轴向永磁涡流联轴器的安装误差分析

轴向永磁涡流联轴器的安装误差分析

李延民，李申，洪祯，苏宇锋

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)

摘要：基于Ansoft有限元分析，对轴向永磁涡流联轴器的安装误差进行分析，包括轴向间距的变化对输出转矩和转速的影响，不同径向轴间距下转矩的变化，不同端面夹角下转矩和轴向力的变化.通过不同条件下的传递转矩与轴向力对比讨论，得到轴向永磁涡流联轴器安装误差的影响，以及所容许误差范围大小.笔者的研究方法与结论对轴向永磁涡流联轴器的设计与安装提供了参考.

关键词：永磁联轴器；涡流；有限元分析；安装误差

收稿日期:2015-06-02；

修订日期：2015-07-30

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51475436)

作者简介:李延民(1964—)，男，河南开封人，郑州大学副教授，博士，研究方向永磁涡流联轴器，E-mail:ymli64@163.com.

文章编号:1671-6833(2015)05-0125-04

中图分类号：TH133.4

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.027

Abstract:The application and development of permanent magnet eddy current coupling are sketched as well as the basic structure and principle. The assembling deviations of the axial permanent magnet eddy-current coupling are analyzed based on the Ansoft software, including the variations of the output torque and rotational speed following the air gaps, the variation of the torque following different radial axial range, the variations of the torque and axial force following different transverse angles. The effects of assembling deviations and the range assembling deviations ensured for the axial permanent magnet eddy current coupling are obtaimed by the comparison of the axial force and torque under different conditions. The research methods and conclusions in the paper provide reference for the design and installation of the axial permanent magnet eddy-current coupling.

0引言

现阶段永磁涡流联轴器已在化工、矿山等行业应用，以其优点被广泛地接受，得到快速发展.永磁涡流联轴器通过气隙磁场来传递转矩和转速，实现了主动端和从动端的独立，两者没有直接的机械连接.由于存在气隙，永磁涡流联轴器能够实现隔离振动，两轴线可以有夹角和径向位移，在安装时降低精度要求.

对于永磁涡流联轴器的设计计算，国内外有多种方法，其中文献[1-2]根据导体盘所产生涡电流密度计算出损失功率的大小，通过功率的关系计算出传递扭矩的大小.现有的文献中较多是研究永磁体和导体盘等参数对转矩的影响，而对联轴器工作中所能承受误差进行分析的文献较少.文献[3]分析了安装过程中侧向位移与温度的影响，但缺少径向和端面夹角误差的分析.

笔者通过有限元分析，较为全面地对现有的永磁涡流联轴器所能承受的安装误差进行分析，包括气隙的变化、两轴线的径向位移以及导体盘与永磁体盘的端面夹角对转矩和轴向力的影响.通过与原模型的传递性能对比，确定永磁涡流联轴器所能承受的安装误差，以及不同误差对传递性能的影响.

1基本原理

轴向永磁涡流联轴器的基本结构如图1所示，其主要由两部分构成：导体转子和永磁体转子.整体结构是对称的，左右产生的轴向力相互抵消，消除对外界的影响.由于导磁体的导磁系数比较大，导体盘的导电系数较大，图1中的装配方式实现了两者优点的结合；永磁体转子中的永磁体按N、S极相间排列，并通过导磁系数较低的铝盘固定间隔，背面通过导磁体为磁感线提供路径，其中磁感线从N极发出经过气隙、导体盘、导磁体，再由导体盘和气隙回转到S极，最后经背面的导磁体形成闭合路径.导体转子为主动端，切割永磁体所产生的磁感线，形成涡电流，涡电流产生感应磁场，反感磁场与原磁场形成转矩.

笔者通过轴向永磁涡流联轴器三维有限元模型进行计算，直接得出转矩大小.由于整体结构是左右对称的，仅对一侧进行分析即可得到相关参数对性能的影响.

建立有限元几何分析模型如图2所示.其中，H为转子扼铁厚度，mm；Hm为永磁体厚度，mm；Hc为导体盘厚度，mm；δ为气隙长度，mm；R1为永磁体外径，mm；R2为永磁体内径，mm.

1、主动轴 2、法兰 3、导磁体 4、导体盘

图2　永磁涡流联轴器一侧分析模型

在分析模型中，整个求解域为Ω，模型的内外侧面为Γ1，不同介质交界面为Γ2，导体盘沿从动转子半径方向的侧面为Γ3，在求解域Ω内求解磁矢位A的数学模型[4]

(1)

式中:β为材料的磁阻率；n为Γ2和Γ3的法线方向；μ0为空气的磁导率；钕铁硼N35材料取β≈1/1.099μ0；导磁体材料Q345，其磁化曲线B=f(H).

磁感应强度B由磁矢位A得到

B=×A.

(2)

由式(1)求得A(x,y,z)后，可根据式(2)求得B(x,y,z)，从而得到联轴器的磁场分布.求得联轴器磁场分布后，即可求得磁力联轴器的转矩为

(3)

式中：V为主从动盘间气隙体积，mm3；R1、R2为导体盘的外半径和内半径，mm.

2安装误差

笔者主要对轴向永磁涡流联轴器的安装误差进行分析，所分析的轴向永磁涡流联轴器匹配功率为7.5 kW、4极电机，采用的参数如表1.

表1　分析模型的基本参数

轴向永磁涡流联轴器在安装的过程中，主要有轴向的间距变化、径向的轴心距误差以及导体盘与永磁体盘端面夹角的误差.笔者通过Ansoft Maxwell进行有限元分析，对比分析传递转矩和轴向力随参数的变化，得出相应结论.

2.1轴向间距的变化

轴向间距δ是指永磁体盘与导体盘的间距，相当于气隙大小，如图3(a).导体盘通过切割永磁体所产生的磁感线，产生涡电流，相应有感应磁场产生.永磁体所产生的磁感线主要有三条路径：经过气隙闭合、经过铜盘闭合、经过导磁体闭合.导磁体为有用路径，并且是主要路径；经过气隙和铜盘的磁感线为漏磁.当气隙值较大时，气隙磁阻

图3　建立的误差模型

涡流联轴器正常工作时的转速差为50 r/min，图4是不同气隙在转速差为50 r/min所对应的转矩与轴向力大小.

图4　不同气隙所对应的转矩和轴向力

通过图4可以看出，在相同转速下随着气隙增大，转矩下降得非常快.这说明永磁体与导体盘的端面间距是联轴器的一个重要参数,也证实了永磁涡流联轴器调速和过载保护功能.

如果在安装的过程中，出现轴向间距误差，那么输出轴所获得的转速会有变化.图5是在不同气隙值下，获得转矩28 N·m时所需要的转速差大小.

图5　不同气隙所需要的转速差

通过图5可以看出，随着轴向间距增大，达到一定转矩值所需要的转速差越来越大.正常工作时，误差气隙变大，输出的转速会变小；误差气隙变小时，则相反.永磁涡流联轴器所能容许的轴向间距为2～5 mm.

2.2径向轴间距的变化

径向轴间距a是指输入轴与输出轴的轴线间距，如图3(a).永磁涡流联轴器的工作原理：通过导体盘切割永磁体所产生的磁感线，传递转矩和转速.那么可以认为，只要导体盘旋转的区域覆盖着永磁体盘所对应的区域，传递的转矩是基本不变的.图6是在不同径向轴间距下，传递转矩的变化.

图6　不同径向轴间距下传递转矩大小

通过图6可以看出，在结构允许的情况下，轴向间距的变化对传递转矩和轴向力基本没有影响.导体盘相对永磁体盘较大，在径向轴间距变化时，一直覆盖着永磁体盘.正常工作时，导体盘上所产生的转矩为一圆周分布，当存在轴向间距时，相当于导体盘上圆周转矩的圆心变化，通过数学积分可知转矩圆周的圆心变化对总的输出转矩大小没有影响.

2.3端面夹角的变化

端面夹角α的变化是指在保证轴线位置气隙大小不变，改变导体盘的角度，导体盘与永磁体盘端面夹角的变化，如图3(b).端面夹角变化使得永磁体盘与导体盘之间的气隙分布不均匀，事先假定端面轴线位置的气隙不变，为2 mm，这样有了夹角后，上部气隙会变大，下部气隙变小.通过2.1节中的介绍，可知气隙较小时导体盘区域漏磁较小，磁感应强度较大；气隙较大时导体盘区域漏磁较大，磁感应强度较小.那么所产生的传递转矩相比于无误差情况下会有变化.图7是在不同的端面夹角下，传递转矩和轴向力的变化趋势.

图7　不同端面夹角下转矩大小与轴向力大小

由图7可以看出，随着端面夹角变大，联轴器的传递转矩有少许增加.下部端面气隙变小，导体盘区域磁感应强度增大；上部端面气隙变大，导体盘区域磁感应减小.因为在永磁体外部随着距离增大，磁感应强度衰减越来越快，那么有端面夹角时，导体盘区域磁感应强度整体是增加的，传递的转矩也相应增加.

3结论

(1)轴向间距对传递转矩和转速有非常大的影响.间距较大时，达到额定转矩所需的转速差较大，输出的转速变小.所能容许的气隙为2～5 mm.

(2)由于导体盘一直覆盖着永磁体盘，径向轴间距的变化对输出转矩基本没有影响.

(3)端面夹角的变化使得导体盘区域所获得的磁感应强度增大，总的输出转矩是增加的.

综上所述，轴向永磁涡流联轴器在安装的过程中能够容许较大误差，降低安装精度的要求.

参考文献：

[1]WANG Jian, LIN He-yun, FANG Shu-hua. A general analytical model of permanent magnet eddy current couplings[J]. IEEE Transactions on Magnetic. 2014, 50(1):335-343.

[2]李桃,林鹤云,黄云凯. 基于三维运动涡流场分析的永磁涡流联轴器特性[J]. 东南大学学报：自然科学版, 2010, 40(2):301-305.

[3]WALLACE A, WOHGEMUTH C, LAMB K. A high efficiency alignment and vibration tolerant coupler using high energy-product permanent magnets[C]//IEEE Seventh Electrical Machines and Drives Conference. Durham: Institution of Electrical Engineers, 1995(412):232-236.

[4]赵博,张宏亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2013.

[5]THIERRY L, ABDERREZAK R. Steady-state and Transient performance of axial-field eddy-current coupling[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, 8(8):162-170.

[6]杨超君,管春松,丁磊. 盘式异步磁力联轴器传动特性[J]. 机械工程学报, 2014, 50(1):76-84.

[7]徐伟,孙建军. 永磁调速器的涡流场分析[J]. 机械传动, 2015, 39(2):115-118.

[8]刘伟,佟强,杨帛润. 永磁调速器的有限元分析与性能计算[J]. 微特电机, 2015, 43(4):10-13.

Anasylis of the Assembling Deviations for Axial Permanent

Magnet Eddy-Current Coupling

LI Yan-min, LI Shen, HONG Zhen, SU Yu-feng

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Key words: permanent magnet coupling； eddy-current； finite element analysis； essembly deviation