交替极Halbach径向永磁联轴器特性分析

引言

永磁联轴器是一种利用磁力耦合作用实现力或力矩无接触传递的新型传动机构,是近年来动力传递方式及动密封技术领域取得的重要研究成果。相较于传统机械式联轴器,永磁联轴器能将动密封转为静密封,实现无接触传动,具有减振、隔离、过载保护、软启动和节能环保等特性,因此永磁联轴器在机械、化工、汽车、土木、电力、国防和核工业等很多工程领域应用广泛,被誉为绿色的传动机构。

永磁联轴器根据磁极充磁方式的不同,可分为轴向永磁联轴器和径向永磁联轴器。传统径向永磁联轴器的磁极多为N、s交替紧密排列结构,该结构相邻交替排列的磁极对数较多,在同一转子上形成回路的磁力线较多,从而导致部分磁通量的浪费。

交替极永磁阵列是由永磁体与铁芯凸极呈交替排列构成,其中永磁体沿径向为同一励磁方向,即同为N极或s极,而相邻永磁体之间的铁芯凸极则会被相应磁化成沿径向的异极性,永磁极与铁芯凸极构成极性交替分布结构。国内外许多专家学者针对交替极结构的永磁电机进行了深入研究,发现采用交替极结构有助于提高永磁体的利用率,降低永磁材料的消耗。

与传统径向充磁结构的永磁阵列相比,Halbach永磁阵列则是将不同励磁方向的永磁体按照一定规则排列,能够在阵列的一边汇聚磁力线,另一边削弱磁力线,呈现出独特的单边聚磁特性。且Halbach阵列可以建立比较理想的正弦分布的磁场,能够获得比传统永磁阵列更大的气隙磁通密度。本文结合交替极结构和Halbach永磁阵列的优势,提出了一种交替极Halbach径向永磁联轴器。

1拓扑结构分析

本文提出的交替极Halbach径向永磁联轴器拓扑结构如图1所示,它由主动端和从动端构成。主、从动端均由永磁阵列和辄铁构成,每对极的永磁阵列由一个Halbach永磁极和一个凸铁极构成,且极对数和尺寸规格相同,通过磁力耦合作用来实现无接触式传动。

图1交替极Halbach径向磁力联轴器结构示意图

图2为交替极Halbach永磁阵列示意图,它由一个凸铁极和一个Halbach永磁极构成,主磁极沿径向充磁,两边的辅助磁极的充磁方向与径向夹角为9,而凸铁极则会被相应磁化成沿径向的异极性。该永磁阵列不仅能有效增强气隙处的磁通密度,减弱辄铁处磁场强度,还能降低永磁材料的消耗量。交替极Halbach永磁阵列的主要结构参数有:磁化角度9、磁极厚度h,81和82为主磁极与辅助磁极的极弧角,令8l和82之比为磁极配比8。表l为交替极Halbach永磁联轴器的关键设计参数。

2磁场性能分析

2.1磁通密度分析

图3为交替极Halbach永磁阵列和传统永磁阵列的磁密和磁力线分布图。由图可知,交替极Halbach结构永磁区域的磁密分布均匀,且未出现明显的磁路饱和状况,漏磁较少,永磁体利用率高。在该结构中,由于凸铁极为从永磁N极出发的磁通提供了反向磁路,故凸铁极中的磁力线较为密集,但由于存在辅助磁极对凸铁极的分流效应,有效抑制了其磁饱和状态。传统永磁结构中,由于N、S极交替紧密排列,在相邻交替排列的永磁极中形成了多条漏磁回路,造成极间漏磁较多,且可以发现其永磁区域两侧的磁通密度较交替极Halbach结构更大,从而造成其汇聚在气隙处的有效磁通受到削弱,侧面反映了交替极Halbach结构具有更好的聚磁效果。

图4为两种永磁联轴器的径向气隙磁密对比图,从图中可以看出,相比于传统永磁结构,交替极Halbach结构的磁密分布正负幅值不等,不似传统永磁结构其磁密分布正负幅值大小相等,但其径向气隙磁密的幅值大于传统永磁结构,说明该结构能够提高永磁体的利用率。

图5为两种结构永磁联轴器的切向气隙磁密对比图,与径向磁密分布类似,该结构的磁密分布正负幅值也不等,但其切向磁密幅值大小与传统永磁结构几乎一致。因此,通过气隙磁密分析可知,交替极Halbach在减少永磁体用量后仍能保持较好的输出能力。

2.2转矩性能分析

从动转子保持不动,同时改变主动转子的机械角度,可得传统永磁联轴器和交替极Halbach永磁联轴器的静态转矩如图6所示。由图可知,随着机械角度的变化,主动转子的静态转矩呈正弦变化,且周期为209。传统永磁联轴器的转矩为94.03N·m,交替极Halbach永磁联轴器的转矩为91.95N·m,该结构永磁体消耗量仅为传统结构的75%,转矩性能却达到其97.79%。由此验证了在保证转矩性能的前提下,交替极Halbach结构能够提高永磁体利用率,减少永磁体用量。

图6静态转矩对比图

3结构参数敏感度分析

由于磁场气隙及永磁阵列主要参数与永磁联轴器的转矩性能关系密切,故本节将对这些参数进行详细分析,研究其对转矩和永磁体利用率的影响规律,为后期结构优化设计奠定基础。

图7展示了磁化角度9对转矩与永磁体利用率的影响曲线。其他结构参数保持不变,改变9的取值,由于有效体积不变,转矩和永磁体利用率的曲线变化趋势是相似的。随着磁化角度9的增大,转矩和永磁体利用率先增大,当9超过459时,气隙磁密逐渐减弱,导致转矩性能降低,转矩和利用率的曲线出现下降现象。

当改变磁极厚度,保持其他参数不变时,磁极厚度对转矩性能的影响规律如图8所示。当磁极厚度增加时,转矩也随之增大,但增长率则慢慢衰减。永磁体利用率随着磁极厚度的增加,先增大后减小,当磁极厚度为7mm时,利用率最大。

图7磁化角度对转矩性能影响规律

图8磁极厚度对转矩性能影响规律

气隙厚度与有效气隙磁密的大小关系密切,直接影响到转矩性能的优劣。如图9所示,气隙厚度越小,转矩性能越好,随着其不断增加,气隙中的磁阻增大,导致气隙中的有效磁密减小,因而转矩性能大幅下降。

图9气隙厚度对转矩性能影响规律

图10为最大转矩和永磁体利用率随磁极配比8变化的曲线。保持其他结构参数不变,随着8的增加,凸铁极所占比率也在增大,导致有效永磁体体积减小,故最大转矩随之降低。而永磁体利用率则随着8的增加,先增大后减小,存在一个最优磁极配比值l.4。

图10磁极配比对转矩性能影响规律

4结语

本文提出了一种新型的交替极Halbach径向永磁联轴器,并对其磁场性能与结构参数敏感度进行了研究分析。将传统永磁阵列与交替极Halbach永磁阵列的永磁联轴器的磁场性能进行了对比,发现交替极Halbach永磁阵列能够明显提高永磁体利用率,降低永磁材料消耗和极间漏磁,有效改善永磁联轴器转矩性能。以磁化角度9、磁极厚度h、气隙厚度e和磁极配比8为研究对象,纵向对比了这四个关键结构参数对转矩和永磁体利用率的影响关系,可以发现各关键结构参数对转矩和永磁体利用率的影响规律并不相同,由此可见转矩和永磁体利用率并不能同时达到最优值,为后续的结构优化设计奠定了基础。