一种永磁磁力耦合器有效磁势计算方法与流程

本发明属于永磁磁力传动技术领域，涉及一种永磁磁力耦合器有效磁势计算方法。

背景技术：

在传统的传动系统中，电机端与负载端之间通常采用联轴器连接，但是联轴器安装要求高、无法实现过载保护，已经无法满足工程装备传动系统的发展需求。而永磁磁力耦合器利用法拉第电磁感应原理，通过导体转子与永磁转子之间产生的无接触磁力，实现电机端到负载端转矩的有效传递。相对于现有的联轴器，永磁磁力耦合器具有可靠性高、过载保护、节能效果好、振动噪音小、安装精度要求低等优势，在工程领域具有较好的应用价值。永磁磁力耦合器有效磁势的计算可以反应其传递能力和磁能损失，是保证传动环节稳定运行的重要保障。永磁磁力耦合器有效磁势的计算方法主要采用有限元分析方法，有限元分析方法计算结果准确，精度高，可实现精细求解，但其需要复杂的建模过程、耗费大量的时间和资源，对于实际工程快速优化的应用受到较大的制约。

针对永磁磁力耦合器有效磁势的计算，哈尔滨工业大学的孟祥瑞于2014年6月1日发表了学位论文《轴向磁通调速型永磁耦合器的研究》，根据永磁磁力耦合器的结构建立了三维模型，采用有限元分析方法分析了漏磁的影响，定性地分析出永磁磁力耦合器有效磁势受气隙影响的趋势，但是其建模过程复杂，且针对永磁磁力耦合器的有效磁势无法定量给出计算结果，计算时间冗长，对计算机硬件要求较高，效率较低。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的缺陷，发明一种永磁磁力耦合器有效磁势计算方法，该方法根据永磁磁力耦合器的几何结构特征，建立包括主磁通区域、第一泄露区域、第二泄露区域以及第三泄露区域的磁路模型，构建主磁通区域和三个泄露区域的积分上限与积分下限，通过积分方程计算得到主磁通区域的磁导和三个泄露区域的泄露磁导，进而得到永磁磁力耦合器有效磁势的计算结果。该方法改进了有限元分析方法建模繁琐、耗费时间长、效率低下、占用资源多的缺陷，通俗易懂，计算过程简洁，耗费时间少，效率高。方法具有较好的实际工程应用价值，可为永磁磁力耦合器的设计优化提供重要参考。

本发明采用的技术方案是一种永磁磁力耦合器有效磁势计算方法，其特征是，该方法首先根据永磁磁力耦合器的本身属性，给定计算永磁磁力耦合器有效磁势的等效简化假设；然后根据永磁磁力耦合器的几何结构，建立包括主磁通区域、第一泄露区域、第二泄露区域以及第三泄露区域的磁路模型，并确定主磁通区域的第零积分上限和第零积分下限、第一泄漏区域的第一积分上限与第一积分下限、第二泄漏区域的第二积分上限与第二积分下限、第三泄漏区域的第三积分上限与第三积分下限；最后根据磁路模型，构建永磁磁力耦合器有效磁势的积分方程，得到永磁磁力耦合器有效磁势的计算结果；计算方法的具体步骤如下：

第一步、给定计算永磁磁力耦合器有效磁势的等效简化假设

永磁磁力耦合器由导体背铁1、导体转子2、气隙3、永磁转子4和永磁体5组成，其中导体背铁1的材料为铁，导体转子2的材料为铜，气隙3的材料为空气，永磁转子4的材料为铝，永磁体5的材料为钕铁硼，根据上述材料属性，给定计算永磁磁力耦合器有效磁势的等效简化假设如下：

导体背铁1、导体转子2、气隙3、永磁转子4和永磁体5的相对磁导率设定为1；永磁体5的充磁均匀，忽略磁滞效应；气隙3内的空气分布均匀；泄露磁通路径简化为直线和半圆弧；永磁体5的磁极n/s均匀交错排列，忽略制造误差；

第二步、计算永磁磁力耦合器有效磁势的主磁通区域和各泄露区域积分上限与下限

基于永磁磁力耦合器的几何结构特征，确定主磁通区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→气隙3→导体转子2→导体背铁1→导体转子2→气隙3→永磁转子4→永磁体5；第一泄露区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→气隙3→导体转子2→气隙3→永磁转子4→永磁体5；确定第二泄露区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→气隙3→永磁转子4→永磁体5；确定第三泄露区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→永磁体5；

然后，根据导体转子厚度lcs、气隙厚度la、永磁转子厚度ld、永磁体厚度lpm、相邻永磁体中心间隔τp、相邻永磁体间隔τm以及取小函数min，确定出第零积分下限xl0、第零积分上限xh0、第一积分下限xl1、第一积分上限xh1、第二积分下限xl2、第二积分上限xh2、第三积分下限xl3、第三积分上限xh3，表达式为：

第三步、计算永磁磁力耦合器有效磁势

根据永磁体磁感应强度hpm和永磁体厚度lpm，可以计算出初始磁势f0为：

f0＝hpmlpm(2)

由主磁通φ0、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、导体背铁厚度lb、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，得到第一泄漏区域的关系表达式为：

计算出第一泄露磁导g为：

由第一泄露磁通φl1、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，得到第一泄漏区域的关系表达式为：

计算出第一泄露磁导gl1为：

由第二泄露磁通φl2、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，可以得到第二泄漏区域的关系表达式为：

计算出第二泄露磁导gl2为：

由第三泄露磁通φl3、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，得到第二泄漏区域的关系表达式为：

计算出第三泄露磁导gl3为：

根据第一泄露磁导gl1、第二泄露磁导gl2以及第三泄露磁导gl3，得出总泄露磁导gl为：

gl＝gl1+gl2+gl3(11)

最终计算出永磁磁力耦合器有效磁势fe为：

本发明的有益效果是，基于永磁磁力耦合器的实际几何结构，同时虑及了磁通路径对永磁体磁势的影响，并充分地考虑了永磁体之间的全部泄漏区域，有效地建立了永磁磁力耦合器有效磁势的积分方程，得到了永磁磁力耦合器有效磁势的计算结果。该方法改进了有限元分析方法建模繁琐、耗费时间长、效率低下、占用资源多的缺陷。通俗易懂，计算过程简洁，耗费时间少，效率高。计算方法可以迅速且精确地实现对永磁磁力耦合器的有效磁势的计算和预测，计算方法简洁有效。可为永磁磁力耦合器的设计优化提供重要参考，是一种具有实际工程推广应用价值的计算方法。

附图说明

图1是本发明提出的永磁磁力耦合器有效磁势计算方法流程图

图2是永磁磁力耦合器的几何结构示意图，其中，1-导体背铁，2-导体转子，3-气隙，4-永磁转子，5-永磁体，lcs-导体转子厚度，la-气隙厚度，lb-导体背铁厚度，ld-永磁转子厚度，lpm-永磁体厚度，τp-相邻永磁体中心间隔，τm-相邻永磁体间隔。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细阐述。

本实施例选用一台输入转速1500r/min及6磁极对数单盘结构永磁磁力耦合器的传递转矩进行计算。其中，输入转速1500r/min及6磁极对数单盘结构永磁磁力耦合器基本尺寸为：永磁体磁感应强度hpm＝890×10³a/m，永磁体厚度lpm＝25mm，永磁体宽度wpm＝50mm，导体背铁厚度lb＝10mm、真空磁导率μ0＝4π×10^-7h/m，导体转子厚度lcs＝6mm、气隙厚度la＝5mm、永磁转子厚度ld＝1mm、相邻永磁体中心间隔τp＝78.5mm、相邻永磁体间隔τm＝28.5mm

附图1是本发明的永磁磁力耦合器有效磁势计算方法流程图，计算方法的具体步骤如下：

第一步、给定计算永磁磁力耦合器有效磁势的等效简化假设

永磁磁力耦合器由导体背铁1、导体转子2、气隙3、永磁转子4和永磁体5组成，其中导体背铁1的材料为铁，导体转子2的材料为铜，气隙3的材料为空气，永磁转子4的材料为铝，永磁体5的材料为钕铁硼，根据上述材料属性，给定计算永磁磁力耦合器有效磁势的等效简化假设如下：

导体背铁1、导体转子2、气隙3、永磁转子4和永磁体5的相对磁导率设定为1；永磁体5的充磁均匀，忽略磁滞效应；气隙3内的空气分布均匀；泄露磁通路径简化为直线和半圆弧；永磁体5的磁极n/s均匀交错排列，忽略制造误差。

第二步、计算永磁磁力耦合器有效磁势的主磁通区域和各泄露区域积分上限与下限

图2是永磁磁力耦合器的几何结构示意图，基于永磁磁力耦合器的几何结构特征，可以确定主磁通区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→气隙3→导体转子2→导体背铁1→导体转子2→气隙3→永磁转子4→永磁体5；第一泄露区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→气隙3→导体转子2→气隙3→永磁转子4→永磁体5；确定第二泄露区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→气隙3→永磁转子4→永磁体5；确定第三泄露区域的磁通路径为永磁体5→永磁转子4→永磁体5。

然后，根据导体转子厚度lcs、气隙厚度la、永磁转子厚度ld、永磁体厚度lpm、相邻永磁体中心间隔τp、相邻永磁体间隔τm以及取小函数min，通过表达式(1)确定出：

第三、计算永磁磁力耦合器有效磁势

根据永磁体磁感应强度hpm和永磁体厚度lpm，通过式(2)可以计算出初始磁势f0＝22250a。

由主磁通φ0、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、导体背铁厚度lb、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，通过式(3)和式(4)可以计算出第一泄露磁导g＝1.42×10^-8h。

由第一泄露磁通φl1、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，通过式(5)和式(6)可以计算出第一泄露磁导gl1＝1.57×10^-8h。

由第二泄露磁通φl2、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，通过式(7)和式(8)可以计算出第二泄露磁导gl2＝1.39×10^-8h。

由第三泄露磁通φl3、初始磁势f0、永磁体厚度lpm、永磁体宽度wpm、真空磁导率μ0、积分符号d以及积分元x，通过式(9)和式(10)可以计算出第三泄露磁导gl3＝-9.74×10^-9h。

根据第一泄露磁导gl1、第二泄露磁导gl2以及第三泄露磁导gl3，通过式(11)可以得出总泄露磁导gl＝1.99×10^-8h。

因此，通过式(12)可以计算出永磁磁力耦合器有效磁势fe＝12996a。

本方法提出的永磁磁力耦合器有效磁势计算方法可以迅速且精确地实现对永磁磁力耦合器的有效磁势的计算和预测，计算方法简洁有效，效率高，耗费时间短。对面向工程领域传动系统中永磁磁力耦合器的设计优化，具有较好的推广价值。