磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算及其影響因素分析

摘 要：磁力聯(lián)軸器使用永磁體的磁力把原動機與工作機相聯(lián)接，能以無接觸的方式完成轉(zhuǎn)矩的傳遞，是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵設(shè)備之一。計算磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩是機械設(shè)計中電機選型和阻抗匹配要考慮的重要問題。雖然人們已對磁力聯(lián)軸器做了大量的研究，但系統(tǒng)研究磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計算并分析轉(zhuǎn)矩影響因素的資料并不多。因此，研究磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算有必要進(jìn)一步探討。

關(guān)鍵詞：磁力聯(lián)軸器；靜態(tài)轉(zhuǎn)矩；磁場

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.214

1 前言

隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外對機械傳動裝置的研究不斷深入，磁力聯(lián)軸器也逐漸從傳統(tǒng)的機械聯(lián)軸器逐漸過渡到現(xiàn)在的磁力聯(lián)軸器，很好的解決了過大的振動和電機啟動問題。密封特性是機械液壓傳動中的重要指標(biāo)，磁力聯(lián)軸器將傳統(tǒng)聯(lián)軸器采用的動密封轉(zhuǎn)為靜密封，困擾設(shè)計人員的密封問題得以解決。為了進(jìn)一步研究磁力聯(lián)軸器的傳動特性，完善磁力聯(lián)軸器的選型計算，本文將主要探討磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算問題并分析磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩大小的影響因素。

2 磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

磁力聯(lián)軸器主要由兩個普通聯(lián)軸器復(fù)合而成，一個作為主動裝置，一個作為從動裝置。其中主動部件主要由主動盤、調(diào)速裝置、主動軸、永磁體、主動基體、推力球軸承、操作手柄等組成，從動部件主要由從動盤、從動基體、從動軸等組成。永磁體分布在主動部件的轉(zhuǎn)子上，從動轉(zhuǎn)子槽上分布有薄環(huán)形的銅導(dǎo)體。主動盤和從動盤之間不直接接觸，轉(zhuǎn)矩的傳遞通過永磁體形成的氣隙磁場完成，這就大幅度地減輕了聯(lián)軸器組成部件由于振動造成的磨損。

主動裝置中的操作手柄帶動螺紋傳動副、軸承沿著一定的方向轉(zhuǎn)動，右從動盤基體壓縮彈簧的同時推動連桿轉(zhuǎn)動，并帶動左從動盤壓縮彈簧，從而使主動盤和從動盤拉開距離；若操作手柄向相反的方向轉(zhuǎn)動，彈簧的拉伸狀態(tài)被恢復(fù)，從而使兩個從動盤拉開距離；這樣反復(fù)控制操作手柄的轉(zhuǎn)動，調(diào)整主、從動盤之間的距離，就能實現(xiàn)磁力聯(lián)軸器的調(diào)速，這就是磁力聯(lián)軸器調(diào)速的工作原理。當(dāng)電機啟動的時候，磁力聯(lián)軸器的操作手柄動作，使主、從動盤之間的距離調(diào)整到最大，這樣就實現(xiàn)了電機和負(fù)載的分離，使電機在空載或低負(fù)載的情況下啟動；當(dāng)電機穩(wěn)定運行后，轉(zhuǎn)動操縱手柄將主、從動盤間距調(diào)到設(shè)定距離，電機帶動負(fù)載正常運轉(zhuǎn)，這就完成了電機的軟啟動。

3 磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算

磁力聯(lián)軸器最重要的作用就是實現(xiàn)了原動機和從動機之間的轉(zhuǎn)矩傳遞，轉(zhuǎn)矩大小的計算是磁力聯(lián)軸器設(shè)計的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)矩的傳遞是通過氣隙磁場完成的，要計算轉(zhuǎn)矩就必須計算磁場。磁力聯(lián)軸器的磁場分布十分復(fù)雜，常用的磁路法、解析法等磁場計算方法并不能很好完成磁場計算，磁力聯(lián)軸器磁場的計算需使用有限元的方法。建立磁力聯(lián)軸器的FEA模型，再研究氣隙、磁極數(shù)、槽深、永磁體、銅導(dǎo)線、原動機轉(zhuǎn)速等對轉(zhuǎn)矩的影響。

為了簡化建立磁力聯(lián)軸器模型的過程，作出如下假設(shè)。第一，不考慮永磁體的磁滯效應(yīng)，假設(shè)永磁體是各向同性的。第二，或略磁力聯(lián)軸器中非磁性材料存在，只考慮轉(zhuǎn)盤、永磁體、銅導(dǎo)線等磁性材料。基于以上假設(shè)，選取適當(dāng)?shù)臍庀堕L度、轉(zhuǎn)子尺寸、永磁體尺寸等參數(shù)建立磁力聯(lián)軸器的分析模型。磁力聯(lián)軸器模型的氣隙是平面型的，方向沿磁力聯(lián)軸器的軸線方向，磁力聯(lián)軸器內(nèi)部磁場分布不均勻，需使用FEA軟件分析磁場分布。

假設(shè)永磁體的磁極數(shù)為18，從動轉(zhuǎn)子上的槽數(shù)為16，在ANSYS中建立磁力聯(lián)軸器的有限元模型，并在指定磁力聯(lián)軸器各組成零部件的材料屬性后劃分網(wǎng)格。由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，故采用瞬態(tài)分析的方法計算磁場參數(shù)。設(shè)置原動機輸入的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率，運行求解后得到磁感應(yīng)強度的云圖，然后進(jìn)行后處理得到磁感應(yīng)強度的分布。根據(jù)磁感應(yīng)強度的分布，就能方便的計算磁力聯(lián)軸器所傳遞的轉(zhuǎn)矩。

4 磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的影響因素分析

首先分析從動機負(fù)載對磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的影響。在上文中的有限元分析，得到了轉(zhuǎn)矩與時間關(guān)系的曲線，在原動機剛啟動的一段時間內(nèi)，磁力聯(lián)軸器所傳遞的轉(zhuǎn)矩逐漸增大，然后轉(zhuǎn)矩逐漸減小并趨于穩(wěn)定，這與氣隙磁場的變化有關(guān)。當(dāng)原動機剛剛啟動時，磁場主要來自永磁體，隨著輸入轉(zhuǎn)速的不斷增加，轉(zhuǎn)矩也逐漸增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時，磁力聯(lián)軸器內(nèi)部產(chǎn)生了感應(yīng)磁場，與原磁場相抵消，故轉(zhuǎn)矩下降。隨著磁場逐漸趨于穩(wěn)定，磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩也趨于穩(wěn)定。

其次分析輸入轉(zhuǎn)速對磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的影響。逐漸改變有限元模型中磁力聯(lián)軸器的輸入轉(zhuǎn)速，F(xiàn)EA后處理得到磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線。從該圖中可以看出，轉(zhuǎn)矩在前0.06s中迅速增加，隨后迅速趨于穩(wěn)定。對比不同輸入轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩-時間曲線，發(fā)現(xiàn)隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加磁力聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩大小略有增加，但是變化幅度很小。這是由于負(fù)載是一定的，轉(zhuǎn)速增大則使功率增大，相應(yīng)的磁力聯(lián)軸器所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小也隨之增加。

最后分析氣隙尺寸對磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。在氣隙尺寸分別為4mm、6mm、8mm和10mm的情況下分別求解磁力聯(lián)軸器的有限元模型。后處理結(jié)果表明，磁力聯(lián)軸器所傳遞轉(zhuǎn)矩的大小隨著氣隙尺寸的增大而減小。隨著氣隙尺寸的變化，磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的大小波動很大。這是因為隨著氣隙尺寸的增加，主動盤和從動盤之間的漏磁增加，并且氣隙尺寸的增加造成了磁路磁阻的增大，這都造成了電磁轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩的減小，因此磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩也減小。

5 結(jié)論與展望

磁力聯(lián)軸器是在機械傳動裝置中普遍應(yīng)用的重要設(shè)備，用于完成原動機和從動機之間的轉(zhuǎn)矩傳遞，計算磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩對機械傳動裝置的設(shè)計和磁力聯(lián)軸器的選型有重要影響。本文在介紹磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，介紹了分析磁力聯(lián)軸器磁場分布的有限元方法，并分析了影響磁力聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩大小的因素，對磁力聯(lián)軸器的設(shè)計和選型能起到一定的指導(dǎo)作用。

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作者簡介：周德宇（1979-），男，回族，江蘇揚州人，本科，工程師，研究方向：機械設(shè)計制造。