一種機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置

張鴻飛 ，賈 ，趙曉峰 ，姚 鶴

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省金屬塑性成型裝備智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

鍛造操作機(jī)是鍛造行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中不可或缺的輔助操作裝置，在提高生產(chǎn)率、改善生產(chǎn)條件、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高鍛造質(zhì)量方面非常重要[1-2]。目前傳統(tǒng)的鍛造操作機(jī)主要是全液壓型驅(qū)動(dòng)控制，其響應(yīng)速度較慢，而且鍛造操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)、機(jī)械星型齒輪減速器、機(jī)械齒輪傳動(dòng)形式，如圖1所示。由于機(jī)械齒輪傳遞效率高，傳動(dòng)比穩(wěn)定，可傳遞轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域[3-5]，但是機(jī)械齒輪傳動(dòng)中主、從動(dòng)輪輪齒直接接觸，容易發(fā)生疲勞斷裂、摩擦損耗，產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊、噪聲及需要良好的潤滑；而且由于液壓馬達(dá)自身的特殊性，在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定、工作運(yùn)行時(shí)有沖擊、振動(dòng)、漏油，容易造成環(huán)境污染、維修不便，且進(jìn)口價(jià)格昂貴[6]。目前國內(nèi)外學(xué)者對鍛造操作機(jī)的研究主要在其機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、控制系統(tǒng)、疲勞[7-9]等方面，而對其傳動(dòng)形式研究很少。

圖1 傳統(tǒng)鉗桿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)裝置

基于以上背景，本文提出了一種機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，如圖2所示。它集磁場調(diào)制型磁齒輪與伺服電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)于一體，其控制精度、響應(yīng)速度、單位體積力密度可與傳統(tǒng)液壓馬達(dá)、機(jī)械星型齒輪減速器組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相媲美[10]。

圖2 機(jī)電集成鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)裝置

1 三維模型

基于SolidWorks，按表1建立了一種機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)簡化模型，如圖3所示。主要由伺服電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子（內(nèi)轉(zhuǎn)子軸及其外表面永磁體）、調(diào)磁環(huán)、外轉(zhuǎn)子（小齒輪軸及其內(nèi)表面永磁體）、嚙合的大小機(jī)械齒輪、鉗桿構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)、外轉(zhuǎn)子構(gòu)成第一級(jí)傳動(dòng)；小齒輪軸、大齒輪、鉗桿構(gòu)成第二級(jí)傳動(dòng)。

表1 主要參數(shù)

圖3 三維結(jié)構(gòu)模型

2 工作原理

如圖3所示，機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置具有兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，即小齒輪軸內(nèi)部集成的磁場調(diào)制型磁齒輪，構(gòu)成為第一級(jí)傳動(dòng)；小齒輪軸與大齒輪嚙合傳動(dòng)，構(gòu)成第二級(jí)傳動(dòng)；內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面間隔布置有極對數(shù)為p1的N極、S極永磁體，小齒輪軸內(nèi)表面間隔布置有極對數(shù)為p2的N極、S極永磁體，調(diào)磁環(huán)由導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁材料組成環(huán)形，導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁極對數(shù)均為p1+p2。

當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面上的永磁體在氣隙1內(nèi)產(chǎn)生主諧波次數(shù)為N1的旋轉(zhuǎn)磁場，正好與內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體極對數(shù)吻合，經(jīng)調(diào)磁環(huán)磁場調(diào)制后，在氣隙2內(nèi)產(chǎn)生主諧波次數(shù)為N2的旋轉(zhuǎn)磁場，正好和小齒輪軸內(nèi)表面永磁體極對數(shù)吻合，實(shí)現(xiàn)其等磁極耦合傳動(dòng)，從而使得小齒輪軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其第一級(jí)減速傳動(dòng)；當(dāng)小齒輪軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，小齒輪軸的輪齒與大齒輪輪齒做嚙合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鉗桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其第二級(jí)減速傳動(dòng)。

機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的第一、第二級(jí)傳動(dòng)的減速比及承載能力可分別調(diào)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體極對數(shù)、小齒輪軸內(nèi)表面永磁體極對數(shù)、徑向厚度、軸向長度、永磁體剩磁等參數(shù)以及小齒輪軸、大齒輪輪齒數(shù)等參數(shù)實(shí)現(xiàn)，其轉(zhuǎn)速可通過伺服電機(jī)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鉗桿低速大扭矩傳輸，實(shí)現(xiàn)鉗桿的回轉(zhuǎn)夾持功能。

3 有限元分析法

3.1 有限元模型

機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的第一級(jí)轉(zhuǎn)矩特性主要依賴于小齒輪軸內(nèi)部集成的磁場調(diào)制型磁齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此采用有限元法分析其轉(zhuǎn)矩特性時(shí)，只需單獨(dú)建立并分析小齒輪軸及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限元2D模型即可。基于Ansoft Maxwell電磁場有限元分析軟件，建立了如圖4所示的有限元分析模型，包括結(jié)構(gòu)2D模型、初始網(wǎng)格劃分模型、磁力線分部模型。

從圖4a初始網(wǎng)格剖分上看，考慮到氣隙部分的磁阻比永磁體和小齒輪軸大，所以氣隙1、2部分的網(wǎng)格劃分較密，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸上的永磁體與內(nèi)轉(zhuǎn)子軸的網(wǎng)格單元共用邊界節(jié)點(diǎn)，同樣小齒輪軸內(nèi)表面上的永磁體與小齒輪軸的網(wǎng)格單元也共用邊界節(jié)點(diǎn)，且裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過程中內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子單元?jiǎng)傂赞D(zhuǎn)動(dòng)，氣隙1、2中間位置處為非節(jié)點(diǎn)共用區(qū)，機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)過程中邊界節(jié)點(diǎn)之間通過插值實(shí)現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子與調(diào)磁環(huán)之間磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算，雖然插值計(jì)算會(huì)帶來一定的誤差，但氣隙網(wǎng)格較密，對整體計(jì)算精度影響不大。

采用有限元方法得到機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的磁力線分布如圖4b所示。機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的磁力線有兩種情況：①內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子傳動(dòng)部分相鄰永磁體邊緣接觸部分的磁力線就近閉合；②內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線經(jīng)調(diào)磁環(huán)、小齒輪軸內(nèi)表面永磁體、小齒輪軸形成回路，使得內(nèi)轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)及外轉(zhuǎn)子間存在耦合磁場，實(shí)現(xiàn)耦合傳動(dòng)。

圖4 二維有限元模型

3.2 磁通密度及空間諧波

內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子間的相對旋轉(zhuǎn)角度為π/8時(shí)，利用有限元法得到氣隙1、2中間位置處的徑向、切向磁通密度，如圖5所示。由圖可知?dú)庀?、2的徑向和切向氣隙磁密經(jīng)由調(diào)磁環(huán)磁場調(diào)制后，基本成正弦規(guī)律曲線變化，且氣隙2的磁密較氣隙1更密，幅值更大。

對氣隙1、2中間位置處的徑向磁通密度進(jìn)行傅里葉變換即得到其所對應(yīng)的空間諧波次數(shù)，如圖6所示。由圖可知?dú)庀?、2的空間主諧波次數(shù)正好與所設(shè)計(jì)的內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體極對數(shù)和小齒輪軸內(nèi)表面永磁體極對數(shù)吻合，說明經(jīng)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后，內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間可以實(shí)現(xiàn)等磁極耦合傳動(dòng)，除主諧波外，還存在著其他諧波分量。

圖5 氣隙磁通密度

圖6 氣隙空間諧波次數(shù)

3.2 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

基于Ansoft Maxwell的magnetostatic分析，小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）固定不動(dòng)，內(nèi)轉(zhuǎn)子緩慢線性地轉(zhuǎn)過一定的機(jī)械角度（一個(gè)周期），即可得出外轉(zhuǎn)子的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線；內(nèi)轉(zhuǎn)子固定，外轉(zhuǎn)子緩慢線性地轉(zhuǎn)過一定機(jī)械角度，也可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性曲線，機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的第一級(jí)傳動(dòng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線，如圖7所示。

圖7 內(nèi)外轉(zhuǎn)子靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置在運(yùn)行過程中，其驅(qū)動(dòng)能力取決于內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）的負(fù)載大于外轉(zhuǎn)子所承受的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間將失去磁耦合力作用，小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）靜止不動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子做振蕩衰減運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉗桿裝置的過載自我保護(hù)。

3.3 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

在帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行仿真過程中，以內(nèi)轉(zhuǎn)子為輸入，小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）為輸出，基于Ansoft Maxwell的Transient分析，得出了機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)、外轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖8所示。

圖8 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

由圖8可知，機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，其轉(zhuǎn)矩具有微小波動(dòng)特性，且其所傳遞的轉(zhuǎn)矩符合傳動(dòng)比4.25。由于仿真過程中外轉(zhuǎn)子的機(jī)械特性，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦阻尼未加考慮，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，外轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

3.4 啟動(dòng)特性

在空載啟動(dòng)仿真過程中，以內(nèi)轉(zhuǎn)子為輸入，小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）為輸出。內(nèi)轉(zhuǎn)子軸在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，以85rpm的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)小齒輪軸旋轉(zhuǎn)，仿真時(shí)間為500ms，基于Ansoft Maxwell的Transient分析，機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置由啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，內(nèi)轉(zhuǎn)子、小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩如圖9、圖10所示。

圖9 啟動(dòng)轉(zhuǎn)速

圖10 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

由圖9可知，機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)轉(zhuǎn)子通過磁耦合作用驅(qū)動(dòng)小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）旋轉(zhuǎn)，且其轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比符合4.25。小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）在內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)下外轉(zhuǎn)子速度由開始的較大波動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行，其速仍然具有微小波動(dòng)，小齒輪軸（外轉(zhuǎn)子）旋轉(zhuǎn)速度由暫態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行時(shí)間很短。

由圖10可知，機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)后由暫態(tài)振蕩進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)，由于空載起步，所以內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩繞坐標(biāo)軸原點(diǎn)零位置上下波動(dòng)。

4 結(jié)論

（1）機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的氣隙1、2內(nèi)的磁場主諧波次數(shù)與其對應(yīng)的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)吻合，且各氣隙內(nèi)磁場為包含主諧波在內(nèi)的多次諧波疊加，從而揭示了其磁耦合工作機(jī)理。

（2）基于Ansoft Maxwell，利用麥克斯韋應(yīng)力張量法，得出的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子靜態(tài)轉(zhuǎn)矩呈正弦規(guī)律變化，且內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩分別為200N·m和850N·m。

（3）機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子在工作過程中其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均具有微小波動(dòng)，且其工作狀態(tài)由暫態(tài)到穩(wěn)定時(shí)間很短。

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