磁力耦合式直线驱动装置的建模与优化

赵海宁 赵川 张鹏飞 金俊杰 孙凤 于慎波 王振宇

摘 要：针对传统机械系统难以完成密封环境中的驱动任务，提出了一种非接触式磁力耦合直线驱动装置，分析了不同优化方案的磁力特性．采用等效磁路法分别建立了水平驱动力和法向干扰力的解析模型，通过有限元瞬态仿真和实验测量对理论计算模型的准确性进行验证，应用该解析模型对不同优化方案的磁力特性进行对比分析．结果表明，所建立的解析模型与实验结果的误差较小，采用径向磁化圆柱形永磁体的双轮驱动方案最大驱动力提高近２倍，并消除了法向干扰力，在一定负载工况下可实现高效运行．

关 键 词：磁力耦合；直线驱动；磁力解析；特性分析；建模；有限元分析；磁力测试；结构优化

中图分类号：ＴＭ３５９４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－１６４６（２０２３）０２－０１８０－０７

传统的机械传动主要分为摩擦传动与啮合传动两种类型，主动件与从动件接触是完成机械传动的前提［１］．磁力驱动机构可消除接触摩擦、无需润滑，可避免二次粉尘的产生，实现分离式传动，近年来在化工机械、食品机械、医疗机械等领域都有迫切的应用需求．因此，磁力驱动装置的开发应用可实现高洁净环境和真空密封条件下的驱动，具有十分重要的意义［２－３］．

磁力驱动装置的结构优化、磁场建模和传动性能分析是当前研究的重点［４－６］．Ａｔａｌｌａｈ等［７－８］提出永磁齿轮的拓扑优化方案，分析了永磁体数量、调磁环数量对速比和磁通密度的影响．为了增强气隙磁通密度并提高转矩密度，吴鹏和张进等［９－１０］分别提出一种双调制结构的同轴式磁齿轮结构，分析了辅助磁通调制对转矩能力增强特性的作用．Ｍａｆｉ和Ｊｅｎｎｅｙ等［１１－１２］设计了基于Ｈａｌｂａｃｈ阵列结构的永磁齿轮，利用单边磁通增强的特性增大转矩密度，同时降低了转矩脉动和调制器的损耗，但采用铁质调磁环的磁齿轮在高速传动应用中受到限制，且由于内外转子上均安装有永磁体，气隙磁场的谐波含量较高．黄金霖等［１３］提出一种由永磁调磁块、内转子永磁体和外转子铁心等组成的永磁齿轮结构，并采用多目标优化方法对其结构参数进行了优化设计．杨超君等［１４］提出一種可调速异步盘式磁力联轴器，通过调节主、从动盘间的气隙长度改变磁力，从而实现转速调节，并对转差率与传动效率间的关系进行了研究，可实现一定负载下高效运行．盘式联轴器在轴向会受到磁场力影响，因此需安装轴承以提供轴向支撑．田杰等［１５］设计了一种混合式永磁联轴器，建立传递转矩模型，分析了磁极数、气隙大小及磁体厚度等主要参数对传动性能的影响．包广清等［１６］将磁场调制式磁齿轮应用于风力发电系统，基于电动机和磁齿轮有限元模型的联合动态仿真，试制了磁齿轮样机．