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現(xiàn)力或力矩無接觸傳遞的新型傳動機構,是近年來動力傳遞方式及動密封技術領域取得的重要研究成果。相較于傳統(tǒng)機械式聯(lián)軸器,永磁聯(lián)軸器能將動密封轉為靜密封,實現(xiàn)無接觸傳動,具有減振、隔離、過載保護、軟啟動和節(jié)能環(huán)保等特性,因此永磁聯(lián)軸器在機械、化工、汽車、土木、電力、國防和核工業(yè)等很多工程領域應用廣泛,被譽為綠色的傳動機構。

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交替緊密排列結構,該結構相鄰交替排列的磁極對數(shù)較多,在同一轉子上形成回路的磁力線較多,從而導致部分磁通量的浪費。

交替極永磁陣列是由永磁體與鐵芯凸極呈交替排列構成,其中永磁體沿徑向為同一勵磁方向,即同為N極或s極,而相鄰永磁體之間的鐵芯凸極則會被相應磁化成沿徑向的異極性,永磁極與鐵芯凸極構成極性交替分布結構。國內(nèi)外許多專家學者針對交替極結構的永磁電機進行了深入研究,發(fā)現(xiàn)采用交替極結構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)徑向充磁結構的永磁陣列相比,Halbach永磁陣列則是將不同勵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。本文結合交替極結構和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拓撲結構分析

本文提出的交替極Halbach徑向永磁聯(lián)軸器拓撲結構如圖1所示,它由主動端和從動端構成。主、從動端均由永磁陣列和輒鐵構成,每對極的永磁陣列由一個Halbach永磁極和一個凸鐵極構成,且極對數(shù)和尺寸規(guī)格相同,通過磁力耦合作用來實現(xiàn)無接觸式傳動。

圖1交替極Halbach徑向磁力聯(lián)軸器結構示意圖

圖2為交替極Halbach永磁陣列示意圖,它由一個凸鐵極和一個Halbach永磁極構成,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,而凸鐵極則會被相應磁化成沿徑向的異極性。該永磁陣列不僅能有效增強氣隙處的磁通密度,減弱輒鐵處磁場強度,還能降低永磁材料的消耗量。交替極Halbach永磁陣列的主要結構參數(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)軸器的關鍵設計參數(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結構永磁區(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。在該結構中,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凸鐵極的分流效應,有效抑制了其磁飽和狀態(tài)。傳統(tǒng)永磁結構中,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)域兩側的磁通密度較交替極Halbach結構更大,從而造成其匯聚在氣隙處的有效磁通受到削弱,側面反映了交替極Halbach結構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比圖,從圖中可以看出,相比于傳統(tǒng)永磁結構,交替極Halbach結構的磁密分布正負幅值不等,不似傳統(tǒng)永磁結構其磁密分布正負幅值大小相等,但其徑向氣隙磁密的幅值大于傳統(tǒng)永磁結構,說明該結構能夠提高永磁體的利用率。

圖5為兩種結構永磁聯(lián)軸器的切向氣隙磁密對比圖,與徑向磁密分布類似,該結構的磁密分布正負幅值也不等,但其切向磁密幅值大小與傳統(tǒng)永磁結構幾乎一致。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轉矩性能分析

從動轉子保持不動,同時改變主動轉子的機械角度,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)轉矩如圖6所示。由圖可知,隨著機械角度的變化,主動轉子的靜態(tài)轉矩呈正弦變化,且周期為209。傳統(tǒng)永磁聯(lián)軸器的轉矩為94.03N·m,交替極Halbach永磁聯(lián)軸器的轉矩為91.95N·m,該結構永磁體消耗量僅為傳統(tǒng)結構的75%,轉矩性能卻達到其97.79%。由此驗證了在保證轉矩性能的前提下,交替極Halbach結構能夠提高永磁體利用率,減少永磁體用量。

圖6靜態(tài)轉矩對比圖

3結構參數(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)軸器的轉矩性能關系密切,故本節(jié)將對這些參數(shù)進行詳細分析,研究其對轉矩和永磁體利用率的影響規(guī)律,為后期結構優(yōu)化設計奠定基礎。

圖7展示了磁化角度9對轉矩與永磁體利用率的影響曲線。其他結構參數(shù)保持不變,改變9的取值,由于有效體積不變,轉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,轉矩和永磁體利用率先增大,當9超過459時,氣隙磁密逐漸減弱,導致轉矩性能降低,轉矩和利用率的曲線出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

當改變磁極厚度,保持其他參數(shù)不變時,磁極厚度對轉矩性能的影響規(guī)律如圖8所示。當磁極厚度增加時,轉矩也隨之增大,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,當磁極厚度為7mm時,利用率最大。

圖7磁化角度對轉矩性能影響規(guī)律

圖8磁極厚度對轉矩性能影響規(guī)律

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

圖9氣隙厚度對轉矩性能影響規(guī)律

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

圖10磁極配比對轉矩性能影響規(guī)律

4結語

本文提出了一種新型的交替極Halbach徑向永磁聯(lián)軸器,并對其磁場性能與結構參數(shù)敏感度進行了研究分析。將傳統(tǒng)永磁陣列與交替極Halbach永磁陣列的永磁聯(lián)軸器的磁場性能進行了對比,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為研究對象,縱向對比了這四個關鍵結構參數(shù)對轉矩和永磁體利用率的影響關系,可以發(fā)現(xiàn)各關鍵結構參數(shù)對轉矩和永磁體利用率的影響規(guī)律并不相同,由此可見轉矩和永磁體利用率并不能同時達到最優(yōu)值,為后續(xù)的結構優(yōu)化設計奠定了基礎。