双气隙双实心电磁感应式磁力联轴器传动特性分析

郑华， 田杰

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

双气隙双实心电磁感应式磁力联轴器传动特性分析

郑华， 田杰

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

磁力联轴器结构简单，传动效率高，应用广泛，对其传动特性的分析研究有着重要意义。文中依据电磁感应原理，提出一种双面气隙双层实心的电磁感应式磁力联轴器结构，运用Ansoft Maxwell软件建立有限元分析计算模型，进行静磁场分析，并针对影响传递转矩的永磁铁磁极对数、永磁铁厚度、气隙厚度、内转子外层厚度等结构参数进行数值分析，得出各结构参数对磁力联轴器传递性能的影响规律，丰富了磁力传动的理论与应用，为磁力联轴器的结构优化提供了理论基础。

电磁感应式磁力联轴器；双面气隙；双层实心；传递转矩；有限元

0 引言

近年来随着科学技术的发展，磁力联轴器的技术得到了迅速发展，应用领域也在不断扩大。磁力联轴器一般以永磁铁作为机械设备执行器或传动部件的动力源，利用磁力耦合作用来实现转矩或力的传递。磁力联轴器的主、从动轴没有直接接触，不存在摩擦损耗，振动小，便于控制，传动效率高，相比于机械式联轴器更具优势[1]。

传统单面气隙磁力联轴器普遍存在轴向力大的缺陷，针对这一问题，提出一种双面气隙磁力联轴器结构，并且发挥实心转子本身具有的良好启动性能、结构简单、便于加工和工作可靠等优点[2]，采用双面实心结构作为该磁力联轴器的从动盘，进一步改善其性能。

双气隙双实心电磁感应式磁力联轴器主结构由主、从动盘总成构成，主从动盘之间设立双层间隙。磁力联轴器永磁铁分布于主动盘上，永磁铁NS交叉顺序布置且轴向磁化。双实心转子表面附着铜导体，传递效率高，可以实现电动机软启动，避免产生起步过载的现象。具体工作原理为：电动机启动，主动盘旋转切割磁感线，感应电流产生磁场，与原磁场耦合，驱动从动盘外转子转动，实现电动机与负载之间转矩的传递。可以通过调节主动盘和从动盘之间的气隙改变磁场，进而控制转矩与输出功率的大小[3]，具体结构如图1所示。

图1 磁力联轴器总体结构

1 有限元计算模型建立及静磁场分析

Ansoft Maxwell 2D/3D是一款功能强大的有限元分析软件，主要用于机电设备和电磁设备的二维、三维的仿真分析，包括静电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块。

采用Ansoft Maxwell建立磁力联轴器的有限元计算模型，进行静磁场分析[4]，模拟其启动过程，并对影响磁力联轴器转矩的关键结构参数做进一步分析研究。由于磁力联轴器采用轴向磁化，需要采用Ansoft Maxwell 3D建立三维模型来分析。磁力联轴器整个模型关于主动转盘对称，可以建立1/2模型进行分析，如图2所示。

图2 电磁感应式联轴器的三维模型

Maxwell系统材料库中没有永磁铁材料，需要单独定义材料属性，其中，定义剩余磁感应强度Br值为1.25 T，矫顽力Hc值为-947000A/m，设置Bulkconductivity为2000000，同时设置X轴正向为磁化方向。Ansoft Maxwell可以进行自适应网格划分，针对最大误差区域进行网格细化处理，得到较高的网格密度。联轴器三维模型网格划分如图3所示。

图3 模型网格划分

在磁力联轴器的分析中，永磁铁本身就是激励源，因此不必施加额外的激励。对于三维静磁场分析，只需要选择求解域边界，设置为无穷远处，表示此处的磁感应强度为零。求解得到磁场分布如图4所示。

图4 磁感应强度云图

2 联轴器各结构参数对传递转矩的影响

传递转矩是磁力联轴器的重要评价指标，分析研究影响传递转矩的因素极具意义。影响磁力联轴器传递转矩的结构参数主要包括永磁铁磁极对数、永磁铁厚度、气隙厚度、内转子外层厚度[5]。下面从这4个方面分析它们对磁力联轴器传递转矩的影响。

1）永磁铁磁极对数对传递转矩的影响。

图5 不同磁极对数下的传递转矩变化曲线

磁极对数一直以来都是磁力联轴器结构设计的一个重要参数。磁极对数直接影响着磁场分布状况，决定了气隙磁场强度大小，因此对电磁感应式磁力联轴器的传递转矩有着重要的影响。将磁极对数作为单因素变量，变化值设为4、8、12、16、20，得到不同磁极对数的磁力联轴器传递转矩随时间的变化曲线，如图5所示。

由图5可知，传递转矩随时间先增大后减小，并逐渐趋于稳定。这是由于磁力联轴器刚启动时，工作磁场主要由主动盘上的永磁体提供，随后从动盘上的铜导体切割磁力线产生的感应磁场与永磁体的磁场相互叠加产生更大的感应电流，如此反复，即感应电流先增加后减小最后趋于平稳。同时，随着磁极对数的增加，关系曲线变化越平滑，说明增加磁极对数可以降低联轴器的振动。其中，由于传递转矩有顺时针或逆时针，因此传递转矩数值存在正负之分，但此处仅需关注传递转矩绝对值的大小。转矩趋于稳定时，可以得到输出转矩随磁极对数变化的关系曲线，如图6所示。

图6 输出转矩与磁极对数的关系

由图6分析可知，在一定的范围之内，传递转矩随着磁极对数的增加而逐渐上升，随后呈现下降趋势。

2）永磁铁厚度对传递转矩的影响。

永磁体厚度对联轴器的传递转矩有着重要影响。在其他结构尺寸一定的情况下，永磁体厚度越大，传递的转矩也越大，但是增大永磁体厚度，制造成本会急剧增加。因此，应当在满足传动要求的前提下合理地选择永磁体厚度。将永磁体厚度作为单因素变量，变化值设为4、6、8、10、12，得到不同永磁体厚度下的传递转矩随时间变化曲线，如图7所示。

图7 不同永磁体厚度下的传递转矩随时间变化曲线

由图7可知，起初随永磁体厚度增大，转矩也相应增大；但当永磁体厚度增大到一定程度，转矩的增大程度反而不大，这是由于随着厚度的进一步增大，磁阻以及漏磁相应增大，所增加的磁场的密度几乎全部消耗掉，虽然输出转矩依然在增加，但是增加幅度明显降低且大大降低磁力联轴器永磁体的利用率。联轴器输出转矩随永磁铁厚度变化的关系曲线如图8所示。

图8 输出转矩与永磁体厚度的关系

综合考虑永磁体的生产制造成本及利用率，永磁体厚度h为12 mm时为佳。

3）气隙厚度对传递转矩的影响。

理论上，气隙厚度越小，气隙磁场强度越大，传递转矩也越大。但是气隙的大小直接关系到装配的难易程度，气隙越大，装配精度越低，装配也就越容易，气隙越小，装配精度越高，装配也就越难，因此合适的气隙厚度对联轴器的设计至关重要。将气隙厚度作为单因素变量，变化值设为1、3、5、7、9，得到不同气隙厚度下的传递转矩随时间的变化曲线，如图9所示。

传递转矩随气隙厚度变化的关系曲线如图10所示。从图中可以看出，随着气隙厚度增大，传递转矩逐渐减小，呈下降趋势。综合考虑联轴器的制造成本和装配精度，气隙厚度取值为1 mm时最佳。

4）内转子外层厚度对传递转矩的影响。

图9 气隙变化下的传递转矩

图10 传递转矩与气隙的关系

磁力联轴器内转子的铜盘主要作用于切割磁感线产生感应磁场，因此内转子铜盘厚度即内转子上外层厚度直接关系到传递转矩的大小，对传递性能有着显著影响。将内转子外层厚度作为单因素变量，变化值设为2、4、6、8、10，得到内转子外层厚度下的传递转矩随时间的变化曲线，如图11所示。

图11 不同内转子外层厚度下的传递转矩

传递转矩随内转子外层厚度变化的关系如图12所示，从图中可以看出，随着内转子外层厚度增加，传递转矩先增大后减小，在中间处取得最大值。内转子外层厚度不能太大亦不能太小：若厚度太大，外层磁阻增大，阻碍磁力线透入内转子内层，从而导致传递转矩降低；若厚度太小，电阻越大，铜损耗越大，从而导致传递转矩降低，效率降低。从曲线图可以看出，内转子外层厚度4 mm左右时，磁力联轴器传递转矩最大，此时为最佳。

图12 传递转矩与内转子外层厚度的关系

3 结论

针对传统单气隙磁力联轴器结构，提出一种新的双气隙双实心电磁感应式磁力联轴器结构，利用有限元软件分析其静磁场，并研究各结构参数对传递转矩的影响规律，丰富了磁力传动的理论与应用，为磁力联轴器的结构优化提供了理论基础。

[1] 梅顺齐,张智明.轴向磁力耦合驱动机构的设计方法研究进展[J].中国机械工程,2011,22(19):2375-2381.

[2] 赵韩,王勇,田杰.磁力机械研究综述[J].机械工程学报,2003,39(12):31-36.

[3] 王晶晶,郑鹏飞.磁力联轴器研究发展现状[J].现代商贸工业,2013(1):197-198.

[4] 黄海.采用ANSYS软件进行永磁电动机的磁场分析[J].船电技术,2001,21(2):9-13.

[5] 杨超君,郑武,李直腾,等.轴向磁化多环磁力联轴器的三维磁场计算及分析[J].微电动机,2011,44(9):9-12.

Transmission Characteristics Analysis of Double-gap Double-solid Electromagnetic Induction Type Magnetic Coupling

ZHENG Hua,TIAN Jie
(School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China)

The magnetic coupling has the advantages of simple structure,high transmission efficiency and wide application.Based on the principle of electromagnetic induction,an electromagnetic induction magnetic coupling structure with double-gap and double-layer solid is presented.And this paper uses Ansoft Maxwell software to establish the finite element analysis model,and its static magnetic field analysis is given.The structural parameters of the permanent magnet pole,the thickness of the permanent magnet,the thickness of the inner rotor and the outer rotor thickness are analyzed according to the influence of transmission torque,and the influence of each structural parameter on the performance of magnetic coupling is obtained.It enriches the theory and application of magnetic transmission,provides a theoretical basis for optimizing the structure of magnetic coupling.

electromagnetic induction type magnetic coupling;double-gap;double-solid;transmission torque;finite element

TH 133.4

A

1002－2333（2018）01－0066－04

（编辑黄 荻）

郑华（1989—），女，硕士研究生，研究方向为数字化设计；

田杰（1968—），男，教授，硕士生导师，研究方向为磁力机械、数字化设计。

2017-03-04