吳先峰 于成偉 魏立軍 魯仰輝 羅帥

（國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 102209）

1 前言

機(jī)械齒輪在風(fēng)力發(fā)電變速等特殊工況下受到突然過(guò)載，容易出現(xiàn)損壞甚至失效，增加使用成本［1，2］。2001年，英國(guó)人Atallah K和Howe D依據(jù)磁場(chǎng)調(diào)制理論提出了一種同軸式磁場(chǎng)調(diào)制型永磁齒輪機(jī)構(gòu)［3，4］，這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)接觸傳動(dòng)，具有振動(dòng)和噪聲小、不易磨損、后期維護(hù)方便以及過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)［5，6］。調(diào)制型永磁齒輪大幅度提高了永磁體利用率，可以產(chǎn)生較大的扭矩，其傳動(dòng)能力在一定程度上可以與機(jī)械齒輪的傳動(dòng)相匹配。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種形式的永磁齒輪機(jī)構(gòu)有很多研究。Park E J和Kim C S［7］提出了一種雙級(jí)傳動(dòng)永磁齒輪，通過(guò)將兩個(gè)不同傳動(dòng)比的單級(jí)永磁齒輪串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高傳動(dòng)比的傳動(dòng)。Liu Y和Ho S L［8］提出磁場(chǎng)調(diào)制型相交軸式永磁齒輪，分析了尺寸參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響。郝秀紅等［9，10］提出了調(diào)磁體直線型相交軸永磁齒輪，并就主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)動(dòng)力學(xué)特性及傳動(dòng)能力等進(jìn)行了研究。

綜合上述分析可知，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)永磁齒輪的研究主要集中于轉(zhuǎn)矩輸出及波動(dòng)、參數(shù)優(yōu)化、偏心安裝及動(dòng)力學(xué)分析。但作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，損耗對(duì)永磁齒輪的性能有極大影響，如何提高效率是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最核心的問(wèn)題。Cansiz A［11］、Jian L［12，13］和Xin Y［14］等學(xué)者采用塊狀高溫超導(dǎo)材料替代硅鋼片實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的調(diào)制，顯著減少磁場(chǎng)泄漏量，提高永磁體利用率，提升傳動(dòng)效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在永磁體磁性能與磁齒輪扭矩關(guān)系的研究相對(duì)較少，特別是大功率永磁齒輪用永磁體磁性能的選型分析則尚未見到。

本文考慮了永磁體磁性能對(duì)磁齒輪扭矩傳動(dòng)的影響，建立表面磁感應(yīng)計(jì)算模型，研究先分塊充磁后粘接的永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，使得研究進(jìn)一步貼近實(shí)際。

2 磁鐵磁感線分布

對(duì)于單塊磁鐵，從邊部到中心磁感線密度由密到疏，對(duì)應(yīng)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度由大到小，具體磁感應(yīng)線分布如圖1所示［15］。將單塊磁鐵一分為二，兩塊相同極性磁鐵并列放置，磁鐵表面靠近拼接縫附近磁感應(yīng)線發(fā)散，拼接縫位置磁感應(yīng)線方向與周邊相反，具體磁感應(yīng)線分布如圖2所示?？紤]磁鐵邊部磁感應(yīng)線較密集，兩塊相同極性磁鐵并列放置接縫邊部附近磁感應(yīng)線發(fā)散，受此影響，整個(gè)磁鐵的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度理論上會(huì)增強(qiáng)。

圖2 兩塊磁鐵相同極性并列時(shí)磁感應(yīng)線分布圖

如圖1所示，本文磁鐵表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度是指N極或S極表面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1 單塊磁鐵磁感應(yīng)線分布示意圖

3 仿真分析

取牌號(hào)為N42的矩形和瓦型永磁體分別利用Ansys進(jìn)行仿真計(jì)算，剩磁Br＝1.317T，矯頑力Hbj＝12.71Koe。分別取永磁體的中部和邊部的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。

假設(shè)各種工況下永磁體均充磁至飽和且均勻磁化。假設(shè)永磁體外部為空氣外罩，在空氣外罩表面施加磁通量平行邊界條件［16］。假設(shè)永磁體間粘接膠厚度為0.1mm，用空氣代替。

3.1 矩形永磁體平行充磁仿真分析

矩形永磁體長(zhǎng)寬高為90mm×20mm×20mm，充磁方式為平行充磁，考慮永磁體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度也為對(duì)稱分布，分別取長(zhǎng)度和寬度方向共4條路徑磁感應(yīng)強(qiáng)度比較，充磁方向?yàn)楦叨确较颉?duì)比分為三種情況：整體充磁，沿寬度方向分為5塊永磁體充磁后粘接（粘接間隙0.1mm），沿寬度方向分為10塊永磁體充磁后粘接（粘接間隙0.1mm）。

圖3 矩形永磁體模型及網(wǎng)格劃分

路徑1方向取矩形永磁體中部沿寬度方向，仿真結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖4 矩形永磁體路徑1結(jié)果對(duì)比

從路徑1仿真結(jié)果對(duì)比可以看出：矩形永磁體中部沿寬度方向，無(wú)論分塊充磁后粘接還是整體充磁，沿矩形永磁體寬度方向從邊部到中心，永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低；矩形永磁體中部沿寬度方向，無(wú)論分塊充磁還是整體充磁，永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值基本不變；矩形永磁體中部沿寬度方向，相同規(guī)格尺寸的矩形永磁體，分塊后相同極性并列粘接，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增加，而且隨著分塊數(shù)量的增加增幅變大；分塊后永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的波動(dòng)要大于整體充磁；分塊粘接的永磁體粘接縫位置磁極會(huì)反轉(zhuǎn)。

路徑2方向取矩形永磁體邊部沿寬度方向，仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 矩形永磁體路徑2結(jié)果對(duì)比

從路徑2仿真結(jié)果對(duì)比可以得到與路徑1仿真對(duì)比類似的結(jié)論，此處不作贅述，唯有一點(diǎn)不同：沿寬度方向相同距離處，路徑2的磁感應(yīng)強(qiáng)度值要大于路徑1的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

路徑3方向取矩形永磁體中部沿長(zhǎng)度方向，仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 矩形永磁體路徑3結(jié)果對(duì)比

從路徑3仿真結(jié)果對(duì)比可以看出：矩形永磁體中部沿長(zhǎng)度方向，無(wú)論分塊充磁后粘接還是整體充磁，沿矩形永磁體長(zhǎng)度方向從邊部到中心，永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低；矩形永磁體中部沿長(zhǎng)度方向，無(wú)論分塊充磁還是整體充磁，永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值基本不變；矩形永磁體中部沿長(zhǎng)度方向，相同規(guī)格尺寸的矩形永磁體，分塊后相同極性并列粘接，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增加，而且隨著分塊數(shù)量的增加增幅變大。

路徑4方向取矩形永磁體沿長(zhǎng)度方向的邊部，仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 矩形永磁體路徑4結(jié)果對(duì)比

從路徑4仿真結(jié)果對(duì)比可以得到與路徑3仿真對(duì)比類似的結(jié)論，此處不作贅述，唯有一點(diǎn)不同：沿長(zhǎng)度方向相同距離處，路徑4的磁感應(yīng)強(qiáng)度值要大于路徑3的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

3.2 瓦形永磁鐵徑向充磁仿真分析

瓦型永磁體外徑為180mm，內(nèi)徑為150mm，側(cè)面夾角為60°，充磁方式為徑向充磁，與矩形永磁體類似，分別取軸向和周向表面磁感應(yīng)強(qiáng)度比較，各向取兩條路徑，一為邊緣，一為中心。對(duì)比分為三種情況：整體充磁，沿軸向分為五塊永磁體充磁后粘接（粘接間隙0.1mm），沿軸向分為十塊永磁體充磁后粘接（粘接間隙0.1mm）。

圖8 瓦形永磁體模型及網(wǎng)格劃分

路徑1為瓦型永磁體中部軸向，仿真結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

圖9 瓦形永磁體路徑1結(jié)果對(duì)比

從路徑1仿真結(jié)果對(duì)比可以看出：瓦型永磁體中部軸向，無(wú)論分塊充磁后粘接還是整體充磁，從邊部到中心，永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低；瓦型永磁體中部軸向，無(wú)論分塊充磁后粘接還是整體充磁，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值幾乎不變；瓦型永磁體中部軸向，相同規(guī)格尺寸的瓦型永磁體，分塊后相同極性并列粘接，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增加，而且隨著分塊數(shù)量的增加增幅變大；分塊后永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的波動(dòng)要大于整體充磁；分塊粘接的永磁體粘接縫位置磁極會(huì)反轉(zhuǎn)。

路徑2為瓦型永磁體邊部軸向，仿真結(jié)果對(duì)比如圖10所示。

圖10 瓦形永磁體路徑2結(jié)果對(duì)比

從路徑2仿真結(jié)果對(duì)比可以得到與路徑1仿真對(duì)比類似的結(jié)論，唯有一點(diǎn)不同：沿軸向相同距離處，路徑2的磁感應(yīng)強(qiáng)度值要大于路徑1的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

路徑3為瓦型永磁體中部周向，仿真結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

圖11 瓦形永磁體路徑3結(jié)果對(duì)比

從路徑3仿真結(jié)果對(duì)比可以看出：瓦型永磁體中部周向，無(wú)論分塊充磁后粘接還是整體充磁，從邊部到中心，永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低；瓦型永磁體中部周向，無(wú)論分塊充磁后粘接還是整體充磁，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值幾乎不變；瓦型永磁體中部周向，相同規(guī)格尺寸的瓦型永磁體，分塊后相同極性并列粘接，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增加，而且隨著分塊數(shù)量的增加增幅變大。

路徑4為瓦型永磁體邊部周向，仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示。

圖12 瓦形永磁體路徑4結(jié)果對(duì)比

從路徑4仿真結(jié)果對(duì)比可以得到與路徑3仿真對(duì)比類似的結(jié)論，唯有一點(diǎn)不同：沿周向相同距離處，路徑4的磁感應(yīng)強(qiáng)度值要大于路徑3的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

4 實(shí)驗(yàn)分析

國(guó)家電投集團(tuán)磁場(chǎng)調(diào)制式永磁變速機(jī)采用磁場(chǎng)耦合傳遞動(dòng)力，該設(shè)備使用的永磁體牌號(hào)為N42，剩磁Br＝1.317T，矯頑力Hbj＝12.71Koe。永磁體供貨商采用整體充磁的工藝路線。該設(shè)備測(cè)試后，扭矩輸出不理想，通過(guò)手持式高斯計(jì)測(cè)試永磁體磁瓦表面磁感應(yīng)強(qiáng)度中心部最低值僅為0.25T左右。

該設(shè)備用磁瓦內(nèi)徑596mm，外徑646mm，側(cè)面夾角為60°，厚度為140mm。改變?cè)来朋w制作工藝，將140mm永磁體分為14塊，先充磁后粘接。

充磁后粘接與整體充磁相比，永磁體磁瓦表面磁感應(yīng)強(qiáng)度中心部最低值由0.25T變化為0.3T，與仿真趨勢(shì)相符。該設(shè)備在不改變其他參數(shù)的前提下，通過(guò)永磁體分塊充磁后粘接的方法，扭矩輸出實(shí)測(cè)增加了10%。

5 結(jié)論

建立三維模型，分析了充磁方式和粘接方式對(duì)永磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，并開展了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）無(wú)論矩形永磁體或是瓦型永磁體，無(wú)論采取平行充磁或是徑向充磁，永磁體從邊部到中心表面磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小。

（2）永磁體采用分塊充磁后粘接的方式，永磁體的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增加，而且分塊越多，增幅越大，粘接縫位置會(huì)出現(xiàn)磁極反轉(zhuǎn)。

（3）先充磁后粘接，粘接過(guò)程中永磁體之間必然存在斥力，而且易碎，塊數(shù)越多，該問(wèn)題越明顯，解決成本也會(huì)增加。在工程運(yùn)用中，該點(diǎn)必須考慮。