双交替极磁力联轴器传动性能研究

田杰，李雨蒙，任泰安

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

0 引言

磁力联轴器作为一种典型磁力机械，是一种通过永磁体磁场将输入轴与输出轴连接起来的新型联轴器。与传统的机械式联轴器相比，具有能够进行无接触传动，以及实现软启动、隔离振动、过载保护等功能[1]。

为了满足磁力联轴器在实际生产工作中的使用需求，各国学者对磁力联轴器的结构均进行了广泛的研究[2]。在磁力联轴器的结构方面，江苏大学杨超君等[3]引入Halbach聚磁结构，提出了Halbach型永磁异步联轴器，有效提高了磁力联轴器的最大传递转矩。哈尔滨理工大学的吕森等[4]将调磁环引入气隙，提出了调制式的磁极结构，实现了磁场调制功能。文献[5]针对多种大转矩磁力联轴器模型进行了分析，并在此基础上给出了优化设计方案。

由于漏磁现象，磁力联轴器的永磁材料利用率不高，在实际使用中，磁力联轴器具有低速应用的特征，通常需要采用极对数较大的设计方案，导致了磁钢用量增加，磁钢间漏磁增多等问题[6-7]。

在电动机领域，各国学者对减少永磁体用量问题已有大量深入的研究。文献[8]针对电动机转子提出了交替极结构的概念，即转子部分永磁体沿磁化方向呈现同极性的排列方式，铁芯极则沿径向方向被磁化成与永磁极方向相反的磁极，永磁极与铁芯极构成交替分布。该设计在保证磁场性能的情况下，大幅降低了永磁材料用量。文献[9]对电动机转子的磁极结构做了研究，用铁芯极替换部分永磁极后，有效改善了转子磁极结构极间漏磁的问题。交替极结构在磁力联轴器中还没有相关的应用。

现有的磁力联轴器相关研究，重点是提高磁力联轴器的最大传递转矩，较少有研究将提高永磁材料利用率当作目标[10-11]。磁力联轴器的工业应用主要得益于稀土永磁材料的发展，很多新研究均基于稀土永磁材料[12]。由于稀土永磁材料作为一种重要战略资源，价格昂贵、产量有限，磁力机械制造和后期维护成本较高，不利于磁力机械的大规模应用[13]。因此有必要将提高材料利用率作为磁力联轴器的优化设计方向。

本文提出一种永磁材料利用率较高的双交替极径向同步磁力联轴器结构，并通过有限元方法验证其磁场性能与传动性能。

1 交替极结构的磁力联轴器

传统磁力联轴器的磁极通常为N、S极交替放置在铁芯上，从能量角度来说，这种结构对能量的利用率不如交替极结构[14]。

本文提出了一种双交替极磁力联轴器结构，永磁体部分均采用同向径向充磁，并在同极性永磁体间引入磁化方向相反的铁芯极。交替极结构与传统结构的差别在于用铁芯极替代了部分永磁极。在联轴器工作中，铁芯极成为被磁化的磁极，磁化方向与相邻永磁极相反。图1为永磁材料用量不变时的径向同步双交替极四极联轴器与传统结构磁力联轴器对比示意图。

传统结构使用充磁方向相反的两种磁极，交替极结构选用充磁方向相同的磁极，磁极与磁极间为铁芯凸极。普通磁力联轴器在优化永磁材料用量时，常常通过调整磁环厚度实现；交替极联轴器则可以考虑磁极厚度、极弧角、极弧比等多个参数，具有更大的优化空间。将交替极结构应用于磁力联轴器，有助于减少磁力联轴器的材料用量，在提高永磁材料利用率方面相比传统结构具有较大优势。

2 交替极磁力联轴器传动性能有限元分析

本文对径向同步双交替极四极联轴器的磁场分布与传动力矩进行有限元分析。并在基本尺寸与永磁材料用量不变的条件下，对如图1所示的两种联轴器进行对比。图2～图5分别给出了径向同步双交替极联轴器与普通径向同步联轴器的径向磁感应强度图、切向磁感应强度图、磁感线分布图、磁密云图及转矩对比图，分析对象的结构参数如表1所示。

表1 磁力联轴器的结构参数

图1 同步径向双交替极联轴器与传统径向磁力联轴器对比图

径向磁密的计算公式为[15]

式中：Br为径向磁密；Bx、By分别为沿x、y方向的磁密分量；φ为磁密矢量B与x轴的夹角。

以最大转矩时两种联轴器的磁场分布为分析对象，通过式（1）对磁力联轴器气隙磁密进行计算分解，其气隙部分径向磁密曲线如图2所示。

图2为一个周期的径向磁密曲线变化情况。从变化趋势上看，两者均沿圆周方向呈周期式分布，由于交替极结构的特殊性，其径向磁密曲线与普通的磁力联轴器不同。从数值上看，在波峰处，普通磁力联轴器的径向磁密约为0.9 T，交替极联轴器的径向磁密约为0.6 T，是普通磁力联轴器的67%，但交替极波峰持续较长，约为普通联轴器的2倍；在波谷处，普通极径向磁密约为-0.9 T，交替极径向磁密约为-1.15 T，是普通磁力联轴器的1.28倍。可知，在保持永磁材料用量不变的情况下，交替极的径向磁密强度略好于普通磁力联轴器。

图2 两种联轴器径向磁密对比图

图3所示分别为两种联轴器在最大转矩时的磁力线分布情况。在所选用的尺寸与型式下，交替极联轴器在取得最大转矩时的转差角为24.6°，普通磁力联轴器的转差角为22.5°。从磁力线分布情况可以看出，对于交替极联轴器，其铁芯极可以经由永磁极磁化，可以看作磁性较弱的磁极。由于交替极联轴器在磁极两侧引入气隙，磁感线自闭合现象有所改善。

图3 两种联轴器磁力线分布对比图

图4 两种联轴器磁密分布图

磁力联轴器分为内外2个转子，采用固定外转子，给定内转子以确定转速的方式进行仿真，图5为此种运动模式下空载时一个周期内两种联轴器的转矩-相位图，表示联轴器空载时不同相位角位置的传递转矩。

如图5所示，普通磁力联轴器的最大空载转矩为4.6 N·m，交替极的最大空载转矩约为5.35 N·m，约为传统结构 的 1.16倍。显然，在永磁材料用量相同时，交替极联轴器的最大传递转矩好于普通磁力联轴器。

图5 两种联轴器转矩对比图

3 结论

本文提出了一种双交替极径向同步磁力联轴器。通过有限元仿真说明，在永磁材料用量不变时，交替极结构的磁场性能、永磁材料利用率与最大传递转矩均好于传统结构磁力联轴器。交替极结构联轴器作为一种新结构联轴器，仍具有较大的优化空间。

仿真结果表明，交替极结构的磁力联轴器应用在保证最大传递转矩的前提下，可以有效解决普通磁力联轴器永磁材料利用率不高的问题，为磁力联轴器的规模化应用提供可能。