交替極Halbach徑向永磁聯(lián)軸器特性分析

引言

永磁聯(lián)軸器是一種利用磁力耦合作用實(shí)現(xiàn)力或力矩?zé)o接觸傳遞的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu),是近年來動(dòng)力傳遞方式及動(dòng)密封技術(shù)領(lǐng)域取得的重要研究成果。相較于傳統(tǒng)機(jī)械式聯(lián)軸器,永磁聯(lián)軸器能將動(dòng)密封轉(zhuǎn)為靜密封,實(shí)現(xiàn)無接觸傳動(dòng),具有減振、隔離、過載保護(hù)、軟啟動(dòng)和節(jié)能環(huán)保等特性,因此永磁聯(lián)軸器在機(jī)械、化工、汽車、土木、電力、國防和核工業(yè)等很多工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,被譽(yù)為綠色的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

永磁聯(lián)軸器根據(jù)磁極充磁方式的不同,可分為軸向永磁聯(lián)軸器和徑向永磁聯(lián)軸器。傳統(tǒng)徑向永磁聯(lián)軸器的磁極多為N、s交替緊密排列結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)相鄰交替排列的磁極對(duì)數(shù)較多,在同一轉(zhuǎn)子上形成回路的磁力線較多,從而導(dǎo)致部分磁通量的浪費(fèi)。

交替極永磁陣列是由永磁體與鐵芯凸極呈交替排列構(gòu)成,其中永磁體沿徑向?yàn)橥粍?lì)磁方向,即同為N極或s極,而相鄰永磁體之間的鐵芯凸極則會(huì)被相應(yīng)磁化成沿徑向的異極性,永磁極與鐵芯凸極構(gòu)成極性交替分布結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對(duì)交替極結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)采用交替極結(jié)構(gòu)有助于提高永磁體的利用率,降低永磁材料的消耗。

與傳統(tǒng)徑向充磁結(jié)構(gòu)的永磁陣列相比,Halbach永磁陣列則是將不同勵(lì)磁方向的永磁體按照一定規(guī)則排列,能夠在陣列的一邊匯聚磁力線,另一邊削弱磁力線,呈現(xiàn)出獨(dú)特的單邊聚磁特性。且Halbach陣列可以建立比較理想的正弦分布的磁場,能夠獲得比傳統(tǒng)永磁陣列更大的氣隙磁通密度。本文結(jié)合交替極結(jié)構(gòu)和Halbach永磁陣列的優(yōu)勢,提出了一種交替極Halbach徑向永磁聯(lián)軸器。

1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

本文提出的交替極Halbach徑向永磁聯(lián)軸器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,它由主動(dòng)端和從動(dòng)端構(gòu)成。主、從動(dòng)端均由永磁陣列和輒鐵構(gòu)成,每對(duì)極的永磁陣列由一個(gè)Halbach永磁極和一個(gè)凸鐵極構(gòu)成,且極對(duì)數(shù)和尺寸規(guī)格相同,通過磁力耦合作用來實(shí)現(xiàn)無接觸式傳動(dòng)。

圖1交替極Halbach徑向磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為交替極Halbach永磁陣列示意圖,它由一個(gè)凸鐵極和一個(gè)Halbach永磁極構(gòu)成,主磁極沿徑向充磁,兩邊的輔助磁極的充磁方向與徑向夾角為9,而凸鐵極則會(huì)被相應(yīng)磁化成沿徑向的異極性。該永磁陣列不僅能有效增強(qiáng)氣隙處的磁通密度,減弱輒鐵處磁場強(qiáng)度,還能降低永磁材料的消耗量。交替極Halbach永磁陣列的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有:磁化角度9、磁極厚度h,81和82為主磁極與輔助磁極的極弧角,令8l和82之比為磁極配比8。表l為交替極Halbach永磁聯(lián)軸器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

2磁場性能分析

2.1磁通密度分析

圖3為交替極Halbach永磁陣列和傳統(tǒng)永磁陣列的磁密和磁力線分布圖。由圖可知,交替極Halbach結(jié)構(gòu)永磁區(qū)域的磁密分布均勻,且未出現(xiàn)明顯的磁路飽和狀況,漏磁較少,永磁體利用率高。在該結(jié)構(gòu)中,由于凸鐵極為從永磁N極出發(fā)的磁通提供了反向磁路,故凸鐵極中的磁力線較為密集,但由于存在輔助磁極對(duì)凸鐵極的分流效應(yīng),有效抑制了其磁飽和狀態(tài)。傳統(tǒng)永磁結(jié)構(gòu)中,由于N、S極交替緊密排列,在相鄰交替排列的永磁極中形成了多條漏磁回路,造成極間漏磁較多,且可以發(fā)現(xiàn)其永磁區(qū)域兩側(cè)的磁通密度較交替極Halbach結(jié)構(gòu)更大,從而造成其匯聚在氣隙處的有效磁通受到削弱,側(cè)面反映了交替極Halbach結(jié)構(gòu)具有更好的聚磁效果。

圖4為兩種永磁聯(lián)軸器的徑向氣隙磁密對(duì)比圖,從圖中可以看出,相比于傳統(tǒng)永磁結(jié)構(gòu),交替極Halbach結(jié)構(gòu)的磁密分布正負(fù)幅值不等,不似傳統(tǒng)永磁結(jié)構(gòu)其磁密分布正負(fù)幅值大小相等,但其徑向氣隙磁密的幅值大于傳統(tǒng)永磁結(jié)構(gòu),說明該結(jié)構(gòu)能夠提高永磁體的利用率。

圖5為兩種結(jié)構(gòu)永磁聯(lián)軸器的切向氣隙磁密對(duì)比圖,與徑向磁密分布類似,該結(jié)構(gòu)的磁密分布正負(fù)幅值也不等,但其切向磁密幅值大小與傳統(tǒng)永磁結(jié)構(gòu)幾乎一致。因此,通過氣隙磁密分析可知,交替極Halbach在減少永磁體用量后仍能保持較好的輸出能力。

2.2轉(zhuǎn)矩性能分析

從動(dòng)轉(zhuǎn)子保持不動(dòng),同時(shí)改變主動(dòng)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度,可得傳統(tǒng)永磁聯(lián)軸器和交替極Halbach永磁聯(lián)軸器的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩如圖6所示。由圖可知,隨著機(jī)械角度的變化,主動(dòng)轉(zhuǎn)子的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩呈正弦變化,且周期為209。傳統(tǒng)永磁聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為94.03N·m,交替極Halbach永磁聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為91.95N·m,該結(jié)構(gòu)永磁體消耗量僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的75%,轉(zhuǎn)矩性能卻達(dá)到其97.79%。由此驗(yàn)證了在保證轉(zhuǎn)矩性能的前提下,交替極Halbach結(jié)構(gòu)能夠提高永磁體利用率,減少永磁體用量。

圖6靜態(tài)轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

3結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析

由于磁場氣隙及永磁陣列主要參數(shù)與永磁聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩性能關(guān)系密切,故本節(jié)將對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析,研究其對(duì)轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率的影響規(guī)律,為后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

圖7展示了磁化角度9對(duì)轉(zhuǎn)矩與永磁體利用率的影響曲線。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變,改變9的取值,由于有效體積不變,轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率的曲線變化趨勢是相似的。隨著磁化角度9的增大,轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率先增大,當(dāng)9超過459時(shí),氣隙磁密逐漸減弱,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩性能降低,轉(zhuǎn)矩和利用率的曲線出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

當(dāng)改變磁極厚度,保持其他參數(shù)不變時(shí),磁極厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響規(guī)律如圖8所示。當(dāng)磁極厚度增加時(shí),轉(zhuǎn)矩也隨之增大,但增長率則慢慢衰減。永磁體利用率隨著磁極厚度的增加,先增大后減小,當(dāng)磁極厚度為7mm時(shí),利用率最大。

圖7磁化角度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能影響規(guī)律

圖8磁極厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能影響規(guī)律

氣隙厚度與有效氣隙磁密的大小關(guān)系密切,直接影響到轉(zhuǎn)矩性能的優(yōu)劣。如圖9所示,氣隙厚度越小,轉(zhuǎn)矩性能越好,隨著其不斷增加,氣隙中的磁阻增大,導(dǎo)致氣隙中的有效磁密減小,因而轉(zhuǎn)矩性能大幅下降。

圖9氣隙厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能影響規(guī)律

圖10為最大轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率隨磁極配比8變化的曲線。保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,隨著8的增加,凸鐵極所占比率也在增大,導(dǎo)致有效永磁體體積減小,故最大轉(zhuǎn)矩隨之降低。而永磁體利用率則隨著8的增加,先增大后減小,存在一個(gè)最優(yōu)磁極配比值l.4。

圖10磁極配比對(duì)轉(zhuǎn)矩性能影響規(guī)律

4結(jié)語

本文提出了一種新型的交替極Halbach徑向永磁聯(lián)軸器,并對(duì)其磁場性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度進(jìn)行了研究分析。將傳統(tǒng)永磁陣列與交替極Halbach永磁陣列的永磁聯(lián)軸器的磁場性能進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)交替極Halbach永磁陣列能夠明顯提高永磁體利用率,降低永磁材料消耗和極間漏磁,有效改善永磁聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩性能。以磁化角度9、磁極厚度h、氣隙厚度e和磁極配比8為研究對(duì)象,縱向?qū)Ρ攘诉@四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率的影響關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率的影響規(guī)律并不相同,由此可見轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率并不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)值,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。