结构建模，在Maxwell有限元电磁分析软件中进行模拟计算，设定转差 50r/min，在某一时刻的涡流感应磁场分布如图2所示。

图 2中示出了涡流磁场与永磁场相应极性的位置关系。模拟计算表明，在相对转差一定时，涡流磁场与永磁场的空间相对位置（图2所示）将保持恒定，并以50r/min的转速与永磁场同步旋转、转矩恒定。

为便于分析，将图2简化为图3。图中示出了作用于铜板的永磁极性、切向力和感应涡电流的对应方向。

图2 Maxwell计算的模拟涡流磁场

图3 永磁场与涡流磁场简化关系图

1）从电流在磁场中受力的角度分析，根据左手定则，对铜板而言（电流在铜板上）每股电流在磁场中将受到一个与旋转方向同向的切向磁力或洛轮兹力f。

则磁转矩为：

式中，R为耦合器的平均有效作用半径。

设磁钢板数为P；则合磁转矩：

式中，ΣT即为耦合器的输出磁转矩，也是电机的负载转矩。

2）从永磁与涡流磁场相互作用的角度分析，永磁体主动向前转动，与其前面的涡流极同极性，即对铜板产生一个“推力”作用，与其后面的涡流极异极性，即产生一个“拉力”作用，在这“一推一拉”的连续作用下，即实现转矩功率的传递。

1.3 径向力与力耦系分析

图 3 中示出了切向力f1～f4和f′1～f′4。当耦合器安装的气隙间距均等时，永磁场可视为均匀磁场，铜板对应各处的磁感应强度B相等；铜板的电导率α可认为处处相等。因此，各切向力f在数值上是相等的；又因为永磁体是按磁性、成对的均布于载磁盘上，所以对应的f1与f′1、f2与f′2……各形成了作用于铜板平面上的等值、反向、不共线的一对力，即为力偶。每一力耦矩M=f·2R。注意：力偶的性质是合力为零。

又当各力偶作用在同一平面时，合力偶矩ΣM等于各力偶矩的代数和。

所以耦合器的合磁转矩：

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（注：p/2表示极对数）

图4中，耦合器输出端在沿x、y向各偏移1.5mm后，在某一时刻的涡流感应磁场分布图及简化图。图中显示，涡流磁场极的空间分布位置始终与永磁极的位置相对应。

图4 Maxwell计算的轴偏心1.5mm模拟涡流磁场

从图4中可知，作用于铜板平面上的合力耦矩ΣM的矩心位置为O1，相对铜板的旋转轴心O2偏移了1.5mm。

根据力偶在其作用平面内可任意移动，而不改变它对刚体的作用效果――力偶性质推论可知，合力偶矩ΣM对O2的作用效果应与对O1的作用效果完全相同，即驱动铜板绕O2轴旋转的合力偶矩仍等于ΣM；力偶合力为零的性质也仍然成立。

结论：即使耦合器主、被动端存在轴偏心，也不会在径向上产生附加载荷。也证明了该耦合器具有减震降噪的特性。

1.4 轴向力与角偏移分析

在图1所示结构中，前文提到耦合器永磁场对“碳钢衬板”的净轴向吸力问题；另当耦合器存在角偏移时，因气隙的间距不再均等，所以该结构的各切向力f的合力将不等于零。

图5 耦合器实际结构形式示意图

图6 耦合器角偏移示意图

1.5 几点说明

1）计算表明，当存在轴偏心时，耦合器的总体转矩相对同心状态将略有降低。这是因为覆盖磁钢极的铜板面积是有限的。

2）由于安装中两边气隙不可能绝对等距，所以残余轴向力仍将存在。

2 结束语

简要介绍了异步永磁耦合器的特点和工作原理。通过Maxwell有限元电磁分析软件的模拟计算，展示了涡流感应磁场的分布规律及与永磁场空间位置的相互关系。分析表明耦合器的输出磁转矩是一力耦系作用的结果；根据力偶的性质证明，耦合器在轴偏心状态传递转矩时不会产生附加载荷。通过对结构的对称设计，该耦合器存在角偏差传动也不会产生附加载荷。

[1]王秀和, 杨玉波, 等.异步启动永磁同步电动机研究[M].北京: 机械工业出版社, 2010.

[2]魏静微.永磁电机的磁场计算[M].北京: 机械工业出版社, 2010.

[3]符曦.高磁场永磁式电动机及其驱动系统[M].北京:机械工业出版社, 1997.

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Asynchronous Permanent Magnet Coupler Shaft Eccentric Transmission without Additional Load Characteristics

HUANG Jia-tian1, CUI Li-chun2, ZHANG Nan3
(1.Navy Qingdao Equipment Repair Supervisor Room, Qingdao 266001, China; 2.Chinese People's Liberation Army No.4808 factory, Qingdao 266001, China; 3.No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

This paper introduces the working principle of asynchronous permanent magnet coupler.Through the simulation analysis, it is proved that the coupler output torque is the result of the force & coupling effect.It also explains the mechanism that the coupler works in the shaft eccentric state without attached load.The symmetrical structure design makes the coupler generate no additional load in the angular deviation state of transmission.

asynchronous permanent magnet coupler; shaft eccentric; transmission characteristics

TH133.4

A

黄家田（1969-），男，高级工程师。研究方向：船舶辅机机动力设备研究。