軸向嚙合永磁聯軸器渦流場分析和特點

   介紹了可調速軸向嚙合永磁聯軸器的特點和無機械接觸轉矩傳遞機理?；谌S運動渦流場，建立了單銅套型永磁聯軸器的有限元模型，對其磁場和渦流場進行分析，得出筒式永磁聯軸器磁場和渦流場的分布規律并分析了磁及數、永磁體厚度、銅套厚度及氣隙厚度等設計參數對渦流密度的影響。進一步分析了永磁場及渦流場之間耦合力分布，解決筒式永磁聯軸器徑向力不均衡問題。選擇四組不同結構參數進行雙筒型永磁聯軸器樣機試制及試驗測試，試驗結果與仿真結果對比驗證了有限元分析與傳動特性研究方法的準確性。永磁聯軸器是一種無機械連接的扭矩傳動磁力機械裝置，與傳統機械式聯軸器相比，其通過永磁轉子與導磁轉子間的非接觸傳動實現動力傳遞，避免了機械摩擦和磨損，減小了傳動部件的磨損和系統振動。同時，永磁聯軸器還具備結構簡單、維護方便、適應惡劣工況、可實現電動機的軟啟動及過載保護功能以及降低對電網的諧波干擾等優點，在煉油、化工、煤炭、電力和農業機械等行業的動力傳輸裝置中有著良好的應用前景。

1．1基本結構

可調速軸向嚙合式永磁聯軸器結構，主要由與電動機相連的導磁轉子總成和與負載相連的永磁轉子總成及調速裝置等部分組成。導磁轉子總成由主動軸、導磁轉子基體及銅套組成;永磁轉子總成由永磁轉子基體、瓦片型永磁塊及負載軸(輸出軸)組成，永磁塊以N及、S及交替布局排列方式均勻嵌入在筒形永磁轉子基體的外圓周面槽內。其中，永磁塊與銅套之間隔開確定的空氣間隙。在負載軸上安裝有電控調速裝置，主要由主控 制 器、彩屏人機交互系統、步進電動機、減速機構、滾珠絲杠、推塊、導向套筒和軸承等組成。

1．2．永磁聯軸器工作原理

導磁轉子總成在電動機驅動下旋轉時，與永磁轉子總成產生相對轉動，銅套通過切割永磁塊的磁力線而在銅套表面上產生渦流，而渦流產生的感應磁場又與永磁體產生的磁場相互作用，推動永磁轉子總成帶

動負載軸與導磁轉子總成同向旋轉，即實現了電動機與負載之間動力的無接觸傳遞。永磁聯軸器根據負載變化自動調節輸出轉矩，當負載實際所需轉矩變加時，變加導磁銅套與永磁體之間的嚙合面積(即軸向嚙合長度)，此時通過導磁銅套的磁力線變加，使永磁調速器傳遞的轉矩變加。在導磁銅套與永磁體之間嚙合面積不變情況下，負載速度降低，轉差率變加，永磁聯軸器輸出轉矩先變加后趨于平緩。

1．3調速原理

永磁聯軸器自動調速由電控調速裝置自動完成。電控調速裝置由單片機作為系統主控 制 器，采用彩屏設計人機交互系統，實現控制信息輸入。反饋傳感器包括絲杠位置傳感器、轉矩轉速傳感器等，其中，絲杠位置傳感器可檢測滾珠絲杠軸向移動方向和距離，即可判斷導磁銅套與永體之間的嚙合面積，轉矩轉速傳感器可檢測負載變化情況。調速執行元件包括步進電動機、減速機構、滾珠絲杠、推塊和導向套筒等。工作時，主控 制 器接受人機交互系統輸入控制信息及各種傳感器反饋信號，綜合判斷負載變化情況，控制步進電動機轉動，通過減速機構、滾珠絲杠和推塊等傳動機構驅動導向套筒帶動永磁轉子總成沿軸向左右移動，改變導磁銅套與永磁體之間的嚙合面積，使從動軸輸出的轉矩、轉速與負載相適應，從而實現不同轉矩和轉速輸出。在永磁聯軸器銅套與永磁體嚙合面積較大，即導磁轉子總成與永磁轉子總成軸向距離較近時，如果永磁聯軸器停止工作，銅套與永磁轉子之間相對靜止，銅套不能切割磁力線產生感應磁場，磁路中只有永磁體形成的永磁場，

主磁通從永磁體N極出發，沿徑向穿過氣隙、銅套和導磁轉子基體，到達相鄰永磁體的S極，較后在永磁轉子基體部分閉合，形成回路。有部分磁通不經過銅套而直接進入相鄰磁體，不會對導磁轉子產生作用，該部分磁通即為漏磁。漏磁越大，永磁聯軸器能夠傳遞的較大轉矩就越小，因此，應合理設計永磁轉子及導磁轉子結構以盡量減小漏磁。氣隙處的磁通密度可反映出永磁體磁場與渦流感應磁場之間的耦合結果，

1)利用有限元分析軟件對永磁聯軸器進行靜態和瞬態磁場仿真，驗證了永磁體磁場和銅套渦流感應磁場相互耦合作用傳遞轉速和轉矩的機理，氣隙處的磁通密度可間接反映出銅套中磁通密度沿周向不均勻分布并呈類似于正弦規律變化，周期數與磁及對數相等。2)銅套上的渦流呈渦旋狀不均勻分布，形成的渦流回路數與永磁體個數相同，相鄰回路渦流方向相反。通過渦流特性分析，探究了不同結構參數對渦流及轉矩的影響規律。3)在渦流分析基礎上，分析了永磁聯軸器磁場耦合力形成機理及其作用，并仿真模擬出銅套徑向受力矢量分布，可知單銅套和永磁轉子在徑向方向受力存在失衡現象。通過雙銅套型導磁轉子的結構改進，可效果優良提高設備的性能及穩定性，同時也提高了永磁體的利用率。4)通過不同結構參數雙筒型永磁聯軸器試驗與仿真分析，可知磁及對數、永磁體厚度、銅套厚度、氣隙厚度對單銅套型與雙銅套型永磁聯軸器傳動性能的影響規律基本一致。