一種簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法
【專利摘要】本發明提供了一種簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，首先根據對稱關系，并計及導體渦流反應場，建立對應于永磁渦流聯軸器一對磁極的1/2磁路模型；再根據永磁渦流聯軸器設計參數，計算永磁體磁動勢、主磁通磁阻、和、漏磁通磁阻和；然后計算經過導體區的有效磁通；最后計算導體轉子產生的電磁力和轉矩。該種計算方法，在磁路模型中引入了導體感應電流所產生的磁動勢并建立相應漏磁支路，有效計入了感應電流對主磁通的影響，同時計及了相鄰永磁體磁極之間以及永磁體與其背鐵之間的漏磁通。所建立的磁路模型貼近永磁渦流聯軸器磁通和渦流分布的實際情況，在通常穩態工況條件下，基于該磁路法的轉矩計算模型具有較高的準確性。
【專利說明】
-種簡化的軸向磁通永磁滿流聯軸器轉矩計算方法
技術領域
[0001 ]本發明設及一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯軸器轉矩計算方法。
【背景技術】
[0002] 永磁滿流聯軸器具備節能效果顯著、過程控制精度高等優點，還具有不產生電磁 諧波、減振效果好、總成本低、維護費用低、使用壽命長、過載保護和軟啟動/軟制動等特性， 在諸多工業領域具有廣泛的應用前景。
[0003] 目前，永磁滿流聯軸器轉矩特性分析和預測基本上都是通過電磁場計算過程實 現，求解場域方程的計算方法主要有解析法和有限元法，最終得到功率、電磁力、電磁轉矩 等主要特性參數。盡管電磁場計算方案所產生的轉矩計算結果較為精確，但是，無論是采用 解析法還是有限元法，其建模和計算過程都相當復雜，對工程技術人員的要求也較高。
[0004] 相比之下，基于磁路法的轉矩計算模型具有模型簡單、計算速度快等優點。但是， 在現有包括永磁滿流聯軸器在內的各種電磁設備的磁路模型，通常忽略了感應電流即滿流 的存在。但是，就永磁滿流聯軸器工作原理而言，導體滿流是產生電磁力和電磁轉矩的基本 條件。因此，磁路模型中忽略滿流將導致轉矩計算結果存在較大的計算誤差。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯軸器轉矩計算方法，解決現 有技術中存在的無法有效在磁路模型中計及感應電流的影響，從而導致轉矩計算結果存在 較大系統誤差的問題。
[0006] 本發明的技術解決方案是： 一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯軸器轉矩計算方法，包括： 51、 根據對稱關系，并計及導體滿流反應場，建立對應于永磁滿流聯軸器一對磁極的1/ 2磁路模型，并建立相關磁路方程組； 52、 根據永磁滿流聯軸器設計參數，計算永磁體磁動勢&:、主磁通磁阻、而和卑、漏磁 通磁阻馬巧巧?; 53、 計算經過導體區的有效磁通駕； 54、 計算導體轉子產生的電磁力和轉矩。
[0007] 進一步地，所述步驟S1中，由于背鐵區磁導率極大，磁阻可W忽略不計，因此磁路 方程組具體形式為：
(1) 式(1)中，瑞和巧分別為永磁體所產生的磁動勢和導體感應電流所建立的磁動勢;竭和 駕分別為經過永磁區的磁通和經過導體區的有效磁通，其均屬于主磁通;騎為相鄰永磁體 磁極之間w及永磁體與其背鐵之間的漏磁通之和;端為導體滿流磁場的磁通量，該漏磁通 經由導體、氣隙及永磁體磁極間隙，到達永磁體背鐵區;瑞、馬和瑪分別為永磁體、氣隙和導 體磁阻;靖和靖分別為趣和每所對應的磁阻。
[000引進一步地，所述步驟S2中，永磁體磁動勢&、主磁通及漏磁通各部分磁阻瑪、馬和 巧及馬和馬^的具體計算公式分別為：
式(2)~(7)中，為永磁體材料剩余磁化強度;^分別為永磁體厚度、氣隙長度 和導體盤厚度;媒和騎分別為永磁體材料相對回復磁導率和真空磁導率;瑞為等效長方形 永磁體寬度，亦即極弧寬度;為等效長方形永磁體長度，亦即沿永磁轉子徑向方向永磁體 長度;嗎為平均極距。
[0009] 進一步地，所述步驟S3中，導體區的有效磁通駕計算方法為： 531、 確定主磁通路徑范圍內的導體區平均磁密專,及平均感應電流密度表達式； 532、 確定導體感應電流所產生的磁動勢巧的表達式； 533、 根據磁路方程組即式（1)及巧的表達式，推導出導體區的有效磁通駕的計算公式 為：
式(9)中，巧為導體電導率，·^為導體盤平均周長，S為轉差率，嗎為滿流聯軸器主動側 轉速。
[0010] 進一步地，所述步驟S31中，導體區平均磁密幫及平均感應電流密度^"的計算公 式分別為： (10) 及
也=巧姆凹 (11) 式(11)中，V為磁場與導體間相對速度，且有
(12)。
[0011] 進一步地，所述步驟S32中，導體感應電流所產生的磁動勢巧的表達式為：
(13)。
[0012] 進一步地，所述步驟S4中，通過下述步驟計算導體轉子產生的電磁力和轉矩： 單極情況下對應的體積為F的導體盤中屯、區域所受有效切向電磁力為：
式（15)中，Wf為環形導體盤內外徑差； 計入所有磁極情況，若平均力臂為，永磁滿流聯軸器的電磁轉矩為：
[0013] 本發明的有益效果是:該種簡化的軸向磁通永磁滿流聯軸器轉矩計算方法，基于 磁路法建立轉矩計算模型，繼承了磁路法計算簡便、計算速度快的優點。在磁路模型中引入 了導體感應電流所產生的磁動勢并建立相應漏磁支路，有效計入了感應電流對主磁通的影 響，同時計及了相鄰永磁體磁極之間W及永磁體與其背鐵之間的漏磁通。所建立的磁路模 型貼近永磁滿流聯軸器在轉差率較小時的磁通分布實際情況，在此情況下基于該磁路法的 轉矩計算模型具有較高的準確性。
【附圖說明】
[0014] 圖1是軸向磁通永磁滿流聯軸器結構示意圖； 圖2是永磁滿流聯軸器主磁通(實線)及漏磁通(虛線)磁路示意圖； 圖3是本發明所述的建模方法應用于永磁滿流聯軸器的磁路模型； 圖4是本發明所述的簡化的永磁滿流聯軸器轉矩計算方法流程圖； 圖5是本發明所述的簡化轉矩計算方法求得的電磁轉矩和Ξ維有限元方法求得的轉矩 結果對比示意圖，其中氣隙長度4 mm。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細闡述，W使本專利的優點和特征能更易 于被本領域的技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0016] 如圖1所示，本發明所述的方法所應用于的軸向磁通永磁滿流聯軸器結構示意圖； 永磁滿流聯軸器主要由永磁轉子和導體轉子兩部分組成，永磁轉子由若干對磁極的永磁體 1及永磁體背鐵盤2構成，而導體轉子由表面光滑的圓環形銅盤3及導體背鐵盤4構成。
[0017] 如圖2所示，實際的永磁滿流聯軸器(包含永磁體1、永磁鐵背鐵盤2、銅盤3、導體背 鐵盤4)磁路示意圖，可劃分為主磁通(實線)及漏磁通(虛線)磁路。
[0018] 如圖3所示，本發明所述的建模方法應用于永磁滿流聯軸器的磁路模型；其中，巧 和巧分別為永磁體所產生的磁動勢和導體感應電流所建立的磁動勢;騎和駕分別為經過永 磁區的磁通和經過導體區的有效磁通，其均屬于主磁通;緝為相鄰永磁體磁極之間W及永 磁體與其背鐵之間的漏磁通之和;麵為導體滿流磁場的磁通量，該漏磁通經由導體、氣隙及 永磁體磁極間隙，到達永磁體背鐵區;·堪和巧分別為永磁體、氣隙和導體磁阻;&和·^ 分別為項和麵所對應的磁阻。
[0019] 如圖4所示，本發明所述的一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯軸器轉矩計算方法，步 驟包括： 51、 根據對稱關系，并計及導體滿流反應場，建立對應于永磁滿流聯軸器一對磁極的1/ 2磁路模型，并建立相關磁路方程組。
[0020] 由于背鐵區磁導率極大，磁阻可W忽略不計，因此磁路方程組具體形式為：
(1) 52、 根據永磁滿流聯軸器設計參數，計算永磁體磁動勢巧:、主磁通磁阻、4和&、漏磁 通磁阻瑞巧瑪3。
[0021] 永磁體磁動勢、主磁通及漏磁通各部分磁阻的具體計算公式分別為：
式(2)~(7)中，馬為永磁體材料剩余磁化強度;分別為永磁體厚度、氣隙長度 和導體盤厚度;與和神分別為永磁體材料相對回復磁導率和真空磁導率;而為等效長方形 永磁體寬度，亦即極弧寬度;W?為等效長方形永磁體長度，亦即沿永磁轉子徑向方向永磁體 長度;嗎為平均極距。
[0022] S3、計算經過導體區的有效磁通駕，其計算方法為： 531、 確定主磁通路徑范圍內的導體區平均磁密瑪V及平均感應電流密度表達式； 532、 確定導體感應電流所產生的磁動勢&的表達式； 533、 根據磁路方程組即式（1)及巧的表達式，推導出導體區的有效磁通巧的計算公式 為：
式(9)中，巧為導體電導率為導體盤平均周長，S為轉差率，巧為滿流聯軸器主動側 轉速。
[0023] 所述步驟S31中，導體區平均磁密瑪V及平均感應電流密度馬^的計算公式分別為：
式(11)中，V為磁場與導體間相對速度，且有
(12)。
[0024] 所述步驟S32中，導體感應電流所產生的磁動勢巧的表達式為：
(13)。
[0025] S4、計算導體轉子產生的電磁力和轉矩，所述導體轉子產生的電磁力和轉矩的具 體計算步驟為： 單極情況下對應的體積為r的導體盤中屯、區域所受有效切向電磁力為：
(14) 式（14)中，為Russel l-Norswo;rthy修正系數，且有
(15) 式（15)中，帶為環形導體盤內外徑差； 計入所有磁極情況，若平均力臂為，永磁滿流聯軸器的電磁轉矩為：
[0026] 有效性分析 通過一個算例驗證本發明提出的簡化轉矩計算方法的有效性。
[0027] 分析對象為一臺75 kW雙轉子對稱結構軸向磁通永磁滿流聯軸器，其主要技術參 數如表1所示。其中，永磁體由欽鐵棚N35SH材料制成，形狀為扇形；導體盤即銅盤采用的是 T2銅，永磁盤及導體盤的背鐵均采用的是DT4電工純鐵。根據表1所給出的數據，可求出解析 模型中所需參數可和瑞分別為72 mm和47 mm，>%和％分別為65 mm和90 mm，^^?大小為138 ΓΠΓΠ 〇
[0028] 表i 75kW軸向磁通永磁滿流聯軸器參數
分別應用本發明提供的簡化轉矩計算方法和Ξ維有限元方法，計算在一定相對轉速 (轉差率)范圍內的電磁轉矩變化情況，兩種方法的對比結果如圖5所示。其中永磁滿流聯軸 器氣隙長度設定為4 mm，導體轉子轉速恒為1500 r/min，而永磁轉子轉速隨轉差率的變化 而變化。由圖5可見，在較小轉速(轉差率)變化范圍內，利用本發明所提出的簡化轉矩計算 方法所得到的結果與Ξ維有限元方法計算結果都非常吻合，而永磁滿流聯軸器在穩態工作 時基本處于小轉差狀態下，由此驗證了本發明的有效性和精確性。 W上對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但本發明并不限于W上描述。對于本領域 的技術人員而言，任何對本技術方案的同等修改和替代都是在本發明的范圍之中。因此，在 不脫離本發明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的范圍內。
【主權項】
1. 一種簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，其特征在于，包括： 51、 根據對稱關系，并計及導體渦流反應場，建立對應于永磁渦流聯軸器一對磁極的1/ 2磁路模型，并建立相關磁路方程組； 52、 根據永磁渦流聯軸器設計參數，計算永磁體磁動勢盡、主磁通磁阻馬、巧和矣、漏磁 通磁阻私和各3; 53、 計算經過導體區的有效磁通男； 54、 計算導體轉子產生的電磁力和轉矩。2. 如權利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，其特征在于，所 述步驟S1中，由于背鐵區磁導率極大，磁阻可以忽略不計，因此磁路方程組具體形式為：式（1)中，巧:和芯分別為永磁體所產生的磁動勢和導體感應電流所建立的磁動勢;需和 竭分別為經過永磁區的磁通和經過導體區的有效磁通，其均屬于主磁通;罨為相鄰永磁體 磁極之間以及永磁體與其背鐵之間的漏磁通之和；島為導體渦流磁場的磁通量，該漏磁通 經由導體、氣隙及永磁體磁極間隙，到達永磁體背鐵區；心、&和芩分別為永磁體、氣隙和導 體磁阻;馬.和_%分別為務和奮所對應的磁阻。3. 如權利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，其特征在于，所 述步驟S2中，永磁體磁動勢耳、主磁通及漏磁通各部分磁阻&、霉和巧及％和&的具體計算 公式分別為：式(2)~(7)中，啤為永磁體材料剩余磁化強度;心、4&和^分別為永磁體厚度、氣隙長度和 導體盤厚度;料和碎分別為永磁體材料相對回復磁導率和真空磁導率;&為等效長方形永 磁體寬度，亦即極弧寬度為等效長方形永磁體長度，亦即沿永磁轉子徑向方向永磁體長 度;S為平均極距。4. 如權利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，其特征在于，所 述步驟S3中，導體區的有效磁通磚計算方法為： 531、 確定主磁通路徑范圍內的導體區平均磁密5^及平均感應電流密度表達式； 532、 確定導體感應電流所產生的磁動勢巧的表達式； 533、 根據磁路方程組即式（1)及巧的表達式，推導出導體區的有效磁通駕的計算公式 為：式(9)中，巧為導體電導率,?.為導體盤平均周長，s為轉差率，巧為渦流聯軸器主動側轉 速。5. 如權利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，其特征在于，所 述步驟S31中，導體區平均磁密及平均感應電流密度的計算公式分別為：式(11)中，v為磁場與導體間相對速度，且有6. 如權利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，其特征在于，所 述步驟S32中，導體感應電流所產生的磁動勢恧的表達式為：7. 如權利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯軸器轉矩計算方法，其特征在于，所 述步驟S4中，通過下述步驟計算導體轉子產生的電磁力和轉矩： 單極情況下對應的體積為F的導體盤中心區域所受有效切向電磁力為：式（14)中，七為Russell-Norsworthy修正系數，且有式(15)中，?為環形導體盤內外徑差； 計入所有磁極情況，若平均力臂為，永磁渦流聯軸器的電磁轉矩為：
【文檔編號】H02K51/00GK105871175SQ201610481775
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】王堅, 蔣春容, 李宏勝
【申請人】南京工程學院