交替極Hal bach徑向永磁聯(lián)軸器特性分析

田 杰 陳亮亮 任泰安 董剛

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

0 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(guó)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(guó)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(chǎng)，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(shì)，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)端均由永磁陣列和軛鐵構(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θ，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，減弱軛鐵處磁場(chǎng)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θ、磁極厚度h，β和β為主磁極與輔助磁極的極弧角，令β和β之比為磁極配比β。表1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(chǎng)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20°。傳統(tǒng)永磁聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為94.03 N·m，交替極Halbach永磁聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為91.95 N·m，該結(jié)構(gòu)永磁體消耗量?jī)H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。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析

由于磁場(chǎng)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θ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?chǔ)鹊娜≈?，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(shì)是相似的。隨著磁化角度θ的增大，轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率先增大，當(dāng)θ超過45°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(zhǎng)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7 mm時(shí)，利用率最大。

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10為最大轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率隨磁極配比β變化的曲線。保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，隨著β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β的增加，先增大后減小，存在一個(gè)最優(yōu)磁極配比值1.4。

4 結(jié)語(yǔ)

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(chǎng)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(chǎng)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θ、磁極厚度h、氣隙厚度e和磁極配比β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)。