绕线式永磁转差离合器的设计研究

江浩斌，赵 回，唐 斌

(江苏大学，镇江 212013)



绕线式永磁转差离合器的设计研究

江浩斌，赵 回，唐 斌

(江苏大学，镇江 212013)

绕线式永磁转差离合器是一种新型的非接触式传动装置，根据一种重型车辆新型电控液压助力转向系统(E-ECHPS)中传动机构的需求设计了绕线式永磁转差离合器，建立了二维电磁场有限元模型。在瞬态分析中，空载反电势波形的正弦度高，谐波畸变率低，负载情况下绕线式永磁转差离合器能够满足E-ECHPS系统最大功率和平稳运行的要求。参数化分析得到了转矩-转差特性，临界转差低于200 r/min，可以确保功率传递的高效率。提出的设计方法对于绕线式永磁转差离合器研究具有理论指导意义和实际参考价值。

永磁转差离合器；非接触式传动；转差；电磁场有限元；分数槽

0 引 言

电磁转差离合器以其无机械磨损、性能稳定可靠、控制方便、可实现无级变速等优点而广泛应用于造船、造纸、纺织、冶金、起重机械和汽车变速器等有关拖动系统中[1-2]。磁粉离合器是以磁粉为工作介质来传递转矩的一种电磁离合器，可以通过调节励磁电流改变磁粉间的电磁力，实现传递转矩的变化，在工业自动化控制领域应用广泛[3]。现代电力传动技术中，永磁调速装置占据着重要地位。在永磁非接触式调速器理论和实验研究方面，Wallace A等在盘式永磁涡流耦合器上做了大量研究，运用永磁涡流传动的核心技术在导体盘和永磁体盘之间传递转矩，并采取低电压变频驱动的方式实现调速[4-5]。刘伟和Amged S则是通过机械方式改变导体盘和永磁体盘的轴向间距以调节气隙厚度，达到调速目的[6-7]。杨超君等研究了18极16槽盘式异步磁力联轴器的传动特性，得出不同工作参数对该磁力联轴器传递转矩和传动效率的影响[8]。

绕线式永磁转差离合器是一种新型的非接触式永磁传动装置，内转子磁极采用永磁体励磁是其与电磁转差离合器的主要区别。相比传统电磁转差离合器，绕线式永磁转差离合器的内转子无需设置直流绕组进行励磁，体积和转动惯量更小，动平衡性能更好，同时节省了直流励磁的电能。相比盘式永磁涡流耦合器，绕线式永磁转差离合器不会产生由涡流传动所造成的大量热量损失，在高转差时利用外控制电路可对外转子三相绕组产生的转差能量进行回收，实现更高效率的动力传动。

本文对绕线式永磁转差离合器进行相关理论研究与分析，根据一种重型车辆新型电控液压转向系统中调速传动机构的需求设计了绕线式永磁转差离合器，对其进行了二维电磁场有限元的空载与负载仿真，结果表明所设计的绕线式永磁转差离合器可以满足理想设计需求。将该绕线式永磁转差离合器进行再设计与优化可以运用于更多传动场合。

1 机械结构与工作原理

1.1 机械结构

绕线式永磁转差离合器的机械结构如图1所示。

图1 绕线式永磁转差离合器的结构示意图

绕线式永磁转差离合器主要包括外转子电枢部分、内转子磁极部分和外控制电路。外转子内嵌有三相绕组，三相绕组通过滑环和电刷与外控制电路电气连接，内转子上表贴永磁体，构成隐极式内转子结构。外转子作为输入端与主动轴相连，内转子作为输出端与从动轴相连，内外转子同心旋转，无机械联系。

1.2 工作原理

绕线式永磁转差离合器安装在主动轴与负载轴之间。永磁体在内转子磁极中建立起恒定的主磁场，当外转子由主动轴拖动旋转时，电枢部分切割主磁场，在三相绕组内引起感应电流，形成的电枢磁场与主磁场交链从而在内外转子间建立起电磁转矩，这一转矩则带动内转子及其所联结的负载轴以某一转速旋转，转矩大小取决于主磁场强度和内外转子转速差。内转子随外转子旋转在本质上相当于感应电机的转子随定子绕组的旋转磁场旋转。

2 设计要求

本文从实际应用的角度出发，根据一种重型车辆新型电控液压助力转向系统(E-ECHPS)中所需的调速传动机构对绕线式永磁转差离合器进行设计[9]。该新型电控液压助力转向系统在发动机与转向泵之间安装传动机构，依靠调速实现转向泵不同工况下所需的转矩和转速。

首先在重型车辆发动机舱内安置附加的传动机构必须考虑空间合理性，所占用的空间尽量小。经调研分析后，确定绕线式永磁转差离合器的最大外径不大于200 mm，最大轴向尺寸不大于120 mm。在外形尺寸允许的范围内，绕线式永磁转差离合器的输出功率需要达到系统要求。由于E-ECHPS系统在不同工况下是变功率输出，因此按照电机功率匹配的方法，对系统在指定运行点输出最大功率的工况进行匹配，即重型车辆发动机怠速转速约700 r/min时，转向泵能够获得40 N·m转矩及600 r/min转速的输入，且转矩转速的波动要尽量小。指定运行点最大输出功率工况符合条件后，通过外控制电路的调速可实现转向泵在其他小功率工况时的功率输出。表1是绕线式永磁转差离合器的基本设计要求。

表1 绕线式永磁转差离合器的设计要求

3 二维有限元模型

3.1 本体

首先对绕线式永磁转差离合器的二维有限元模型做如下假设：忽略温度对永磁体退磁的影响；忽略机械结构端部的漏磁；忽略铁心的磁滞和涡流损耗。

本文的绕线式永磁转差离合器在极槽配合上采用16极18槽的分数槽结构，可有效降低齿槽转矩，减小转矩波动[10]，并选择双层的短距集中绕组，有利于改善电动势和磁动势的波形。由于绕线式永磁转差离合器的外转子由主动轴拖动旋转，无需永磁电机普遍性的启动问题，所以内转子磁路结构采用表贴式，永磁体表贴同时能有效降低漏磁系数，后期利于对磁极优化得到更高正弦度的气隙磁密波形[11]。绕线式永磁转差离合器的基本参数如表2所示。图2和图3分别是二维模型的结构图和网格剖分图。

表2 绕线式永磁转差离合器的基本参数

图2 绕线式永磁转差离合器模型图图3 绕线式永磁转差离合器网格剖分图

3.2 外控制电路

外控制电路与外转子三相绕组电气连接，以实现绕线式永磁转差离合器的调速控制，如图4所示。

外控制电路中，LPA,LPB,LPC代表外转子三相绕组，La,Lb,Lc和Ra,Rb,Rc代表三相绕组的端部电感和直流电阻值，取值分别为4.824×10-6H和0.41 Ω。Rla,Rlb,Rlc是三相绕组的负载阻抗，改变该负载阻抗即可对内转子进行调速，使绕线式永磁转差离合器输出不同功率，实现相同转差下输出转矩的变化或者相同负载下内外转子转差的变化。通过数字可编程电位器可对负载阻抗值进行自动化控制。

图4 外控制电路图

4 二维电磁场的瞬态分析

本文运用Ansoft Maxwell电磁分析软件对绕线式永磁转差离合器进行瞬态分析。Ansoft 3D剖分质量不易控制，易导致设计精度不如Ansoft 2D，此外,Ansoft 3D会耗费大量计算机资源和时间。绕线式永磁转差离合器在结构与原理上可归为旋转电机类，故对其进行二维电磁有限元分析。

4.1 空载仿真

空载仿真主要是查看绕线式永磁转差离合器外转子绕组的空载反电势，反电势波形的正弦程度非常重要，一般情况下，反电势的正弦度越高，输出的转矩波动越小[12]。

本文选取转差200 r/min时的工作运行点进行空载仿真，得到外转子绕组的空载反电势及其傅里叶分解图如图5和图6所示。由图可知，空载反电势波形的正弦度很高，傅里叶分解图中基波幅值约39 V，谐波次数少，其中三次谐波幅值最大，约4 V，总谐波畸变率低，利于后期负载仿真。由于采用分数槽集中绕组，故出现了分数次谐波，以4作为分数次的分母是因为16极18槽的单元电机是8极9槽，单元电机的极对数是4。

图5 空载反电势波形

图6 空载反电势傅里叶分解

4.2 负载仿真

负载仿真是对E-ECHPS系统的最大功率工况进行匹配，验证所设计的绕线式永磁转差离合器是否能满足表1中提出的要求。

4.2.1 最大功率工况

根据设计要求，设定外转子定转速700 r/min，内转子考虑机械瞬态情况，初始转速为300 r/min，负载为40 N·m，仿真结果如图7～图9所示。

图7 内外转子转速

图8 内外转子转矩

图9 外转子三相绕组感应电流波形

图7是内转子转速的仿真结果，内转子在40 N·m负载的情况下能够达到600 r/min的转速输出，转速波动小于5 r/min，且稳定时间低于0.05 s，响应敏捷性高。图8是内转子转矩的仿真结果，内转子输出转矩在0.03 s后与40 N·m的负载转矩相平衡，转矩波动小于2 N·m，表明本文设计的绕线式永磁转差离合器平稳度高。内外转子转矩的绝对值相等，符合力的作用是相互的基本原理，验证了绕线式永磁转差离合器在结构设计上的合理性。图9是外转子绕组的三相感应电流，A相、B相和C相绕组的感应电流有效值分别是11.759 9 A,11.765 8 A和11.670 8 A。与空载反电势一样，外转子三相感应电流波形拥有很高的正弦度。本文通过分数槽、双层短距集中绕组、外转子齿形等一系列优化方式，不仅使绕线式永磁转差离合器满足了最大功率要求，而且成功降低了输出转矩与转速的波动。

4.2.2 转矩与转差的参数化分析

绕线式永磁转差离合器作为一种非接触式传动装置，主要作用是实现主从轴之间的调速，在转差变化时其输出转矩足够驱动负载才能实现稳定调速，因此转矩-转差特性是其重要特性之一。本文以内外转子转速差为参数、输出转矩为目标对绕线式永磁转差离合器进行了参数化分析，结果如图10所示。

图10 转矩T与转差ns的关系曲线簇

图10是内转子输出转矩T与内外转子转速差ns的关系曲线簇。随转差ns的增大，输出转矩T也增大，但转差ns在150 r/min和200 r/min时的输出转矩基本相等，说明临界转差ne在150 r/min与200 r/min之间，即此时转差离合器达到峰值转矩Tm。本文将转差进行更为细化的参数化分析，计算出平均输出转矩，导出数据后得到平均转矩与转差ns的关系曲线，如图11所示。

图11 平均转矩与转差ns的关系曲线

由图11可见，临界转差ne为180 r/min，此时绕线式永磁转差离合器的内转子输出峰值转矩Tm=48.986 0 N·m。临界转差ne之后，输出转矩随转差增加而缓慢降低，这是因为功率因数开始下降。本文通过优化外转子绕组阻值的方式来调整临界转差ne，以适应E-ECHPS系统最大功率运行点转差小于200 r/min的需求。最大功率输出时，转差越小，绕线式永磁转差离合器的效率越高。

5 结 语

本文从实际应用的角度出发，根据一种重型车辆新型电控液压转向系统(E-ECHPS)中传动机构的需求设计了一种新型的非接触式永磁传动装置绕线式永磁转差离合器，建立了二维电磁有限元分析模型与外控制电路。

瞬态分析中，空载反电势波形的正弦度高，反电势的傅里叶分解图中谐波畸变率低，负载情况下绕线式永磁转差离合器可以达到E-ECHPS系统最大功率要求，且运行的平稳度和响应敏捷性高。参数化仿真了绕线式永磁转差离合器的输出转矩与转差的关系，在临界转差前，输出转矩随转差增大迅速增大，临界转差后转矩随转差增大缓慢减小，临界转差可以根据需要而调整设计。

该绕线式永磁转差离合器的设计为更多基于电磁力学原理的传动装置打下了基础，对新型非接触式永磁传动装置的设计与优化具有理论指导意义和实际参考价值。

[1] 程福秀，朱志成．电磁滑差离合器[J]．上海交通大学学报，1965(2)：31-55．

[2] 罗玉涛，周斯加，赵克刚，等．电磁耦合无极变速传动系统[J]．机械工程学报，2006，42(8)：35-39．

[3] 周云波，常思勤．磁粉离合器仿真分析研究[J]．中国机械工程，2010，21(10):1149-1152．

[4] WALLACE A，JOUANNE A，JEFFRYES R，et al．Comparison testing of an adjustable-speed permanent-magnet eddy-current coupling[C]//IEEE Pulp and Paper Industry Technical Conference．Atlanta：IEEE Service Center，2000：73-78．

[5] WALLACE A，JOUANNE A，WILLIAMSON S．Performance prediction and test of adjustable，permanent-magnet，load transmission system[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2001，3：1648-1655．

[6] 刘伟，佟强，杨帛润，等．永磁调速器的有限元分析与性能计算[J]．微特电机，2015，43(4)：10-13．

[7] AMGED S，El Wakeel．Design optimization of PM couplings using hybrid Particle Swarm Optimization-Simplex Method (PSO-SM) Algorithm[J]．Electric Power Systems Research，2014，116：29-35．

[8] 杨超君，管春松，丁磊，等．盘式异步磁力联轴器传动特性[J]．机械工程学报，2014，50(1)：76-84．

[9] 江浩斌，徐哲，唐斌，等．基于电磁离合器的重型车辆节能型电控液压转向系统[J]．汽车安全与节能学报，2014，5(2)：201-208．

[10] 郁亚男，黄守道，成本权，等．绕组类型与极槽配合对永磁同步电动机性能的影响[J]．微特电机，2010，38(2)：21-23．

[11] 王秀和．永磁电机[M]．2版．北京：中国电力出版社，2011．

[12] 陈文敏，刘征艮，刘海．电动汽车用调速永磁同步电动机分析与设计[J]．微特电机，2014，42(11)：21-24.

Research on Design of Wound-Rotor Permanent Magnet Slip Clutch

JIANGHao-bin,ZHAOHui,TANGbin

(Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

Wound-rotor permanent magnet slip clutch is a novel contactless transmission. It was designed based on the requirement of a new type of the heavy vehicles' electro-hydraulic power steering system (E-ECHPS) and its finite element model in 2D electromagnetic field was established. In the transient analysis, the sine degree of no-load back-EMF is high while its harmonic distortion rate is low. Under load condition, wound-rotor permanent magnet slip clutch can meet the demands of E-ECHPS for both maximum power and steady operation. Torque-slip characteristic was achieved by parameterized method. The critical slip is less than 200 r/min, that can assure the high efficiency of power transmission. The provided method has theoretical guiding significance and practical reference value for the research on wound-rotor permanent magnet slip clutch.

permanent magnet slip clutch；contactless transmission；slip；finite method for electromagnetic field；fractional-slot

2015-06-01

TM351

A

1004-7018(2016)07-0013-04

江浩斌，男，博士，教授，研究方向为车辆动力学性能分析与电控技术。