永磁磁力耦合器优化设计仿真分析

1.前  言

随着永磁调速技术的发展，永磁磁力耦合器在现代工业中发挥了越来越重要的作用。通过永磁磁力耦合器连接的系统在运行时，主动转子和从动转子之间无直接的机械连接，实现了抗缓冲、隔离震动的优良效果，并且避免了驱动轴和负载轴无法精确对中时，对系统造成的损害。

基于线性层理论提出了一种线性层模型，该模型将永磁磁力耦合器铜盘和永磁体盘之间的相对转动等效为相对的线性平移运动，进而对永磁磁力耦合器的优化设计进行了研究。用基于分离变量法的一种解析计算程序将三维问题转化为两维，进而对永磁磁力耦合器的特性进行了分析。利用等效电流模型对永磁磁力耦合器的气隙磁场建立解析模型，分析了气隙磁场的三维空间分布。

以上方法计算复杂，并且计算精度不高。有限元法作为目前应用最广泛、适应性最强的数值计算方法，在瞬态涡流场、非线性涡流场以及非线性瞬态涡流场的计算中得到了广泛应用。Ansoft Maxwell是享誉世界的商用低频电磁场有限元软件，在工程电磁领域有着非常广泛的应用。为了确保分析计算的快速性和准确性，Ansoft软件基于Maxwell微分方程，采用了有限元离散形式，进而把工程电磁场计算转化为庞大的矩阵求解。本文采用Ansoft工程电磁场有限元分析软件分别建立不同类型的三维瞬态磁场的有限元模型，模拟实际运行情况，对模型进行仿真分析。最后利用试验平台对永磁磁力耦合器样机进行性能测试，实测值和有限元仿真值基本一致，说明仿真方法正确。

2.有限元分析和样机试验

永磁磁力耦合器的基本结构如图1所示，其为左右对称式结构，主要由铜盘，永磁体，固定永磁体的永磁体盘，固定铜盘的端盖等部件构成。其中两个铜盘通过固定螺栓与钢性材质的左右端盖固定在一起，并与电机驱动轴连接在一起构成永磁磁力耦合器的主动转子（铜转子）。嵌有N、S极交替排列永磁体的永磁体盘与负载轴相连接，构成永磁磁力耦合器的从动转子（永磁转子）。主动转子与从动转子之间无机械连接，存在一定距离的气隙。

永磁磁力耦合器是利用主动转子与从动转子之间的转差实现能量的传递。由于主动转子与从动转子之间存在转差，主动转予上的铜盘与从动转子上的永磁体存在相对运动，铜盘切割磁感线，在铜盘表面产生涡流。由磁力场同性相斥，异性相吸性质可知，涡流产生的感应磁场和永磁体磁场之间存在吸引力和排斥力，相邻感应磁场对永磁体的作用力在转方向上是叠加的，两个力在切向方向上合力拖动从动转子跟随主动转子旋转。正是通铜盘和永磁体盘之间的这种耦合作用实现了能量的传递。

图1 永磁磁力耦合器机械结构示意图

2.1 有限元分析

参考现有永磁磁力耦合器主要型号对其各部件尺寸进行初步设计。设计一台额定功率45KW，额定输出转速1475 rpm，的永磁磁力耦合器样机，如图2(a)所示。永磁体盘外径为370mm，内径为90mm;端盖外径为430mm，内径为150mm;铜盘外径为370mm，内径为170mm;矩形永磁体长宽高为76mm×38mm×32mm。根据上述分析以及样机尺寸，在有限元分析软件Ansoft Maxwell中建立样机仿真模型如图2(b)所示，详细仿真模型如图2(c)和图2(d)所示。仿真模型的设计和材料参数如表1所示。在气隙为3mm时，选择铜盘和端盖设定涡流效应，设置运动选项，对仿真物体进行网格划分和求解设定，模拟实际运行情况，进行仿真分析仿真完成后在Maxwell软件中查看求解结果，永磁磁力耦合器铜盘处运行前后的磁密分布如图3、4所示。由图3可以看出，铜盘上磁密大小呈环状分布，形状与永磁体横截面形状近似一致，数量和永磁体数量相同，中心最大磁密均在0.93T左右，由内而外磁密B逐渐减小。由图4可以看出运行后磁密相比运行前有轻微减小，可以推知在气隙处感应涡流产生磁场对原永磁体磁场有削弱作用。

图2 永磁磁力耦合器的样机和有限元模型

表1 永磁磁力耦合器仿真模型设计和材料参数

图3 静态时磁密分布云图

图4  转差为50rpm时铜盘处磁密分布云图

设定转差为50rpm，对永磁磁力耦合器进行仿真分析。铜盘处涡电流密度分布如图5所示，可以看出系统运行后，由于铜盘和永磁体盘之间存在滑差，铜盘切割磁感线，因此在铜盘中产生极大的涡电流。铜盘处涡电流密度矢量分布如图6所示。由图可以看出，铜盘上形成了与永磁体一一对应的10个大小一致的环状涡流区域，且相邻涡流区域的流动方向相反，涡流值在各自中心点处最大，由内而外逐渐减小，此时涡电流密度最大可达2.3x107A/m^2。每个涡流环均稳定在相邻两个永磁体的中间位置。

图5 铜盘处涡电流密度分布图

图6 铜盘处涡流密度矢量分布图

对永磁体盘附加转矩参数求解，可得仿真后转矩随时间变化曲线，如图7所示。从图中可以看出，转差稳定后，总传递转矩值为337N・M。

图7 输出转矩曲线

通过改变仿真模型中各部件尺寸，分析不同转差、不同气隙距离、不同铜盘厚度以及不同永磁体厚度对永磁磁力耦合器传递转矩的影响。由图8可以看到传递转矩随转差的增大先增加后减小，在180r/min时到达最大。这是因为随着转差的增加，涡流所产生的轴向斥力逐渐增大，并在转差为180r/min时等于永磁体产生的轴向吸力，此时带载能力最大，当转差大于1 80r/min时轴向力体现为轴向斥力。

图8 不同转差下的输出转矩曲线

由图9可以看到传递转矩随气隙增大而不断减小，这是因为随着气隙的增大，漏磁逐渐增加，在铜盘中形成的涡电流密度减小，涡流损耗功率减小，传递转矩减小。如图10所示，可见随着铜盘厚度的增加，铜盘内的磁通增加，涡流随之增加，故输出转矩也随之增大。但当铜盘增加到一定厚度，铜盘内涡流会趋于饱和，输出转矩逐渐减小。

图9 不同气隙下的输出转矩曲线

图10 不同铜盘厚度下的输出转矩曲线

如图11所示，可见随着永磁体厚度增加，磁动势增大，磁路中磁通随之增大，故输出转矩也随之增大。但是永磁体厚度增大到一定程度，其增加的磁动势，被漏磁和增加的磁阻所消耗，输出转矩随之趋于平稳。

图11 不同永磁体厚度下的输出转矩曲线

2.2 样机试验

针对永磁磁力耦合器的试验特点，设计试验平台对永磁磁力耦合器样机特性进行实际测试。试验平台通过两台变频器分别控制驱动电机和负载电机，工作在转速和转矩模式。驱动电机在转速模式下通过永磁磁力耦合器拖动负载电机，负载电机工作在转矩模式下不断加载以实现对不同负载下运行工况的测试。电机额定功率45KW，额定转速1475rpm，额定输出转矩300N・M。试验平台如图12所示。

图12 试验平台

利用试验平台对永磁磁力耦合器进行特性试验。将铜盘和永磁体盘之间气隙距离依次调节为3mm，5mm，7mm，9mm，llmm，然后在设定驱动电机侧转速为额定转速1475rpm，接着对负载电机侧逐渐加载，依次记录转差为0-45rpm步长5rpm时所对应的输出转矩值，并将记录下的转矩值和有限元仿真值相对比，如图13、14所示。可以看到，随着转差的增加，输出转矩至逐渐增大，随着气隙的增加，输出转矩逐渐减小，这与前面分析的相一致。对比试验数据可以看出，虽然两者之间存在一定误差，但是最大误差在15%以内，这说明试验方法是准确的，证明了仿真方法的有效性。

图13 不同转差下的输出转矩曲线

图14 不同气隙下的输出转矩曲线

3.结  论

本文对永磁磁力耦合器进行了三维瞬态场有限元分析，在有限元软件Ansoft Maxwell中建立工程应用中常见的永磁磁力耦合器模型，仿真得到了永磁磁力耦合器在气隙间距5mm，转差50r/min时的磁密分布和铜盘涡流密度分布。通过对以上仿真结果的研究，进一步了解了永磁磁力耦合器的工作原理。仿真分析了磁力耦合器各部件尺寸对输出转矩的影响，重点仿真分析转差、气隙距离、铜盘厚度和永磁体厚度对传递转矩的影响。总结出，随着转差的逐渐增加，涡流损耗也随之逐渐加大，但是转矩变化为先增大后减小，在180r/min时达到峰值。输出转矩随气隙距离的增加而不断减小，最佳气隙调节距离为2-6mm。随着铜盘厚度的增加，输出转矩先增大后减小，最佳铜盘厚度取值范围为6-l0mm。输出转矩随永磁体厚度的增加，逐渐增大，在30mm以后增势趋缓，永磁体厚度一般在20-30mm之间取值。以上这些设计取值，为磁力耦合器的结构优化设计提供了有力参考。