杨帆,刘露露
【摘 要】 永磁耦合器能实现电动机和风机、泵类负载间的无机械连接传动，不仅具有调速性能，而且能实现隔振、软启动、软停止，可以适应恶劣环境。通过三维绘图软件绘制永磁磁力耦合器的传动部件，将模型导入Ansoft Maxwell软件进行三维静态场以及瞬态场的有限元分析，得出永磁耦合器传动部件在不同气隙下，转差和关键部件的磁密分布、电涡流密度、轴向力、输出转矩的关系，为磁力耦合器的设计制造提供理论依据。 【期刊名称】煤矿机电
【年(卷),期】2019(040)003
【总页数】3
【关键词】 永磁耦合器； Ansoft Maxwell软件； 有限元分析
杨帆,刘露露.基于Ansoft Maxwell的永磁磁力耦合器磁场分析[J].煤矿机电,2019,40(3):26-28.d
oi:10.ki.cmet.2019.03.008
0 引言
永磁磁力耦合器是实现永磁驱动技术的一种力的传递装置，主要是采用耦合传动的原理，通过导体与永磁体(涡流式)或两个永磁体之间的非刚性接触相对运动，利用磁场穿过磁路工作气隙进行运动和动力传递，并可通过主、从动体之间气隙的调整控制传递扭矩和负载速度[1]。
国内外对于永磁磁力耦合器的设计与研究还有发展空间，目前有关永磁磁力耦合器的理论还不完备，永磁磁力耦合器设备多在实验基础上研究开发，对于永磁磁力耦合器的推广使用，需要在理论研究和技术层面进行更进一步的研究探索。本文主要基于Ansoft Maxwell软件对永磁磁力耦合器磁场进行初步分析。
1 磁力耦合器虚拟模型建模
参考国外产品目录以及实际产品应用，建立简单的永磁磁力耦合器数学模型，并在三维绘图软件中绘制耦合器的传动部件：主动部件(外钢盘、铜盘)、从动部件(内钢盘、铝盘、永
磁体材料),然后将文件导入Ansoft Maxwell软件中。由于后期做有限云分析时需要模拟模型的真实运行情况，故需要在模型的运动区域设置一个band运动区域[2]。由磁力耦合器工作原理可知，主动部件和从动部件将产生相对运动，因此，设置band区域包括从动部件所有部件，即铝盘、内钢盘、永磁体块儿，而主动部件默认不进行操作。默认band材料为vacuum(真空)，但不与模型有任何重合部分。另外还需要建立求解区域，求解区域的尺寸自己设定，要求包括所有模型及其外部的部分空间，考虑求解时间等因素，大小适当即可。建立的模型如图1所示。
2 永磁磁力耦合器传动部件静态磁场仿真
首先设置求解类型为静态磁场解析，得出整体模型的磁密分布，如图2所示，模型的磁密矢量分布如图3所示。
由图3可知，永磁磁力耦合器传动部件中的部分磁力线通过了气隙和铜盘，且内外钢盘均为导磁材料，导磁性能较好，磁场可以通过钢盖并形成回路[3]。
在仿真时取不同的气隙值和转速差，分析得到不同的磁场分布情况。以气隙为4 mm，转差
为200 r/min时磁场分析结果为例，图4所示为此时永磁磁力耦合器传动模型中磁场分布情况。
由图4可知，在气隙4 mm，200 r/min的转差下，铜盘的最大磁密约为0.8 T，铝盘的最大磁密约为1.1 T，内钢盘的最大磁密约为1.68 T。经过对比分析得知，因内钢盘有较强的导磁性能，故有较大的最密分布，而永磁体盘的材料为铝，磁阻较大，所以磁密分布最小。
从分析结果中提取导体铜盘的感应电涡流分布情况,如图5、图6所示。
由图5、图6可知，在气隙为4 mm，200 r/min转差下，铜盘上的最大涡流密度约为3.5×107 A/m2，涡流损耗密度最大约为1.5×107 W/m3。铜盘发热现象明显,其原因是导体的集肤效应，且当导体盘和永磁体盘间隙越小时，集肤效应越明显，热量越高，故实际生产中要注意给铜盘散热。
3 耦合器传动部件瞬态磁场仿真
根据耦合器模型，当设置band运动区域为不同的运动参数时，可以得到不同气隙、不同转速差时，耦合器的输出转矩，如表1所示。输出转矩和与转差的关系曲线见图7[4]。
从Ansoft有限元软件分析得到的输出转矩和转速差的关系曲线图的结果发现，在转差一定的情况下，输出转矩随着气隙长度的减小而增大；而在气隙固定的情况下，转矩随着转差由0逐渐增大，并趋于稳定，而后逐渐减小，且转矩最大值时所对应的转速差值不受气隙大小的影响。
4 结论
本文依据法拉第电磁感应定律，通过对磁力耦合器的磁路进行简单分析，建立了简化后的磁场数学模型及三维模型，并基于Ansoft Maxwell软件进行仿真分析，得出了传动部件的各个组件在模拟状态下的磁密分布图、电流密度分布图、电涡流损耗分布图等，并模拟分析了输出转矩与转速差的关系。为永磁磁力耦合器的生产制造提供了理论依据。
参考文献：
[1] 尹新权, 李新勇, 杨昀梓. 永磁传动器有限元分析及优化设计[J]. 机械强度, 2015, 37(1): 177-181.
[2] 张倩,胡仁喜，康士廷，等.ANSYS12.0电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工
业出版社,2010.
[3] 赵韩,田杰.用有限元法设计稀土永磁齿轮传动[J].机械科学与技术,2000,19(2):207-209.
[4] 彭科容.永磁磁力耦合器结构与特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.
