一種適宜于高速運(yùn)行的無(wú)接觸式電磁離合器

李 勇 邢敬娓 韓素芳 陸永平

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程 哈爾濱 150001）

1 引言

離合器是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中一種重要的傳動(dòng)裝置，主要用于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間、機(jī)械內(nèi)部的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞與脫離。離合器的種類(lèi)很多，有磁粉式離合器，摩擦片式離合器、電磁離合器等。很多人進(jìn)行了離合器方面的研究，包括基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)算、磁場(chǎng)模型、動(dòng)態(tài)分析等[1-6]。在所研制的一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，需要一個(gè)特殊的離合器，必須具備以下功能:

（1）具有足夠的耦合力矩，額定轉(zhuǎn)速下的耦合力矩在15N·m左右。

（2）要適宜于高速運(yùn)行，并在高速運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)兩段機(jī)械軸的分離，轉(zhuǎn)速范圍在0～15000r/min。由于從動(dòng)軸對(duì)機(jī)械沖擊非常敏感，需要采用無(wú)接觸方式工作。

（3）主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間必須同步運(yùn)行，不能有相對(duì)位移。

（4）分離迅速，不能影響從動(dòng)軸的下一步動(dòng)作，分離時(shí)間不能超過(guò)0.2s。

（5）運(yùn)行可靠，在高速運(yùn)行時(shí)候出現(xiàn)故障能夠自動(dòng)脫開(kāi)，具有自動(dòng)保護(hù)功能。

（6）控制方式簡(jiǎn)單，且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

基于上述情況，現(xiàn)有的離合器滿(mǎn)足不了研制設(shè)備的這些特殊要求。為此，本文提出了一種新型無(wú)接觸式電磁離合器的設(shè)計(jì)思想[7]，采用直流通電控制方式，利用齒槽作用機(jī)理，完成高速運(yùn)行過(guò)程中的離合作用。本文旨在介紹和研究這種新型電磁離合器的原理結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)計(jì)算，樣機(jī)研制和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等問(wèn)題。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了該新型電磁離合器原理正確，方案可行。

2 新型電磁離合器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

新型無(wú)接觸式電磁離合器由定子，主從動(dòng)轉(zhuǎn)子和線(xiàn)圈組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1所示。離合器的主動(dòng)轉(zhuǎn)子安裝在原動(dòng)機(jī)的輸出端，離合器的從動(dòng)轉(zhuǎn)子與工作機(jī)的輸入端相連。該離合器工作于如下的兩種狀態(tài):

圖1 電磁離合器的結(jié)構(gòu)示意圖1—離合器定子 2—?jiǎng)?lì)磁線(xiàn)圈3—離合器主動(dòng)轉(zhuǎn)子 4—離合器從動(dòng)轉(zhuǎn)子Fig.1 Sketch of the designed electromagnetic clutch

（1）接通狀態(tài):勵(lì)磁線(xiàn)圈通電，在兩個(gè)轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩，此時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)子完全是齒對(duì)齒。當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不失步情況下，由于磁阻效應(yīng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子便跟隨主動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)離合器的接通。

（2）斷開(kāi)狀態(tài):當(dāng)工作機(jī)需要與原動(dòng)機(jī)斷開(kāi)時(shí)，只要切斷勵(lì)磁線(xiàn)圈的電源即可，此時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間已無(wú)磁場(chǎng)耦合和電磁轉(zhuǎn)矩，從動(dòng)轉(zhuǎn)子呈自由減速狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了離合器的斷開(kāi)。

該離合器的主要特點(diǎn):

（1）基于磁阻效應(yīng)原理，與步進(jìn)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相似但卻有本質(zhì)區(qū)別，文獻(xiàn)上還未見(jiàn)過(guò)報(bào)道。這兩種電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)絕不能相等，否則無(wú)法連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而本離合器主動(dòng)和從動(dòng)軸轉(zhuǎn)子一定是齒數(shù)相等、嚴(yán)格對(duì)齊的。

（2）無(wú)接觸電磁場(chǎng)耦合方式，具有自動(dòng)保護(hù)功能。離合器依靠?jī)蓚€(gè)轉(zhuǎn)子之間的最大靜轉(zhuǎn)矩保持主從部分的耦合，當(dāng)出現(xiàn)故障或特殊情況，使得一方速度突變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于保持轉(zhuǎn)矩時(shí)，則出現(xiàn)失步，主從部分自動(dòng)脫離。

（3）采用直流供電方式，時(shí)間常數(shù)小，能實(shí)現(xiàn)快速分離。

（4）適宜于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。耦合部分無(wú)電磁線(xiàn)圈、磁鋼、摩擦片等部件，結(jié)構(gòu)完整，剛度好，適宜于研制設(shè)備所需的高速運(yùn)行。

3 離合器模型的解析分析

電磁離合器的電磁轉(zhuǎn)矩可依據(jù)最基本的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，通過(guò)磁場(chǎng)儲(chǔ)能或磁共能對(duì)位置角的偏導(dǎo)求解來(lái)求得。所設(shè)計(jì)的離合器利用的是磁阻效應(yīng)，分析時(shí)可以借鑒開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)理論[8-9]。

無(wú)接觸式離合器的等值磁路如圖2所示，其中Fm、Rm和Rσ1分別對(duì)應(yīng)勵(lì)磁繞組的等效磁動(dòng)勢(shì)、內(nèi)部磁阻和漏磁阻。R1～RZ分別為每極下的氣隙磁阻，Rh為附加氣隙的磁阻，Rσ2為轉(zhuǎn)子間氣隙的漏磁阻。

圖2 離合器的等值磁路Fig.2 Equivalent magnetic circuit of the clutch

所設(shè)計(jì)離合器主動(dòng)和從動(dòng)轉(zhuǎn)子具有相同的齒槽結(jié)構(gòu)，所以每個(gè)齒在確定位置處的磁阻是相同的。每個(gè)齒距之間的磁路亦是相同的，因此可簡(jiǎn)化計(jì)算一個(gè)齒的轉(zhuǎn)矩T1，總轉(zhuǎn)矩即為ZT1，Z為齒數(shù)。

當(dāng)不計(jì)鐵心飽和及忽略高次諧波時(shí)，每極磁阻可表示為

式中 Λa—?dú)庀洞艑?dǎo)的恒定分量；

Λb—?dú)庀洞艑?dǎo)的基波分量幅值；

θe—主從動(dòng)轉(zhuǎn)子齒中心線(xiàn)之間的電角度。

設(shè)Rg為一個(gè)齒距下的氣隙磁阻，則外部磁路磁阻為

磁路的總磁阻為

顯然，外部磁路總磁阻RT隨Rg的變化而變化，因此當(dāng)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì) Fm保持恒定時(shí)，氣隙中總磁通Φm亦隨Rg變化，即隨轉(zhuǎn)子位置角θe的變化而變化。

則對(duì)應(yīng)一個(gè)齒距的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中 θ—主從動(dòng)轉(zhuǎn)子齒中心線(xiàn)之間的機(jī)械角度；

另外，離合器最大轉(zhuǎn)矩與齒數(shù)是隱函數(shù)關(guān)系，不同齒數(shù)時(shí)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩與齒數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Calculated curve between torque and number of teeth

根據(jù)上述分析可以得出如下結(jié)果:

（1）當(dāng)磁路不飽和時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩與電流的平方近似成正比，因此，改變勵(lì)磁安匝數(shù)就可以調(diào)節(jié)離合器的最大轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而調(diào)整帶載能力。

（2）轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差角基本是正弦變化，有些類(lèi)似于步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩特性。但由于其中有余弦的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)，所以曲線(xiàn)與正弦曲線(xiàn)相比有畸變，但只要曲線(xiàn)的變化規(guī)律是單調(diào)的，就可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（3）負(fù)載轉(zhuǎn)矩不同，則轉(zhuǎn)差角不同。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，從動(dòng)轉(zhuǎn)子可以跟隨主動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，完成所要求的離合功能。

（4）轉(zhuǎn)矩與齒數(shù)成正向變化關(guān)系，即齒數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩越大。當(dāng)齒數(shù)增加到一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩幾乎不再增加。

這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的新型離合器的工作原理是可行的。

4 電磁離合器的Ansoft仿真計(jì)算

利用有限元分析軟件建立了離合器的 3D計(jì)算模型，離合器磁場(chǎng)分析采用的電磁場(chǎng)理論基于Maxwell方程組，考慮到鋼的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界空氣的磁導(dǎo)率，穿過(guò)定子外邊界和從動(dòng)轉(zhuǎn)子內(nèi)邊界的磁通量很小，所以可以認(rèn)為定子外邊界與從動(dòng)轉(zhuǎn)子內(nèi)邊界是等A線(xiàn)，即B=0，滿(mǎn)足第一類(lèi)邊界條件Az=0。由于離合器內(nèi)的磁場(chǎng)分布每經(jīng)過(guò)一個(gè)齒距就發(fā)生重復(fù)，滿(mǎn)足整周期邊界條件，因而求解域可縮小為一個(gè)齒距內(nèi)的區(qū)域，如圖4所示。

對(duì)建立的離合器有限元模型，設(shè)置適當(dāng)?shù)睦@組匝數(shù)，通以直流電，經(jīng)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算，得出通入某一電流時(shí)的磁鏈圖如圖5所示。

圖4 求解區(qū)域Fig.4 Computational area of magnetic field

圖5 磁鏈分布圖Fig.5 Flux distribution of the calculated field

經(jīng)過(guò)分析可以看出，離合器的磁鏈從定子經(jīng)過(guò)氣隙進(jìn)入主動(dòng)轉(zhuǎn)子，然后穿過(guò)齒和氣隙，進(jìn)入從動(dòng)轉(zhuǎn)子，再通過(guò)氣隙回到定子齒，形成閉合回路，對(duì)于主從動(dòng)轉(zhuǎn)子而言，耦合的是單極性的磁場(chǎng)。

計(jì)算求得的磁通密度分布云圖如圖6所示，可以看出離合器的內(nèi)轉(zhuǎn)子和齒部比較容易飽和，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中要適當(dāng)考慮其尺寸。計(jì)算得到離合器的矩角特性曲線(xiàn)如圖7所示，與式（7）的分析結(jié)果是符合的。

圖6 磁通密度分布云圖Fig.6 Flux density cloud of the clutch

圖7 離合器的矩角特性Fig.7 Torque-angle characteristics of the clutch

對(duì)應(yīng)不同電流的轉(zhuǎn)矩-電流特性計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)電流逐漸增大并超過(guò) 8A時(shí)，磁路開(kāi)始飽和，轉(zhuǎn)矩特性也呈現(xiàn)飽和特征。

5 樣機(jī)研制和實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)研制的無(wú)接觸式電磁離合器樣機(jī)如圖8所示（設(shè)計(jì)了特殊的安裝軸系）。通過(guò)測(cè)試得出樣機(jī)最大轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.8 Designed prototype

圖9 樣機(jī)轉(zhuǎn)矩-電流關(guān)系曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果Fig.9 Experimental data at different phase currents

對(duì)比圖9和仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，仿真計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的變化規(guī)律相同，兩者最大誤差18%，最小誤差8.8%?？傮w看來(lái)，計(jì)算得到的結(jié)果偏大，這可能是由計(jì)算的精度和測(cè)量誤差造成的。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，裝配離合器的主從轉(zhuǎn)子速度曲線(xiàn)如圖10所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)最高轉(zhuǎn)速在12000r/min左右。從曲線(xiàn)可以看出，主從轉(zhuǎn)子耦合狀態(tài)良好，沒(méi)有出現(xiàn)相對(duì)打滑現(xiàn)象。

圖10 裝配離合器的主從轉(zhuǎn)子實(shí)測(cè)速度曲線(xiàn)Fig.10 Measured speed curves of the two rotors attached to the clutch

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于齒槽作用機(jī)理的適宜于高速運(yùn)行的無(wú)接觸式電磁離合器，進(jìn)行了基于磁路法的解析分析和基于Ansoft的仿真計(jì)算，最后研制了樣機(jī)并完成了測(cè)試。理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果都證明，所提出的新型離合器的設(shè)計(jì)思路是正確的，方案是可行的，可以滿(mǎn)足所研制設(shè)備的工程要求。

關(guān)于該離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)特性控制等問(wèn)題，限于篇幅，將另文介紹。

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