混合磁路的同步永磁聯(lián)軸器設(shè)計(jì)

摘要：為解決農(nóng)機(jī)裝備聯(lián)軸器傳動(dòng)過程中大振動(dòng)、高噪聲與共振等問題，設(shè)計(jì)一種外層磁路為Halbach陣列、內(nèi)層磁路為N—S間隔交替排列的混合型磁路的高速同步永磁聯(lián)軸器（HSPMC）。首先，采用Ansoft軟件對(duì)HSPMC的磁路進(jìn)行仿真計(jì)算，分析關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)HSPMC傳遞扭矩的影響。其次，計(jì)算HSPMC在工作轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時(shí)磁鋼固定套的最大應(yīng)力值為876.5 MPa、最大變形值為209.9 μm。最后，制作樣機(jī)進(jìn)行扭矩試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：隨著磁極對(duì)數(shù)的增大，HSPMC的最大扭矩值先增大后減??；隨著磁占比系數(shù)或磁鋼厚度值的增大，HSPMC的最大扭矩值均呈現(xiàn)增大的趨勢；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速小于20 000 r/min時(shí)，HSPMC的磁鋼固定套強(qiáng)度能夠滿足使用要求；HSPMC最大扭矩的試驗(yàn)值與仿真值誤差在6%以內(nèi)，因此，該混合型磁路的HSPMC能夠滿足正常的扭矩傳遞需求。

關(guān)鍵詞：高速同步永磁聯(lián)軸器；農(nóng)業(yè)裝備；磁極對(duì)數(shù)；磁路；扭矩

中圖分類號(hào)：TH133.4； TH122; S22" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2025） 04?0248?07

Design of synchronous permanent magnet coupling with hybrid magnetic circuit

Mu Honggang Wang Mingyou Chen Chanjuan Han Wei Zhao Yanlei

（1. Aviation Engineering Institute， Jiangsu Aviation Technical College， Zhenjiang， 212134， China; 2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract： In order to solve the problems of large vibration， high noise and easy resonance in the transmission process of the existing coupling of agricultural machinery equipment， a high?speed synchronous permanent magnet coupling （HSPMC） with Halbach array as outer magnetic circuit and N—S alternating mixed magnetic circuit as inner magnetic circuit was designed. Firstly， Ansoft software was used to simulate the magnetic circuit of HSPMC， and the influences of key design parameters on the transmission torque of HSPMC were analyzed. Secondly， the maximum stress and the maximum deformation of the magnetic steel fixed sleeve were 876.5 MPa and 209.9 μm respectively when the working speed of HSPMC was 20 000 r/min. Finally， the prototype was made for torque test verification. The results show that the maximum torque of HSPMC increases first and then decreases with the increase of magnetic poles， and the maximum torque of HSPMC increases with the increase of the magnetic ratio or the magnetic steel thickness. When the operating speed is less than 20 000 r/min， the strength of magnetic steel fixing sleeve of HSPMC can meet the operating requirements. The errors between the test values and the simulation values of maximum torque of HSPMC are always less than 6%， so HSPMC with hybrid magnetic circuit can meet the normal torque transmission requirements.

Keywords： high?speed synchronous permanent magnet coupling; agricultural equipment; magnetic poles; magnetic circuit; torque

0 引言

永磁聯(lián)軸器是依靠稀土永磁材料的磁力作用實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸與負(fù)載軸之間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械聯(lián)軸器而言，永磁聯(lián)軸器具有無摩擦、隔振降噪、無需精確對(duì)中、彈性緩沖啟動(dòng)等一系列優(yōu)勢[2]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)軸與負(fù)載軸的轉(zhuǎn)速是否同步，可將其分為同步永磁聯(lián)軸器（SPMC）和異步永磁聯(lián)軸器（APMC）。劉曉等[3]提出一種新型雙段Halbach陣列軸向永磁聯(lián)軸器，并對(duì)轉(zhuǎn)矩目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。董亮[4]、楊超君[5]等采用有限元軟件模擬求得APMC的磁場分布、轉(zhuǎn)矩曲線并推導(dǎo)了輸出轉(zhuǎn)矩公式。尹新權(quán)等[6]以磁極對(duì)數(shù)、永磁體厚度、氣隙值作為主要設(shè)計(jì)變量，采用Ansoft軟件計(jì)算APMC的傳動(dòng)扭矩及渦流損耗。趙瑞杰[7]、汪家瓊[8]等采用Ansoft軟件對(duì)APMC進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了不同磁極對(duì)數(shù)及氣隙值對(duì)傳遞扭矩的影響。國外Shin等[9]對(duì)軸向耦合的SPMC進(jìn)行三維有限元仿真計(jì)算，研究了磁鋼厚度、磁極對(duì)數(shù)對(duì)SPMC的扭矩影響規(guī)律。鄭紅梅等[10]對(duì)整體雙層盤式APMC的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析。陳文波等[11]采用Ansoft仿真軟件求解了盤式SPMC在不同工作間隙時(shí)的最大傳輸轉(zhuǎn)矩。李召等[12]提出一種改進(jìn)布谷鳥搜索方法，對(duì)盤式APMC進(jìn)行模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算其最大輸出扭矩和渦流損耗。綜上，目前國內(nèi)外研究人員對(duì)永磁聯(lián)軸器的傳遞扭矩特性研究較多，而且主要集中在中、低速機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)場合，而對(duì)于其在高速機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究較少。

高速離心泵工作轉(zhuǎn)速高，甚至可達(dá)20 000 r/min，因其具有揚(yáng)程高、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)灌溉、石油化工等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[13]。然而，目前在高速離心泵等機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中主要采用的是傳統(tǒng)機(jī)械聯(lián)軸器，它是依靠機(jī)械接觸傳動(dòng)方式將驅(qū)動(dòng)軸和負(fù)載軸相連接，故對(duì)驅(qū)動(dòng)軸和負(fù)載軸的對(duì)中要求較高，而且驅(qū)動(dòng)軸或負(fù)載軸之間的振動(dòng)會(huì)進(jìn)行相互傳遞。高速聯(lián)軸器在工作時(shí)，其承受大離心力、高扭矩、平行和角向誤差等復(fù)雜工況，因此，存在振動(dòng)大，且會(huì)降低聯(lián)軸器彎曲剛度的問題[14]。對(duì)于高速傳動(dòng)工況，因聯(lián)軸器的不對(duì)中引起的振動(dòng)超標(biāo)是導(dǎo)致系統(tǒng)故障的主要因素，一組國外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)軸器不對(duì)中故障占旋轉(zhuǎn)機(jī)械總故障的60%以上[15]。而永磁聯(lián)軸器在滿足驅(qū)動(dòng)軸與負(fù)載軸之間傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速的同時(shí)，又可將驅(qū)動(dòng)軸和負(fù)載軸之間的振動(dòng)進(jìn)行有效“隔離”，即非接觸傳動(dòng)。牟紅剛等[16]對(duì)采用永磁傳動(dòng)的滾動(dòng)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)展開研究，研究表明，采用永磁傳動(dòng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有良好的隔振特性。田杰等[17]對(duì)考慮安裝誤差的徑向永磁聯(lián)軸器的振動(dòng)特性進(jìn)行分析研究。高慶忠等[18]對(duì)軸向和徑向同時(shí)參與磁耦合傳動(dòng)的永磁聯(lián)軸器進(jìn)行了振動(dòng)特性分析研究。通過公開的研究成果可看出，目前永磁聯(lián)軸器在高速機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究較少，特別是當(dāng)工作轉(zhuǎn)速在6 000 r/min以上時(shí)，常規(guī)設(shè)計(jì)的磁路結(jié)構(gòu)基本已無法滿足使用要求，因此，需要對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，另外高速傳動(dòng)時(shí)磁鋼的固定問題也凸顯出來。

針對(duì)上述問題，本文研發(fā)設(shè)計(jì)一種高速同步永磁聯(lián)軸器（HSPMC），從磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，分析磁極對(duì)數(shù)、磁占比系數(shù)及磁鋼厚度對(duì)HSPMC傳遞扭矩的影響，并對(duì)高速傳動(dòng)時(shí)磁鋼固定套的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算以及樣機(jī)扭矩試驗(yàn)驗(yàn)證，以期解決目前離心泵等高速機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)大、噪聲大甚至共振的問題。

1 HSPMC磁路的選擇

圖1為SPMC的結(jié)構(gòu)示意圖，主要由外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子兩大部件組成，其中，外轉(zhuǎn)子部件包括外轉(zhuǎn)子載體、外層磁鋼；內(nèi)轉(zhuǎn)子部件包括內(nèi)轉(zhuǎn)子載體、內(nèi)層磁鋼及磁鋼固定套。外層磁鋼與內(nèi)層磁鋼的磁極均取N—S間隔交替排列，內(nèi)、外層磁鋼之間設(shè)置有氣隙，氣隙中充滿磁力線，即依靠磁力線的作用使得內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子之間具有磁耦合關(guān)系。將SPMC的外轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)軸相連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子與負(fù)載軸相連接，亦或反之，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸和負(fù)載軸之間轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的傳遞。

圖2（a）為內(nèi)、外層磁路均為N—S連續(xù)交替排列結(jié)構(gòu)[19]；圖2（b）為內(nèi)、外層磁路均為Halbach陣列結(jié)構(gòu)[20]，該結(jié)構(gòu)的氣隙磁密最強(qiáng)；圖2（c）為所提出的混合型磁路結(jié)構(gòu)，即外層磁路為Halbach陣列，內(nèi)層磁路為N—S間隔交替排列結(jié)構(gòu)；圖2（d）為Halbach陣列磁阻型磁路結(jié)構(gòu)，其外層磁路為Halbach陣列結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為凸極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的氣隙磁密最弱。

在高速傳動(dòng)時(shí)，圖2（a）、圖2（b）中內(nèi)層磁路的磁鋼與內(nèi)轉(zhuǎn)子載體之間易發(fā)生徑向“分離”，且磁鋼會(huì)沿內(nèi)轉(zhuǎn)子載體表面發(fā)生周向“打滑”，導(dǎo)致無法正常傳遞扭矩，因此，上述兩種結(jié)構(gòu)不宜選用。圖2（c）為內(nèi)層磁路的磁鋼嵌入內(nèi)轉(zhuǎn)子載體開口槽中，通過開口槽實(shí)現(xiàn)磁鋼的周向定位，再通過磁鋼固定套對(duì)磁鋼進(jìn)行徑向緊固。圖2（d）為內(nèi)轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，因其內(nèi)轉(zhuǎn)子上無磁鋼，理論上可用于高速傳動(dòng)場合，但采用該磁路結(jié)構(gòu)時(shí)傳遞扭矩偏小，故也不宜采用。通過比較，最終選擇圖2（c）為外層磁路為Halbach陣列、內(nèi)層磁路為N—S間隔交替排列的混合型磁路作為HSPMC的磁路結(jié)構(gòu)。

2 HSPMC磁路的計(jì)算與分析

2.1 HSPMC的模型參數(shù)

對(duì)圖2（c）所示的混合型磁路結(jié)構(gòu)的HSPMC進(jìn)行仿真計(jì)算與分析，建立HSPMC的參數(shù)化模型如圖3所示。計(jì)算時(shí)所用HSPMC的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，其有限元建模仿真參數(shù)與后續(xù)試驗(yàn)樣機(jī)一致[21]。

在圖3中，R1、R2與R3分別為內(nèi)轉(zhuǎn)子載體內(nèi)半徑、內(nèi)層磁鋼的內(nèi)半徑與外半徑；R3同時(shí)為磁鋼固定套內(nèi)半徑，R4為磁鋼固定套外半徑；R5、R6與R7分別為外層磁鋼的內(nèi)半徑、外半徑與外轉(zhuǎn)子載體外半徑；α為徑向充磁磁鋼的角度，β為切向充磁磁鋼的角度。磁鋼厚度h=R3-R2=R6-R5，磁鋼固定套的厚度h1=R4-R3，磁耦合氣隙值δ=R5-R3。

2.2 磁極對(duì)數(shù)對(duì)HSPMC傳遞扭矩的影響

改變磁極對(duì)數(shù)P，保持其他技術(shù)參數(shù)不變。當(dāng)磁極對(duì)數(shù)P取6、8、10、12四種工況時(shí)，對(duì)HSPMC磁路進(jìn)行仿真計(jì)算，求解出HSPMC的磁力線分布、氣隙磁密分布及所能傳遞的最大扭矩值。圖4為不同磁極對(duì)數(shù)的HSPMC的磁力線分布情況。可以看出，當(dāng)采用混合型磁路時(shí)，4種磁極對(duì)數(shù)的HSPMC的磁力線分布基本相似，由于外層磁路為Halbach陣列結(jié)構(gòu)，因此，在耦合氣隙處磁力線較密集，而外轉(zhuǎn)子載體內(nèi)部磁力線相對(duì)稀疏，且磁力線在外轉(zhuǎn)子載體內(nèi)部閉合，對(duì)外實(shí)現(xiàn)了“磁屏蔽”；內(nèi)層磁路為N—S間隔交替排列結(jié)構(gòu)，內(nèi)層磁路的N極與S極分別與外層磁路的S極和N極徑向磁耦合。

進(jìn)一步分析4種磁極對(duì)數(shù)的HSPMC的氣隙磁密分布情況。以R0=（R3+R5）/2為半徑作半圓周線，提取該半圓周線（即氣隙）上的磁密值。圖5為4種磁極對(duì)數(shù)的HSPMC在圓周方向的氣隙磁密曲線。

由圖5可知，當(dāng)磁極對(duì)數(shù)P取6時(shí)，HSPMC的氣隙磁密曲線呈現(xiàn)出一定的周期性分布，共有6個(gè)極大值點(diǎn)，其中有3個(gè)相等的極大值點(diǎn)為氣隙磁密的最大值點(diǎn)，該處的最大磁密值為1.15 T，而另外3個(gè)相等的極大值點(diǎn)為內(nèi)轉(zhuǎn)子凸極處的氣隙磁密，該處磁密值為0.71 T。當(dāng)磁極對(duì)數(shù)P取8、10、12時(shí)，HSPMC的氣隙磁密曲線同樣呈現(xiàn)周期性分布，其極大值點(diǎn)分別為8個(gè)、10個(gè)和12個(gè)，由此可見，磁極對(duì)數(shù)與氣隙磁密曲線的極大值點(diǎn)是相等的，此3種磁極對(duì)數(shù)的HSPMC氣隙磁密的最大值分別為1.21 T、1.16 T和1.07 T。

在計(jì)算磁極對(duì)數(shù)對(duì)HSPMC最大扭矩的影響時(shí)，還需同時(shí)考慮氣隙值的影響。圖6為HSPMC取不同氣隙值時(shí)最大傳遞扭矩隨磁極對(duì)數(shù)P的變化曲線。當(dāng)氣隙值δ取3 mm、4 mm、5 mm或6 mm時(shí)，隨著磁極對(duì)數(shù)P的增大，HSPMC的最大扭矩值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。因此，當(dāng)選定某一氣隙值時(shí)，可通過適當(dāng)增大磁極對(duì)數(shù)P來增大HSPMC的最大扭矩值。同時(shí)注意到，當(dāng)保持HSPMC的磁極對(duì)數(shù)P不變時(shí)，隨著氣隙值δ的增大，HSPMC所傳遞的最大扭矩值會(huì)減小。

2.3 磁占比系數(shù)對(duì)HSPMC傳遞扭矩的影響

所謂磁占比系數(shù)λ即在磁路圓周方向上所有磁鋼的角度之和與圓周角之比。由圖3可知，HSPMC的內(nèi)層磁路為N—S間隔交替排列結(jié)構(gòu)，相鄰磁鋼之間設(shè)置有凸極，故磁占比系數(shù)λ=P×α/360°；而外層磁路為Halbach陣列結(jié)構(gòu)，磁占比系數(shù)λ=P×（α+β）/360°=1，為恒定值。對(duì)于HSPMC的內(nèi)層磁路而言，當(dāng)保持磁極對(duì)數(shù)P不變時(shí)，磁占比系數(shù)λ是由徑向充磁磁鋼角度α來決定的，因此，可通過改變磁鋼角度α的大小來研究磁占比系數(shù)λ對(duì)HSPMC傳遞扭矩的影響。

當(dāng)磁極對(duì)數(shù)P取10時(shí)，令內(nèi)層磁路的磁鋼角度α值分別取[14.4°]、[18.0°]、[21.6°]和[25.2°]，此時(shí)對(duì)應(yīng)的磁占比系數(shù)λ分別為0.4、0.5、0.6與0.7。由于HSPMC采用徑向磁耦合傳動(dòng)，故需使外層磁路與內(nèi)層磁路徑向充磁磁鋼的角度值相等。對(duì)取不同磁占比系數(shù)λ的HSPMC的磁路進(jìn)行仿真計(jì)算，HSPMC的磁力線分布如圖7所示。

由圖7可知，磁力線分布與上述圖4基本相同，N—S磁極耦合處氣隙磁力線較密集，內(nèi)轉(zhuǎn)子載體和外轉(zhuǎn)子載體內(nèi)部磁力線相對(duì)稀疏，且磁力線在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子載體內(nèi)部閉合。

圖8為HSPMC取不同氣隙值時(shí)其最大扭矩隨磁占比系數(shù)λ的變化曲線。可以看出，當(dāng)氣隙值δ不變時(shí)，隨著磁占比系數(shù)λ的增大，HSPMC所傳遞的最大扭矩值將顯著增大。因此，可通過增大磁占比系數(shù)λ來增大HSPMC的最大扭矩值，但這也意味著增加了磁鋼的用量，同時(shí)降低了凸極的強(qiáng)度，需要兼顧考慮。

2.4 不同磁鋼厚度對(duì)HSPMC傳遞扭矩的影響

圖9為HSPMC取不同氣隙值δ時(shí)其最大扭矩隨磁鋼厚度h的變化曲線。可以看出，當(dāng)取同一氣隙值δ時(shí)，HSPMC所傳遞的最大扭矩值隨著磁鋼厚度h的增加而增大。

3 內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鋼固定套的強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)HSPMC應(yīng)用于高速機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，內(nèi)層磁鋼會(huì)受到巨大的離心力作用，磁鋼固定套零件在選材時(shí)，需重點(diǎn)考慮強(qiáng)度和是否導(dǎo)磁性2個(gè)方面。選用非導(dǎo)磁性材料是要避免內(nèi)層磁路的磁鋼出現(xiàn)“磁短路”而降低HSPMC的傳遞扭矩值。根據(jù)2.4節(jié)的分析，當(dāng)氣隙值δ變大時(shí)，將會(huì)降低HSPMC所傳遞的最大扭矩值，故氣隙值δ不宜過大；同時(shí)為保證HSPMC的外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間的非接觸傳動(dòng)，磁鋼固定套的厚度值h1必須小于氣隙值δ，因此，磁鋼固定套實(shí)際為HSPMC中的最薄弱零件，需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算?；谝陨峡紤]，磁鋼固定套選取非導(dǎo)磁性高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，通過碳纖維在內(nèi)層磁鋼外表面成型實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鋼的徑向固定。圖10為HSPMC的內(nèi)轉(zhuǎn)子三維模型。

為便于仿真計(jì)算，需對(duì)模型作如下假定：（1）內(nèi)層磁路的磁鋼在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力作為均布載荷沿徑向作用于磁鋼固定套；（2）磁鋼固定套承受內(nèi)層磁路的若干磁鋼所施加的均布載荷及自身高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力的雙重作用。選取HSPMC內(nèi)層磁路的某一磁鋼，計(jì)算出該磁鋼在工作轉(zhuǎn)速為3 000～20 000 r/min時(shí)的離心力值，并計(jì)算出磁鋼作用于磁鋼固定套的均布載荷，如圖11所示?？梢钥闯?，隨著工作轉(zhuǎn)速n的增大，離心力和均布載荷均增大。所選磁鋼為釹鐵硼，其所承受的許用壓應(yīng)力[σ]max為100 MPa。當(dāng)HSPMC最高轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時(shí)，內(nèi)層磁鋼施加于磁鋼固定套的均布載荷值為66.9 MPa，可見，磁鋼強(qiáng)度能夠滿足許用應(yīng)力要求，不會(huì)被壓潰損壞。

進(jìn)一步對(duì)磁鋼固定套進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析，分別計(jì)算出在不同工作轉(zhuǎn)速時(shí)磁鋼固定套的應(yīng)力和變形值。當(dāng)HSPMC在工作轉(zhuǎn)速n為15 000 r/min時(shí)，仿真計(jì)算磁鋼固定套的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖12所示，此時(shí)磁鋼固定套的最大應(yīng)力值為493 MPa，最大變形值為118.1 μm。

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速n為3 000～20 000 r/min時(shí)，計(jì)算HSPMC磁鋼固定套的最大應(yīng)力和最大變形曲線如圖13所示?？梢钥闯觯S著工作轉(zhuǎn)速n的增加，磁鋼固定套的最大應(yīng)力值和最大變形值均明顯增大。當(dāng)HSPMC的工作轉(zhuǎn)速n為3 000 r/min時(shí)，磁鋼固定套的最大應(yīng)力值為19.4 MPa，最大變形值為4.84 μm；而當(dāng)HSPMC的工作轉(zhuǎn)速n為20 000 r/min時(shí)，磁鋼固定套的最大應(yīng)力值為876.5 MPa，最大變形值為209.9 μm。磁鋼固定套所選材料為T300碳纖維復(fù)合材料，其許用應(yīng)力[σ]max取1 300 MPa，可見磁鋼固定套能夠滿足該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的強(qiáng)度要求。

4 HSPMC的扭矩試驗(yàn)驗(yàn)證

通過扭矩試驗(yàn)來驗(yàn)證HSPMC的扭矩有限元仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建永磁傳動(dòng)扭矩試驗(yàn)平臺(tái)如圖14所示。該扭矩試驗(yàn)平臺(tái)主要由電動(dòng)機(jī)、HSPMC、動(dòng)態(tài)扭矩儀、制動(dòng)輪等構(gòu)成。其中，電動(dòng)機(jī)用于提供驅(qū)動(dòng)力，制動(dòng)輪用于模擬載荷，動(dòng)態(tài)扭矩儀用于檢測扭矩值。當(dāng)制動(dòng)輪被抱剎制動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)扭矩儀檢測記錄HSPMC的外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子相對(duì)“打滑”瞬時(shí)狀態(tài)的扭矩值，即為HSPMC所能傳遞的最大扭矩值。

根據(jù)表1中的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，令磁極對(duì)數(shù)P取10，氣隙值δ取3 mm，磁占比系數(shù)λ分別取0.4、0.5、0.6與0.7，制作HSPMC樣機(jī)，在試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行最大扭矩試驗(yàn)。試驗(yàn)所測得的HSPMC的最大扭矩值與有限元仿真計(jì)算結(jié)果列于表2。

由表2可知，在取4種磁占比系數(shù)工況時(shí)，HSPMC所能傳遞的最大扭矩的仿真數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值基本一致，兩者誤差均在6%以內(nèi)。因此，該混合型磁路的HSPMC能夠滿足扭矩傳遞需求。

5 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種外層磁路為Halbach陣列、內(nèi)層磁路為N—S間隔交替排列的混合型磁路作為HSPMC的磁路結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的HSPMC的磁路進(jìn)行仿真計(jì)算。

2） 在一定氣隙值范圍內(nèi)，HSPMC的最大扭矩值隨著磁極對(duì)數(shù)的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢；同時(shí)，HSPMC的最大扭矩值隨著磁占比系數(shù)的增大或磁鋼厚度的增大，均呈現(xiàn)出增大的趨勢。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)增大磁極對(duì)數(shù)、磁占比系數(shù)或磁鋼厚度來增大HSPMC的最大扭矩值。

3） 計(jì)算高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料材質(zhì)的磁鋼固定套在高速傳動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力和最大變形值。當(dāng)HSPMC的工作轉(zhuǎn)速小于20 000 r/min時(shí)，磁鋼固定套能夠滿足強(qiáng)度要求。

4） HSPMC最大扭矩的試驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值誤差在6%以內(nèi)，該混合型磁路的HSPMC能夠滿足機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞扭矩的需求。

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