设计参数对轴向永磁联轴器的影响

田杰， 龚昌富

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

设计参数对轴向永磁联轴器的影响

田杰， 龚昌富

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

系统地介绍了轴向永磁联轴器的工作原理与特点。运用Ansoft软件初步分析联轴器的磁场强度和磁场矢量分布；根据等效磁荷理论建立轴向永磁联轴器的数学模型，通过大量的Matlab计算，分析联轴器关键参数（永磁体尺寸、磁偏角、磁极对数、气隙等）与转矩的关系，为设计提供依据。

轴向永磁联轴器；数学模型；传递转矩；Matlab

0 引言

磁力联轴器是机械传动系统中的一个重要部件，其靠永磁体之间的磁力作用实现机械能量和转矩的传递。结构上采用静密封替代传统的动密封，从根本上解决工业传动装置中的泄漏问题[1-2]。随着第三代稀土永磁材料特别是Nd-Fe-B材料的发现，磁力联轴器得到了空前的发展。基于此技术研发的磁力联轴器具有隔震减震、过载保护、允许对中误差、稳定性高等特点。被广泛地运用于化工机械、仪表及食品、真空等行业。

本文基于等效磁荷理论，建立磁力联轴器的数学模型并进行分析计算，可以有效地降低计算的复杂程度。通过仿真分析永磁联轴器各关键参数的影响，进而对尺寸进行了优化选择；对结果进行验证，最终得到合适的尺寸。在此基础上，进行了转矩为50 N·m、转速为1450 r/min的轴向永磁联轴器的设计。

图1 轴向永磁联轴器的结构简图

1 结构及工作原理

磁力联轴器与传统联轴器的不同之处在于:主动轴与被动轴之间无直接接触，通过永磁体之间的磁力作用传递转矩和转速。本文研究的轴向永磁联轴器的结构简图如图1所示，从图1中可以看出，轴向永磁联轴器主要由主、从转动磁盘组成。在主动轴和从动轴上都装有法兰盘，两盘上镶有数量相等且相对排列着的N极和S极永磁体，永磁体采用轴向充磁。两法兰盘与轴相对安装，中间留有间隙。当主动盘在电机的带动下旋转时，从动盘通过磁力被带动着一起旋转，从而传递转速和转矩。

2 仿真模型

为了解轴向永磁联轴器的磁力线及磁场分布，先在Ansoft软件中初步建立仿真模型。其中永磁体材料属性为：Hc和Br数值分别为-947000A_per_meter和1.25testa，Bulk conductivity为2 000 000，并设置相应的磁化方向。在联轴器外部建立空气罩，将其边界条件设为Balloon boundary(气球边界)[8]，仿真结果如图2～图3所示。

图2 整体磁场强度云图

图3 整体磁场矢量云图

从图2可以看出，轴向联轴器轭铁外部磁场强度基本为零，靠近主、从动永磁体盘中心部分的磁场强度比较小；而N、S极永磁体相接触处，磁场强度达到最大。且永磁体盘上磁场强度分布具有周期性的变化规律。从图3的磁密矢量分布可以看出，磁力线从垂直于纸面方向看去有进有出，且相邻的一对磁极磁力线的方向相反，形成的主磁路走向，即为主动磁盘永磁体N极→气隙→主动磁盘永磁体S极→气隙→主动磁盘永磁体N极，从而形成磁回路。

3 轴向永磁联轴器各参数对转矩的影响

在工程计算中，转矩的计算方法有等效磁路法、图解法、解析法和近似解析法、数值计算方法、模拟法等。本文运用等效磁荷法推导出转矩的表达式，进而研究联轴器各结构参数转矩的关系。其主要尺寸包括永磁磁块内径R1，磁块外径R2，磁块厚度h，磁极对数m，气隙g。

3.1 磁偏角对静态转矩特性的影响

定义主、从动转子之间的相对转角位磁偏角，根据Matlab分析计算得到静态转矩随磁偏角的变化曲线，如图4所示。

图4 磁偏角对静态转矩特性的影响

从图4中可以看出，所传递的转矩随磁偏角的变化呈一近似的正弦变化趋势，即当主、从动磁环之间的磁偏角φ=0°和φ=30°时，所传递的转矩为零；当磁偏角处于0°<φ<15°时；两磁盘所能传递的转矩随着磁偏角的逐渐增大而增大。当磁偏角φ=15°时，两磁盘所能传递的转矩达到最大值；当磁偏角处于15°<φ<30°时，两磁盘所能传递的转矩随着磁偏角的逐渐增大而减小。

3.2 磁级对数对转矩的影响

磁极对数是轴向永磁联轴器的一个重要设计参数，磁极对数影响着磁场的分布状况，决定了气隙磁场强度大小，因此分析磁极对数与轴向永磁联轴器的传递转矩关系十分必要。选取磁极对数m分别为4、8、12、16、20、24进行传动力矩仿真计算，得到转矩随磁极对数变化的关系曲线，如图5所示。

图5 磁级对数对转矩的影响

从图5中可以看出，在其他参数不变的情况下，当磁极对数在0～12内变化时，传递转矩随着磁极对数的增大而呈现逐渐上升趋势。但当磁极对数超过12后，传递转矩会随着磁极对数的增加呈现下降的趋势。因此，磁极对数并不是越多越好，在适当范围内增加永磁体的磁极对数，有助于提高系统的传递能力，永磁体磁极对数m的最佳值一般选在转矩T增长缓慢的拐点处。因此，本文的轴向永磁联轴器的最佳磁极对数m取12极。

3.3 磁块内径对转矩的影响

永磁体的磁场强度与永磁体尺寸相关，因此磁块内径对传动转矩有着重要影响。其他参数保持不变，曲线内径对分别为73 mm、75 mm、77 mm、79 mm、81 mm、83 mm进行传动转矩矩仿真计算。仿真结果如图6所示。

图6 磁块内径对转矩的影响

由图6可知，轴向永磁联轴器所递转矩随磁块内径的不断增加而减小，在磁块厚度、磁块外径等参数不变的情况下，当内径尺寸大小趋于外径时，传递转矩趋于零。

3.4 磁块外径对转矩的影响

在磁块内径和厚度不变的情况下，磁块外径越大，所储存的能量也越大，能够传递的转矩也越大。取磁块外径分别为89 mm、91 mm、93 mm、95 mm、97 mm、99mm进行传动转矩仿真计算。仿真结果如图7所示。

图7 磁块外径对转矩的影响

由图7可知，轴向永磁联轴器所能传递的转矩随磁块外径的增大其变化趋势明显，说明磁块外径的尺寸大小对联轴器的传递转矩影响非常大。理论上，磁块外径越大，所能传递的转矩越大。由于永磁体所消耗的磁体体积与磁环径向尺寸的平方成正比，因此从制造成本的角度考虑，磁块的外径并不是越大越好。

3.5 气隙大小对转矩的影响

磁力联轴器的转矩传递，主要靠气间隙磁场的作用，且气隙的大小直接影响到装配的难易程度。取气隙值分别为4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm进行传动转矩仿真计算，仿真结果如图8所示。

图8 气隙大小对转矩的影响

永磁联轴器工作气隙中的磁场强度是两磁盘上永磁体磁场的叠加效应。由图8可知，主、从动磁环的传递转矩随着工作气隙g的不断增大而减小。先线性减小而后又转为越来越平缓的减小。另外从图8中可以推知，随着气隙的不断增大，所传递的转矩将会趋于零。因此可以在容许范围内选择减小气隙长度g来增加磁传递力矩T，从而提高轴向永磁联轴器的磁传动性能。

3.6 磁块厚度对转矩的影响

磁块厚度也是联轴器的一个重要参数，取磁块厚度分别为4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm进行传动转矩仿真计算，仿真结果如图9所示。

图9 磁块厚度对转矩的影响

由图9可知，当磁块厚度在0～8 mm内变化时，联轴器传递的力矩随磁块厚度的增加而不断地增大。这是因为磁块的厚度h越大，所产生的磁势越大，所能提供的气隙磁密度也就越大，可以传递的转矩就越大。当厚度h>8 mm时，随着厚度h的增大，虽然传递转矩在增加，但是其增加的幅度却在逐渐降低。这是因为磁阻的增加在抵消磁电动势的增加，即漏磁现象会越来越严重。综合传递性能及制造成本考虑，选择磁块厚度h=8 mm。

4 结 论

1）经过优化后计算后可得到最佳结构参数：永磁盘内外径分别取为79 mm、95 mm；主、从磁盘气隙取5 mm，材料为铷铁硼时，最优永磁体极数为12，永磁体厚度为8 mm。设计者可根据这些参数对联轴器进行新的设计，即先设计联轴器的内部结构，再设计联轴器的外部结构。

2）永磁盘直径和永磁体的材料是对联轴器传递的转矩影响最大的两个参数，永磁体的厚度和永磁体极数对传递转矩的影响相对来说较小。

3）各个参数之间具有耦合作用，即需要通过优化设计来考虑各个参数的相互影响，本文没有解决这个问题，尚需进一步研究。

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Influence of Design Parameters on Axial Permanent Magnet Coupling

TIAN Jie，GONG Changfu
（School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China）

This paper introduces the working principles and the advantages of the axial permanent magnet coupling systematically.Based on the equivalent magnetic charge theory,the mathematical model of the axial permanent magnet coupling is established using Ansoft software for analyzing the magnetic field strength and the magnetic flux density distribution of the coupling.The key parameters of the coupling（permanent magnet size,Magnetic declination,the number of magnetic poles,air gap,etc.）and the relationship between torque are analysed to provide the basis for the design.

axial permanent magnet coupling;mathematical model;transmission torque;Matlab

TH 133.4

A

1002－2333（2018）01－0026－04

（编辑昊 天）

田杰（1968—），男，教授，硕士生导师，主要研究方向为机构学、磁力机械、制造资源计划等；

龚昌富(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为数字化设计与制造。

2017-04-05