楊　高，李爭光

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所）

“聚磁式”磁力耦合器的磁場分析

楊高，李爭光

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所）

為提高設(shè)備功率與轉(zhuǎn)矩密度，本文提出了一種“聚磁式”磁力耦合器，并對其進(jìn)行了有限元仿真分析。分析結(jié)果表明與一般磁力耦合器相比，“聚磁式”磁力耦合器，轉(zhuǎn)矩提高20%，是一種有效的緊湊性設(shè)計方案。分析結(jié)果為磁力耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計做支撐。

磁力耦合器聚磁轉(zhuǎn)矩密度

0前言

近年來，我國倚重資源消費、效益低、消耗高、污染大的傳統(tǒng)增長方式，已經(jīng)成為各部門和地方政府面臨的現(xiàn)實問題，節(jié)能降耗任務(wù)十分緊迫。磁力耦合器是一種新型的節(jié)能調(diào)速產(chǎn)品，非常適用于風(fēng)機、泵類負(fù)載的節(jié)能調(diào)速應(yīng)用，廣泛用于電力、石化、冶金、建材、煤炭、水力及有色等行業(yè)，具有環(huán)境適應(yīng)性強、減振降噪、無污染、高效節(jié)能等優(yōu)點［1-6］。最早開始提出并對其市場應(yīng)用的是美國MagnaDrive公司，隨后傳入中國，也有一些學(xué)者對其相關(guān)特性進(jìn)行了研究［7-10］，多家公司相續(xù)研發(fā)出了相關(guān)產(chǎn)品。

隨著技術(shù)研究的深入，大功率的磁力耦合器發(fā)展遭遇技術(shù)瓶頸，其中冷卻與散熱、支撐重量、尺寸空間、軸向電磁力等技術(shù)難題都需要一一解決。無疑，提升設(shè)備的轉(zhuǎn)矩密度以減小尺寸空間和重量是應(yīng)首要考慮的問題。

為解決上述問題，本文提出了一種“聚磁式”磁力耦合器電磁結(jié)構(gòu)，通過提高氣隙磁通量，從而大幅提高轉(zhuǎn)矩，并能有利于減小設(shè)備體積與重量。經(jīng)過有限元仿真分析，結(jié)果表明，該方案轉(zhuǎn)矩提升明顯，轉(zhuǎn)矩脈動小，是一種有效可行的緊湊性設(shè)計方案。

1磁力耦合器原理

磁力耦合器的一般電磁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。磁力耦合器由主動盤、傳動磁盤、銅（或鋁）盤和永磁體組成。其中，主動盤連接電機端提供動力，傳動磁盤連接負(fù)載端傳遞動力，銅（或鋁）盤與永磁體相互旋轉(zhuǎn)感應(yīng)渦流，銅（或鋁）盤與永磁體間存在一間隙，稱為氣隙，兩者旋轉(zhuǎn)時互不接觸，因此，提供了非接觸式的電磁傳動。磁力耦合器調(diào)速控制系統(tǒng)是將磁力耦合器連接在驅(qū)動電機和負(fù)載（風(fēng)機、水泵）之間，調(diào)整磁力耦合器的氣隙來改變輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速目的，如圖2所示。它由磁力耦合器、執(zhí)行器、調(diào)速控制器組成。

通過采集系統(tǒng)壓力或是流量信號，與用戶給定的壓力或是流量進(jìn)行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出控制電動執(zhí)行機構(gòu)（氣隙調(diào)節(jié)裝置）來改變磁力耦合器的氣隙，從而改變輸出的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力或是流量，從而達(dá)到恒壓力或是恒流量輸出目的，滿足節(jié)能調(diào)速的技術(shù)要求。

2聚磁式磁力耦合器模型

2.1聚磁結(jié)構(gòu)

本文提出的聚磁式磁力耦合器是在一般磁力耦合器的電磁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在導(dǎo)體盤上布置有若干起聚磁作用的“聚磁圓柱”或“聚磁釘”來實現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)見圖3所示。

“聚磁釘”采用導(dǎo)磁性材料制作而成，替代了原來導(dǎo)體盤的材料，分布于導(dǎo)體盤上。這帶來了兩個方面的好處，一方面由于“聚磁釘”磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣或銅的磁導(dǎo)率，提供了更好的磁通路，可“聚集”磁場，提高通過導(dǎo)體盤的磁通量；另一方面，由于僅是在銅盤上分布有若干“聚磁釘”，占用材料體積較少，仍然可以保證導(dǎo)體盤的電導(dǎo)率較高，并盡可能少的影響導(dǎo)體盤的導(dǎo)電通路。

2.2仿真模型

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁力耦合器的磁場計算與分析一般采用有限元計算方法，必須建立三維仿真模型進(jìn)行計算?？紤]到沿軸向，其電磁結(jié)構(gòu)組成呈左右對稱分布（見圖1），可取其一半即單盤作分析，又考慮到永磁體的布置沿周向呈周期性分布，在設(shè)計和布置“聚磁釘”時也人為設(shè)置以一對極為單元呈周期性分布，因此，為簡化分析，只需建立一對極的三維模型，如圖4所示。

仿真模型主要參數(shù)見表1所示。

2.3剖分

從計算精度的要求來看，有限元剖分應(yīng)盡可能密，但從計算時間上考慮，剖分應(yīng)盡可能稀疏?？紤]這兩方面的影響，在實際工程中，對材料突變部位（尖角處）和磁場能量突中的部位應(yīng)剖分較密，其余部分較稀疏。

本文剖分見圖5所示，對氣隙、導(dǎo)體盤、聚磁釘剖分單元進(jìn)行加密，其余部分較為稀疏。所有單元的總體能量誤差控制在1%之內(nèi)。

2.4邊界的設(shè)置

由于仿真模型簡化為一對極模型，在一對極模型的邊界處應(yīng)設(shè)置全周期邊界條件，即令邊界處對應(yīng)磁場強度大小和方向相同。

2.5求解

本文采用瞬態(tài)場進(jìn)行仿真計算，在實際工作時，設(shè)備的導(dǎo)體盤與傳動磁盤都會旋轉(zhuǎn)，如果按實際設(shè)置會加大求解的難度?？紤]到運動是相對的，我們可以自由選擇不同的參考系。本文選擇以導(dǎo)體盤作為參考系，即令導(dǎo)體盤相對靜止，傳動磁盤相對于導(dǎo)體盤旋轉(zhuǎn)，以簡化分析。

求解的時間步長與傳動磁盤的相對旋轉(zhuǎn)速度和永磁體的極對數(shù)相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較快且永磁體極數(shù)越多時，導(dǎo)體盤中感應(yīng)的電流頻率就越高，時間步長就越小。本文主要對額定工況下進(jìn)行分析，由于相對轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速）較小，設(shè)置時間步設(shè)為0.001 s。

3仿真結(jié)果分析與對比

3.1磁密分布

磁力耦合器導(dǎo)體盤與導(dǎo)磁盤的磁密分布如圖6所示。

顯然，在導(dǎo)體盤中的聚磁釘聚集了較高的磁密，局部磁密集中達(dá)到3T，大部份磁密至1.6T左右，而聚磁釘周邊磁密大部份在0.7T左右。結(jié)果表明，聚磁釘實現(xiàn)了“聚磁”的效果。

3.2電流分布

磁力耦合器導(dǎo)體盤中的電流分布如圖7所示。

圖7表明，電流在導(dǎo)體盤的非聚磁釘區(qū)域數(shù)值較大，聚磁釘區(qū)域的電流數(shù)值較小，導(dǎo)體盤上的電流繞行于聚磁釘流動，因此，聚磁釘雖然聚磁，但不聚磁電流，基本不影響原有電路結(jié)構(gòu)，同時也不會增加渦流損耗，或?qū)е聯(lián)p耗在局部集中。

3.3轉(zhuǎn)矩脈動

聚磁結(jié)構(gòu)的磁力耦合器轉(zhuǎn)矩，如圖8所示。圖8表明，聚磁結(jié)構(gòu)的磁力耦合器的轉(zhuǎn)矩存在一定的脈動現(xiàn)象，主要原因是由于在旋轉(zhuǎn)過程中由于聚磁釘?shù)囊耄瑢?dǎo)致磁阻分布不均，使得轉(zhuǎn)矩脈動。因此，有必要對聚磁釘?shù)拇笮〖安贾眠M(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，以減小轉(zhuǎn)矩脈動的影響。

3.4聚磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

本文對聚磁釘?shù)拇笮〖安贾眠M(jìn)行子多方案的對比優(yōu)化，如表2所示。

注：每對極排布方式指外環(huán)+中環(huán)+內(nèi)環(huán)各自的“聚磁釘”的數(shù)量。

表2中方案5為一般結(jié)構(gòu)的永磁耦合調(diào)速器，計算的平均轉(zhuǎn)矩值為0.93kN，與其它采用聚磁結(jié)構(gòu)的永磁耦合調(diào)速器對比，其平均轉(zhuǎn)矩低于20%以下，證明聚磁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩提升效果明顯。

表2中方案1至4的結(jié)果也表明聚磁釘太疏或直徑較小則聚磁效果較弱，平均轉(zhuǎn)矩較小，而聚磁釘直徑大轉(zhuǎn)矩提升較大，但轉(zhuǎn)矩脈動也較大。在工程設(shè)計中工藝實施的方便與可行性也是需要考慮的重要因素。綜合對比，方案2的轉(zhuǎn)矩波動小，平均轉(zhuǎn)矩較高。

4結(jié)論

本文提出了一種“聚磁式”磁力耦合器，建立了有限元的電磁仿真模型，經(jīng)仿真分析，結(jié)果表明：1）聚磁結(jié)構(gòu)提高了輸出轉(zhuǎn)矩20%左右，有效的減小了設(shè)備的體積和重量。2）聚磁釘直徑、數(shù)量與輸出的轉(zhuǎn)矩成正比例關(guān)系，轉(zhuǎn)矩脈動與聚磁釘?shù)闹睆接嘘P(guān)。3）通過適當(dāng)?shù)姆桨竷?yōu)選，可明顯降低脈動轉(zhuǎn)矩，達(dá)到工程實用的效果。因此“聚磁式”磁力耦合器是一種有效可行的緊湊性設(shè)計方案。

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Magnetic Field Analysis of Magnetic Coupling with Magnetism-collected Structure

Yang Gao，Li Zhengguang
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

In order to improve the power and torque density，this paper presents a new type of magnetic coupling with magnetism-collected structure.The finite element method is carried out，and the results are analyzed.The results show that the magnetic coupler with magnetism-collected structure increases the torque，which is a kind of effective and compact design scheme，and the analysis results can be also used to guide the further structural design of magnetic coupling.

magnetic coupling；magnetism-collected；torque density.

TP46

A

1003-4862（2016）07-0038-04

2015-12-15

湖北省科技支撐計劃（2014BAA021）

楊高（1982-），男，碩士，高級工程師。研究方向：電機設(shè)計。