永磁涡流联轴器模型结构合理性的试验验证

李延民，朱永建，胡 钡

（郑州大学机械工程学院，河南 郑州450001）

1 引言

永磁涡流联轴器是一项新近开发的新技术，可实现主、从动轴不接触达到转矩传递的目的，易于实现软启动、过载保护，同时极大的减小了整体结构的振动，有助于提高传动的可靠性，提高系统的使用寿命［1］。

国内对永磁联轴器的研究起步较晚，并且多偏向于理论仿真研究，而对实际的结构模型缺乏试验验证。本文简述永磁涡流联轴器的结构、工作原理以及理论分析［3-4］，运用Ansoft［5］软件对模型结构进行有限元分析，最后通过试验台对模型进行试验验证，通过仿真数据与试验数据的对比分析，验证模型结构的合理性。同时对转速差进行试验［6-7］，得出满足输出转矩时转速差的范围。

2 工作原理

永磁涡流联轴器由主动端和从动端构成，主动端包括导磁盘和铜盘为主，从动端包括导磁盘、铝盘、永磁体。永磁体成环形N、S极相互交错内嵌于铝盘体内。基本结构，如图1所示。

图1 永磁涡流联轴器的基本结构.Fig.1 Basic Structure of Permanent Magnet Eddy Current Coupling

工作原理：铜盘随着电机的启动而快速旋转，铜盘因切割的磁感线，在铜盘表面形成圆周分布的涡电流，涡电流会形成反感磁场，并且与永磁体产生的磁场相互作用实现转矩的传递。

3 转矩计算的数学模型

永磁联轴器的模型结构，如图2所示。其中，δ-气隙（mm），H-导磁铁厚度（mm），HC-铜盘厚度（mm），HW-永磁体厚度（mm），R1-永磁体外径（mm），R2-永磁体内径（mm）。

图2 永磁涡流联轴器一侧分析模型Fig.2 The Analysis Model of the Permanent Magnet Eddy-current Coupling

计算时记Ω-整个求解域为，Г1-模型的内外侧面，Г2-不同介质交界面，为Г3-导体盘沿从动转子半径方向的侧面，在Ω内求解磁矢位B：

式中：β—磁阻率，n-Г2、Г3的法向量。μ0—空气磁导率，钕铁硼N35材料取β≈1/1.099μ0。由磁矢位A可得磁感应强度B：

根据式（2）求得场强B，从而得到永磁涡流联轴器的转矩为：

式中：V—气隙的体积（mm3）；R1—导体盘的外半径（mm），R2—导体盘的内半径（mm）。

3 仿真模型的建立与研究

图3为仿真模型基本结构。设计的永磁涡流联轴器为对称结构，因此仿真时对单面结构进行有限元分析，当转矩达到一半时即可满足传递需求。

图3 永磁涡流联轴器仿真模型Fig.3 Simulation Model of Permanent Magnet Eddy-current Coupling

进行系列化参数研究时，仿真过程中设定的常参数，如表1所示：

表格1分析模型基本参数Tab 1 Analysis Model Basic Parameters

4 试验验证

4.1 试验装置

为永磁涡流联轴器的试验平台，为便于试验，样机采用的依旧是单面结构。试验时Y132三相异步电机为样机提供动力，CZ5磁粉制动器通过调节张力控制仪为样机提供负载。利用ZH07转矩转速传感器可测量转矩、转速。利用此试验平台达到以下试验的目的，如图4所示。

图4 永磁涡流联轴器的试验平台Fig.4 Test Platform of Permanent Magnet Eddy Current Coupling

（1）结构合理性的试验验证

（2）转速差的试验验证

4.2 结构合理性的试验

4.2.1 试验方案

试验前，为确保试验数据的准确性，需检验传感器的零点是否发生漂移，否则要进行归零设置。试验开始时，通过磁粉制动器张力控制仪调节直流大小，进行负载的调控，使得永磁涡流联轴器负载端达到所需转速。通过转矩转速传感器记录不同时刻对应的转矩值。为了更加直观对比分析仿真与试验数据的准确性，应用origin软件对二者进行处理，如图5所示。

图5 结构合理性仿真与试验结果对比Fig.5 Comparison of Structural Rationality Simulation and Experimental Results

如图所示，两条曲线基本吻合，试验值和仿真值具有很好的一致性，表明设计的结构能够达到传递转矩的要求。但是从图中可看出试验和仿真存在一定的误差，两者之间的最大误差5.97%，两条曲线没有完全拟合的主要原因是试验台运转时存在机械摩擦，同时在转动时铜盘上的涡流会产生热损耗。其次气隙调节存在一定误差，永磁涡流联轴器之间气隙是手动调节，很难精确保持3mm，因此会对转矩的测量产生一定影响。

4.3 转速差的试验验证

4.3.1 试验方案

转速差直接影响着传递转矩的效率。试验开始时，通过张力控制仪调节负载，依次增大转速差。通过转矩转速传感器记录不同转速差对应的转矩，与相对应的仿真数据进行对比分析。通过转矩转速传感器记录不同转速差对应的转矩，与相对应的仿真数据进行对比分析，如图6所示。

图6 转速差仿真与试验对比分析Fig.6 Comparison and Simulation of Speed Difference Simulation and Test

由图可知，两条曲线有相同的变化趋势，均随转速差的增加，转矩先增大后减小，先增大后减小。这是因为在转速差增大时，输出的功率增大，转矩增大，直到输出功率达到峰值，转矩不再增大。当转速差持续增加，在铜盘上产生的感应电流增大，铜盘上的功率损失增大，故而导致输出转矩减小由图可知。在满足输出转矩的要求，转速差可在140-180rpm选取。

虽然转速差的仿真值与试验值两条曲线变化趋势基本吻合，但还是存在误差。导致误差的原因是机械摩擦、涡流损耗、操作误差。操作误差主要是控制仪的调节误差，手动调节电流大小从而调节负载轴的转速，因此在调节过程有一定的误差。

5 结论

本文通过对与7.5KW、4极电机相匹配的永磁涡流联轴器的样机进行仿真分析与试验，验证样机可达到输出转矩的要求，验证模型结构的合理性。同时通过转速差的试验得出，当转速差可在140-180rpm时，均可满足转矩传递的需求。