牛景麗陳東海

基于MagNet的磁力耦合調(diào)速器磁路機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化

牛景麗1,2陳東海1

（1.河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，焦作 454000；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，焦作 454000）

基于Magnet 有限元分析軟件，建立了磁力耦合調(diào)速器磁路機構(gòu)有限元模型，對磁力耦合調(diào)速器的磁路參機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，對優(yōu)化后的模型進行了仿真分析?；趦?yōu)化參數(shù)設(shè)計制作了磁力耦合調(diào)速器樣機，對樣機空載和負荷運行性能驗證，驗證了磁路設(shè)計的合理性。研究結(jié)果表明，樣機輸出轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速與仿真計算結(jié)果相符，滿足設(shè)計要求，具有一定的工程應(yīng)用參考價值。

MagNet 磁力耦合調(diào)速器 磁路 優(yōu)化設(shè)計

磁力耦合調(diào)速器利用永磁場與感應(yīng)磁場的相互作用來傳遞扭矩，主要由與電機連接的銅環(huán)轉(zhuǎn)子、與負荷相連的永磁轉(zhuǎn)子和氣隙調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。電機帶動銅環(huán)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，切割永磁轉(zhuǎn)子的磁力線，在銅環(huán)表面形成感應(yīng)磁場并對永磁體產(chǎn)生耦合力，最終帶動負載作旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙（氣隙）便可實現(xiàn)從動轉(zhuǎn)子扭矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子構(gòu)成了磁力耦合調(diào)速傳動裝置的磁路機構(gòu)，是磁力耦合調(diào)速器能夠正常運行的必要條件。本文利用MagNet軟件對一低功率（22kW）磁力耦合調(diào)速器的磁路機構(gòu)進行電磁場有限元分析，對影響磁路的關(guān)鍵因素進行優(yōu)化分析研究。

1 磁路機構(gòu)的有限元建模

利用MagNet電磁場仿真軟件對磁力耦合調(diào)速器的磁路機構(gòu)進行有限元分析，對影響磁路的氣隙大小、磁極數(shù)、銅層厚度、軛鐵厚度等關(guān)鍵因素進行優(yōu)化設(shè)計。

（1）初始條件。圖1所示為所分析的磁力耦合調(diào)速器的磁路機構(gòu)的實體模型結(jié)構(gòu)。初始條件為：永磁體材料為牌號N40的釹鐵硼，厚度定為8mm、長度為110mm，永磁轉(zhuǎn)子的外徑為248mm；銅層材料為紫銅，銅層深度為110mm。擬對導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙（即氣隙）、磁極數(shù)和銅層厚度等磁路參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。為了便于分析，做如下假設(shè)：不考慮端部漏磁，認為傳動軸是不導(dǎo)磁的；忽略銅層和永磁體的彈性變形，運行時氣隙磁場沿軸向沒有變化；忽略溫度對材料性能的影響。

圖1　磁力耦合調(diào)速器的機械結(jié)構(gòu)示意圖

（2）建立模型及劃分網(wǎng)格。根據(jù)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及其性能要求，利用MagNet軟件對磁路機構(gòu)自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格精度取SMRT1；經(jīng)過網(wǎng)格加密以后共形成63751個單元和99732個節(jié)點。

（3）加邊界條件和載荷。MagNet中的載荷包括邊界條件及外部或內(nèi)部的相互作用。根據(jù)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的實際耦合方式，在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的空氣間隙面上施加磁力線垂直的邊界條件，并且加載無限邊界條件。

2 磁路機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化

（1）氣隙的優(yōu)化選擇。感應(yīng)磁場與永磁體為磁源，磁勢主要消耗在氣隙與永磁體的磁阻上，氣隙越大，磁阻越大，消耗的磁通密度越大。圖2為只改變氣隙大小所計算的不同氣隙下的最大轉(zhuǎn)矩，由圖可知轉(zhuǎn)矩隨著工作間隙的增加而減小，要提高傳遞轉(zhuǎn)矩，應(yīng)盡量的減小氣隙厚度，但過小的工作間隙給制造和、安裝帶來困難，在滿足傳遞功率的條件下，當工作間隙小于3mm時，能夠傳遞更大的轉(zhuǎn)矩，且制造、裝配相對較為簡易，因此，本設(shè)計中選擇工作間隙為3mm。

圖2　工作氣隙與轉(zhuǎn)矩的曲線關(guān)系圖

（2）磁極數(shù)的優(yōu)化選擇。永磁體沿輸出軸軸向均勻分布在筒狀永磁轉(zhuǎn)子的外側(cè)圓周上，磁極數(shù)決定著磁路機構(gòu)的磁回路數(shù)，影響著磁轉(zhuǎn)矩的高低。磁極數(shù)量不能過少，因為不同磁極每交替變化一次，驅(qū)動器中所存儲的靜磁能的量便會增加一些，并最轉(zhuǎn)化為動能被釋放，有利于驅(qū)動器傳遞轉(zhuǎn)矩，但磁極數(shù)量也不能過多，磁極之間接觸次數(shù)過多會增加漏磁量，使磁隙中的磁通密度減小，傳遞轉(zhuǎn)矩就會變小。通常，磁極按偶數(shù)配置，配對數(shù)目在20～40極之間較為適宜。

通過Magnet軟件對磁力耦合調(diào)速器的磁路機構(gòu)不同磁極數(shù)的磁場分布進行有限元分析，得出轉(zhuǎn)矩與磁極數(shù)的曲線關(guān)系圖。由圖3可知，隨著磁極數(shù)逐漸增加，輸出扭矩隨之迅速增大，當磁極數(shù)大于30時，扭矩隨磁極數(shù)增大有所下降，變化速率變小，所以磁極數(shù)的最佳值為30。

圖3　磁極數(shù)與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線圖

（3）銅層厚度的優(yōu)化選擇。在工作間隙、磁極數(shù)相同的前提下，銅層厚度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線圖，如圖4所示。

圖4　銅層厚度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線圖

由圖4可知，在一定范圍內(nèi)，隨著銅層厚度的增加，轉(zhuǎn)矩增加的較快，逐漸達到一個峰值，隨后開始減小。這是因為當導(dǎo)體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運動，永磁場在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流，并隨著銅層厚度的增加而增加，進而導(dǎo)致感應(yīng)磁場變強，傳遞的轉(zhuǎn)矩變大。但是當銅層厚度增大到一定程度，渦流增加有限，趨于飽和，同時銅層厚度的增加，使得銅的電阻增加，熱損耗逐漸增大，使大部分渦流都轉(zhuǎn)化為熱量，傳遞的轉(zhuǎn)矩變小。所以為了提高銅層的利用率，銅層厚度不易太厚。從圖5可以看出，當銅層厚度為3mm時，轉(zhuǎn)矩達到最大值，當銅層厚度大于3mm時，轉(zhuǎn)矩增加較慢，之后還稍有下降，故在本設(shè)計中的銅層厚度的最佳值為3mm。

（4）軛鐵厚度的優(yōu)化選擇。軛鐵可以防止外磁場的干擾和影響，改善磁通密度的分布。當軛鐵的厚度過薄時，會在軛鐵處出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，增加磁阻，減小氣隙密度，削弱了永磁材料的性能，降低了傳遞的轉(zhuǎn)矩。當軛鐵的厚度過厚時，對傳動轉(zhuǎn)矩的增加并無太大作用，但卻使旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量增大，增加了磁力耦合調(diào)速傳動裝置的啟動轉(zhuǎn)矩，降低了永磁材料的利用率，使運轉(zhuǎn)部件的不穩(wěn)定性增加。通常，軛鐵的厚度取值應(yīng)略大于永磁體厚度。在本設(shè)計中，永磁體的厚度為8mm，軛鐵的厚度選擇為10mm為宜。

3 校核計算

對磁路參數(shù)優(yōu)化分析之后，磁力耦合調(diào)速器的磁路機構(gòu)參數(shù)為：氣隙為3mm，磁極數(shù)為30，銅層厚度為3mm，軛鐵厚度為10mm，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子外徑為254mm，永磁體厚度為8mm，永磁體長度與銅層深度均為110mm，永磁轉(zhuǎn)子外徑為248mm。

（1）仿真計算。將這些優(yōu)化值代入優(yōu)化模型，重新進行核算。由MagNet軟件計算出的磁力耦合調(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)矩為T=（1.42925E+02）Nm；當導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子的有效嚙合面積由0mm～110mm時，輸出的轉(zhuǎn)速為0～1490r/min。（2）樣機試驗。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計制作了電機功率為22kW的磁力耦合調(diào)速器樣機，并進行驗證試驗。試驗結(jié)果表明，樣機輸出的轉(zhuǎn)速隨著永磁轉(zhuǎn)子位移（即永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的有效嚙合面積）的增大而增大，樣機空載運行時，當永磁轉(zhuǎn)子的位移為100mm時，輸出轉(zhuǎn)速已經(jīng)到達1480r/min，基本滿足設(shè)計要求；樣機帶4kW載荷運行時，當導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子趨于完全嚙合時，電機轉(zhuǎn)速約為1470r/min ，電流約為33A，均為動力源發(fā)電機的標準值，樣機運行平穩(wěn)，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文利用MagNet軟件建立了磁力耦合調(diào)速器的磁路機構(gòu)有限元模型，并對影響磁路的氣隙大小、磁極數(shù)、銅層厚度、軛鐵厚度等四個關(guān)鍵因素進行優(yōu)化，據(jù)此制作了22kW磁力耦合調(diào)速器樣機，并對樣機空載和負載的試驗，結(jié)果表明，輸出轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速符合動力源發(fā)電機的標準值，與仿真計算結(jié)果相符，滿足設(shè)計要求，具有一定的工程應(yīng)用參考價值。

[1]王旭，王大志.多永磁調(diào)速器的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電氣傳動，2011，41（10）：55-58.

[2]梅順齊，張智明，宋志峰，等.磁力傳動機構(gòu)設(shè)計及傳遞力矩計算方法的研究[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報，2008，21（8）：92-96.

[3]葛研軍，周凱凱，劉艷龍，等.磁力耦合器調(diào)速機構(gòu)研究[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2014，35（3）：32-36.

[4]嚴曉霞，趙朝會，張迪，等.2種磁力耦合器性能的比較[J].上海電機學(xué)院學(xué)報，2009，（4）：289-292.

[5]趙清，邵龍，于靜澤，等.變速磁力耦合器研究[J].電氣應(yīng)用，2013，（4）：82-87.

[6]牛耀宏.影響礦用磁力耦合器工作性能的因素分析[J].中國煤炭，2014，（5）：69-72.

Magnetic Circuit Parameter Optimization for Magnetic Coupling Based on Magnet

NIU Jingli1,2, CHEN Donghai1
(1. Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000;2.Henan College of Industry and Information Technology, Jiaozuo 454000)

A finite element model of the magnetic circuit of the magnetic coupling was constructed based on MagNet finite element analysis software. Parameters of the magnetic circuit were optimized and simulation analysis was carried out. Based on the optimized parameters a prototype of the magnetic coupling regulator was manufactured and output performance of the prototype was evaluated under load and no-load condition. The results present to be reasonable and a conclusion can be got: the output torque and speed were consistent with the simulation results and meet the required performance.

magNet, magnetic coupling, magnetic circuit, optimization