王 超,龐曉毅（江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心,南京 210000）

在線調(diào)節(jié)式永磁渦流聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與分析

王 超,龐曉毅
（江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心,南京 210000）

摘 要：本文根據(jù)電磁渦流原理，通過在永磁渦流聯(lián)軸器的傳動(dòng)部分增加在線調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩的在線調(diào)節(jié)。利用Ansoft公司的Maxwell 3D電磁仿真軟件對(duì)永磁渦流聯(lián)軸器的瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究，詳細(xì)說明了永磁渦流聯(lián)軸器磁場(chǎng)的建模方法和求解步驟，分析了磁盤和導(dǎo)體盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，得到了與實(shí)際工況相吻合的仿真結(jié)果，并對(duì)永磁聯(lián)軸器的應(yīng)用提出了一些改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：永磁渦流聯(lián)軸器;在線調(diào)速;渦流;磁場(chǎng)仿真

1　引言

隨著永磁材料的發(fā)展，永磁渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)憑借低保養(yǎng)，低維修以及可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和過載保護(hù)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備。永磁渦流聯(lián)軸器區(qū)別于機(jī)械式聯(lián)軸器，它是利用永磁體與導(dǎo)體板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體板表面產(chǎn)生渦流場(chǎng)，并與永磁場(chǎng)相互作用進(jìn)而達(dá)到傳遞輸出轉(zhuǎn)矩的目地，屬于非接觸式聯(lián)軸器。

但永磁渦流聯(lián)軸器不具備高速運(yùn)行狀況下功率和輸出轉(zhuǎn)矩的在線調(diào)節(jié)功能，達(dá)不到資源的最大化利用。通過研究輸出轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整聯(lián)軸器的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙，進(jìn)而調(diào)節(jié)感應(yīng)磁場(chǎng)的大小，以實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩與功率的在線調(diào)節(jié)。同時(shí)將利用Maxwell 3D電磁仿真軟件對(duì)永磁渦流聯(lián)軸器的三維瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，詳細(xì)說明了永磁渦流聯(lián)軸器磁場(chǎng)的建模方法和求解步驟，分析了磁盤和導(dǎo)體盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。

近年來，國(guó)外對(duì)永磁渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特性研究已經(jīng)較為成熟[1][2]，而國(guó)內(nèi)對(duì)這一塊的研究比較少[3]，大多是針對(duì)徑向型永磁聯(lián)軸器即磁力泵方向的開發(fā)，得出了徑向型永磁聯(lián)軸器的輸出轉(zhuǎn)矩推導(dǎo)公式并進(jìn)行了二維磁場(chǎng)仿真。分析表明，本文所提及的在線調(diào)節(jié)式永磁渦流聯(lián)軸器，國(guó)內(nèi)外研究并不充分，特別是現(xiàn)采用的二維有限元模型分析并不能完全模擬其真實(shí)狀況，計(jì)算精度也達(dá)不到工程要求。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

在線調(diào)節(jié)式永磁渦流聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，由在線調(diào)節(jié)裝置和永磁渦流聯(lián)軸器兩部分組成，主要是依靠永磁體盤(內(nèi)轉(zhuǎn)子)和導(dǎo)體盤(外轉(zhuǎn)子)之間的空氣間隙的變化來調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。該渦流將產(chǎn)生一個(gè)與多極磁環(huán)相反方向的感應(yīng)磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用使導(dǎo)體盤受到一個(gè)磁轉(zhuǎn)矩的作用而隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。

啟動(dòng)時(shí)，兩盤的間距最大。電機(jī)啟動(dòng)過程中，與電機(jī)連接的永磁體盤很快達(dá)到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)所需轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)載荷要求，在線調(diào)整兩盤間的空氣間隙，使傳遞的扭矩逐漸增大，與負(fù)載連接的導(dǎo)體盤轉(zhuǎn)速逐漸加快，兩盤之間的轉(zhuǎn)速差迅速減小，直到最后達(dá)到所需要的額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)開始在額定狀態(tài)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)可使電機(jī)在較小的負(fù)荷下逐漸完成啟動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過程平穩(wěn)，加減速均勻。

3　永磁渦流聯(lián)軸器的有限元分析

本文所研究的電磁場(chǎng)隨時(shí)間不斷的發(fā)生變化，所以在此將使用Maxwell 3D軟件的Transient模塊進(jìn)行磁場(chǎng)仿真分析。

3.1 三維瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算原理

在三維瞬態(tài)場(chǎng)中，可以采用局部剖分法來計(jì)算三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)所帶來的效應(yīng)。對(duì)于低頻瞬態(tài)磁場(chǎng)，maxwell方程組可以寫成：

在求解三維瞬態(tài)磁場(chǎng)時(shí)，其棱邊上的矢量位自由度采用了一階元計(jì)算，而節(jié)點(diǎn)上的標(biāo)量位自由度采用二階元計(jì)算。

同時(shí)，在三維瞬態(tài)磁場(chǎng)中，瞬態(tài)包含兩個(gè)含義，一個(gè)是瞬態(tài)的電磁過程，一個(gè)是瞬態(tài)的機(jī)械過程。在處理機(jī)械瞬態(tài)過程中，需要引入對(duì)位移或角度的離散計(jì)算，其離散格式可以按照下式描述。

其中的x表示機(jī)械位移量，可以是距離也可以是角度。

3.2 基于Maxwell 3D的有限元分析

3.2.1 創(chuàng)建仿真模型

在Maxwell 3D Transient模塊中建立的仿真模型如圖2所示，主要由永磁體盤、導(dǎo)體盤、Band區(qū)域以及求解域組成，其中永磁體盤貼有8對(duì)N、S極交替排列的永磁體。

3.2.2 指定材料屬性

模型建立完畢后，接下來需要指定材料屬性。本文中包含空氣、永磁體、銅和鐵等材料，每種材料都要輸入相應(yīng)的特征。其中求解區(qū)域和Band區(qū)域可以直接使用軟件默認(rèn)的Vacuum屬性，在定義永磁體材料屬性時(shí)要注意磁化方向的選擇，這里指定N極磁體為Z軸正方向充磁，S極磁體為Z軸負(fù)方向充磁。

3.2.3 劃分網(wǎng)格

本文所提及模型尺寸非常規(guī)整，可采用手工設(shè)置網(wǎng)格，Band區(qū)域內(nèi)的物體網(wǎng)格要?jiǎng)澋拿芤稽c(diǎn)。而對(duì)于求解區(qū)域，我們可以不進(jìn)行剖分。3.2.4 求解設(shè)置與分析

表1　不同狀態(tài)下的輸出轉(zhuǎn)矩

最后對(duì)模型進(jìn)行求解參數(shù)設(shè)定并求解?？梢缘玫饺鐖D3與表1：

由圖3可以看出在啟動(dòng)初期輸出轉(zhuǎn)矩很大，之后趨于一個(gè)穩(wěn)定值，這是因?yàn)橐环矫嬖谵D(zhuǎn)動(dòng)初期導(dǎo)體板表面摩擦力比較大另一方面此時(shí)渦流場(chǎng)還沒有完全建立。表1中表示的是在不同狀態(tài)下的輸出轉(zhuǎn)矩，這里所給出的輸出轉(zhuǎn)矩都是在渦流場(chǎng)趨于穩(wěn)定后的平均值。通過仿真，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著永磁體盤和導(dǎo)體盤之間的空氣間隙不斷變大，輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變小，主要是由于距離增大后渦流感應(yīng)變低，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要注意對(duì)兩盤間距的控制，讓其在最有效的范圍內(nèi)變化；

（2）永磁材料的選擇并沒有特別的要求，可根據(jù)所需渦流效應(yīng)的強(qiáng)弱來定，同時(shí)考慮到資源最大化利用，現(xiàn)階段一般建議釹鐵硼系列；

（3）永磁體厚度的變化對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩影響較大，但如果一味通過增大永磁體的厚度來增加轉(zhuǎn)矩顯然是不合理的，因?yàn)橛来朋w相對(duì)而言成本還是比較昂貴的，所以選擇合適的永磁體厚度也是相當(dāng)重要的；

（4）輸出轉(zhuǎn)矩與永磁體的極數(shù)也密切相關(guān)，隨著磁極數(shù)的變大輸出轉(zhuǎn)矩先增大到一定值后反而降低，這主要是由于隨著磁極數(shù)的增加使得每一個(gè)永磁體塊產(chǎn)生的渦流效應(yīng)值降低；

（5）銅盤厚度的變化趨勢(shì)與永磁體厚度類似，都是在達(dá)到一定值后反而減弱，主要因?yàn)殡S著銅盤厚度的增加，單位體積內(nèi)穿過銅盤的磁力線相應(yīng)會(huì)減少，自然會(huì)影響到輸出轉(zhuǎn)矩值；

4　結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)際社會(huì)越來越重視環(huán)境保護(hù)，大量的工業(yè)污染必將得到限制，在如此的大趨勢(shì)下，節(jié)能、環(huán)保成為本世紀(jì)的世紀(jì)主題勢(shì)在必行。而永磁渦流聯(lián)軸器作為節(jié)能環(huán)保型新產(chǎn)品，發(fā)展前景是光明的。而我國(guó)作為一個(gè)稀土大國(guó)，有著相當(dāng)豐富的稀土資源，我們更應(yīng)當(dāng)利用好這個(gè)先天優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步深入研究永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)，拓展此類聯(lián)軸器的應(yīng)用范圍，使其得到更廣泛的應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過在永磁渦流聯(lián)軸器的傳動(dòng)部分增加在線調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩和功率的在線調(diào)節(jié)，并通過軟件建立永磁渦流聯(lián)軸器的三維瞬態(tài)仿真模型，得到了其磁場(chǎng)部分的數(shù)值解。

參考文獻(xiàn)：

[1]Lequesne Bruno,Liu Buyun,Nehl Thomas w. Eddy-current machines with permanent magnets and solid rotors[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1997,33(05):451-456.

[2]Peng Ying, Ruan Jiangjun, Zhang Yu. A composite grid method for moving conductor eddy-current problem[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(07):3259-3265.

[3]楊超君,顧紅偉.永磁傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].機(jī)械傳動(dòng),2008,32(02).