一種簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，首先根據(jù)對稱關(guān)系，并計(jì)及導(dǎo)體渦流反應(yīng)場，建立對應(yīng)于永磁渦流聯(lián)軸器一對磁極的1/2磁路模型；再根據(jù)永磁渦流聯(lián)軸器設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算永磁體磁動勢、主磁通磁阻、和、漏磁通磁阻和；然后計(jì)算經(jīng)過導(dǎo)體區(qū)的有效磁通；最后計(jì)算導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩。該種計(jì)算方法，在磁路模型中引入了導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢并建立相應(yīng)漏磁支路，有效計(jì)入了感應(yīng)電流對主磁通的影響，同時(shí)計(jì)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(lián)軸器磁通和渦流分布的實(shí)際情況，在通常穩(wěn)態(tài)工況條件下，基于該磁路法的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型具有較高的準(zhǔn)確性。
【專利說明】
-種簡化的軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁滿流聯(lián)軸器具備節(jié)能效果顯著、過程控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，還具有不產(chǎn)生電磁 諧波、減振效果好、總成本低、維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長、過載保護(hù)和軟啟動/軟制動等特性， 在諸多工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 目前，永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩特性分析和預(yù)測基本上都是通過電磁場計(jì)算過程實(shí) 現(xiàn)，求解場域方程的計(jì)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(zhuǎn)矩 等主要特性參數(shù)。盡管電磁場計(jì)算方案所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)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(jì)算過程都相當(dāng)復(fù)雜，對工程技術(shù)人員的要求也較高。
[0004] 相比之下，基于磁路法的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型具有模型簡單、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是， 在現(xiàn)有包括永磁滿流聯(lián)軸器在內(nèi)的各種電磁設(shè)備的磁路模型，通常忽略了感應(yīng)電流即滿流 的存在。但是，就永磁滿流聯(lián)軸器工作原理而言，導(dǎo)體滿流是產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的基本 條件。因此，磁路模型中忽略滿流將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果存在較大的計(jì)算誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，解決現(xiàn) 有技術(shù)中存在的無法有效在磁路模型中計(jì)及感應(yīng)電流的影響，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果存在 較大系統(tǒng)誤差的問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是： 一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，包括： 51、 根據(jù)對稱關(guān)系，并計(jì)及導(dǎo)體滿流反應(yīng)場，建立對應(yīng)于永磁滿流聯(lián)軸器一對磁極的1/ 2磁路模型，并建立相關(guān)磁路方程組； 52、 根據(jù)永磁滿流聯(lián)軸器設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)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(jì)算經(jīng)過導(dǎo)體區(qū)的有效磁通駕； 54、 計(jì)算導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩。
[0007] 進(jìn)一步地，所述步驟S1中，由于背鐵區(qū)磁導(dǎo)率極大，磁阻可W忽略不計(jì)，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(chǎn)生的磁動勢和導(dǎo)體感應(yīng)電流所建立的磁動勢;竭和 駕分別為經(jīng)過永磁區(qū)的磁通和經(jīng)過導(dǎo)體區(qū)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(dǎo)體滿流磁場的磁通量，該漏磁通 經(jīng)由導(dǎo)體、氣隙及永磁體磁極間隙，到達(dá)永磁體背鐵區(qū);瑞、馬和瑪分別為永磁體、氣隙和導(dǎo) 體磁阻;靖和靖分別為趣和每所對應(yīng)的磁阻。
[000引進(jìn)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(jì)算公式分別為：
式(2)~(7)中，為永磁體材料剩余磁化強(qiáng)度;^分別為永磁體厚度、氣隙長度 和導(dǎo)體盤厚度;媒和騎分別為永磁體材料相對回復(fù)磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)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(zhuǎn)子徑向方向永磁體 長度;嗎為平均極距。
[0009] 進(jìn)一步地，所述步驟S3中，導(dǎo)體區(qū)的有效磁通駕計(jì)算方法為： 531、 確定主磁通路徑范圍內(nèi)的導(dǎo)體區(qū)平均磁密專,及平均感應(yīng)電流密度表達(dá)式； 532、 確定導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢巧的表達(dá)式； 533、 根據(jù)磁路方程組即式（1)及巧的表達(dá)式，推導(dǎo)出導(dǎo)體區(qū)的有效磁通駕的計(jì)算公式 為：
式(9)中，巧為導(dǎo)體電導(dǎo)率，·^為導(dǎo)體盤平均周長，S為轉(zhuǎn)差率，嗎為滿流聯(lián)軸器主動側(cè) 轉(zhuǎn)速。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟S31中，導(dǎo)體區(qū)平均磁密幫及平均感應(yīng)電流密度^"的計(jì)算公 式分別為： (10) 及
也=巧姆凹 (11) 式(11)中，V為磁場與導(dǎo)體間相對速度，且有
(12)。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟S32中，導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢巧的表達(dá)式為：
(13)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟S4中，通過下述步驟計(jì)算導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩： 單極情況下對應(yīng)的體積為F的導(dǎo)體盤中屯、區(qū)域所受有效切向電磁力為：
式（15)中，Wf為環(huán)形導(dǎo)體盤內(nèi)外徑差； 計(jì)入所有磁極情況，若平均力臂為，永磁滿流聯(lián)軸器的電磁轉(zhuǎn)矩為：
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:該種簡化的軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，基于 磁路法建立轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型，繼承了磁路法計(jì)算簡便、計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。在磁路模型中引入 了導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢并建立相應(yīng)漏磁支路，有效計(jì)入了感應(yīng)電流對主磁通的影 響，同時(shí)計(jì)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(lián)軸器在轉(zhuǎn)差率較小時(shí)的磁通分布實(shí)際情況，在此情況下基于該磁路法的 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型具有較高的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0014] 圖1是軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是永磁滿流聯(lián)軸器主磁通(實(shí)線)及漏磁通(虛線)磁路示意圖； 圖3是本發(fā)明所述的建模方法應(yīng)用于永磁滿流聯(lián)軸器的磁路模型； 圖4是本發(fā)明所述的簡化的永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法流程圖； 圖5是本發(fā)明所述的簡化轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法求得的電磁轉(zhuǎn)矩和Ξ維有限元方法求得的轉(zhuǎn)矩 結(jié)果對比示意圖，其中氣隙長度4 mm。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，W使本專利的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易 于被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0016] 如圖1所示，本發(fā)明所述的方法所應(yīng)用于的軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖； 永磁滿流聯(lián)軸器主要由永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子兩部分組成，永磁轉(zhuǎn)子由若干對磁極的永磁體 1及永磁體背鐵盤2構(gòu)成，而導(dǎo)體轉(zhuǎn)子由表面光滑的圓環(huán)形銅盤3及導(dǎo)體背鐵盤4構(gòu)成。
[0017] 如圖2所示，實(shí)際的永磁滿流聯(lián)軸器(包含永磁體1、永磁鐵背鐵盤2、銅盤3、導(dǎo)體背 鐵盤4)磁路示意圖，可劃分為主磁通(實(shí)線)及漏磁通(虛線)磁路。
[0018] 如圖3所示，本發(fā)明所述的建模方法應(yīng)用于永磁滿流聯(lián)軸器的磁路模型；其中，巧 和巧分別為永磁體所產(chǎn)生的磁動勢和導(dǎo)體感應(yīng)電流所建立的磁動勢;騎和駕分別為經(jīng)過永 磁區(qū)的磁通和經(jīng)過導(dǎo)體區(qū)的有效磁通，其均屬于主磁通;緝?yōu)橄噜徲来朋w磁極之間W及永 磁體與其背鐵之間的漏磁通之和;麵為導(dǎo)體滿流磁場的磁通量，該漏磁通經(jīng)由導(dǎo)體、氣隙及 永磁體磁極間隙，到達(dá)永磁體背鐵區(qū);·堪和巧分別為永磁體、氣隙和導(dǎo)體磁阻;&和·^ 分別為項(xiàng)和麵所對應(yīng)的磁阻。
[0019] 如圖4所示，本發(fā)明所述的一種簡化的軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，步 驟包括： 51、 根據(jù)對稱關(guān)系，并計(jì)及導(dǎo)體滿流反應(yīng)場，建立對應(yīng)于永磁滿流聯(lián)軸器一對磁極的1/ 2磁路模型，并建立相關(guān)磁路方程組。
[0020] 由于背鐵區(qū)磁導(dǎo)率極大，磁阻可W忽略不計(jì)，因此磁路方程組具體形式為：
(1) 52、 根據(jù)永磁滿流聯(lián)軸器設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)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(jì)算公式分別為：
式(2)~(7)中，馬為永磁體材料剩余磁化強(qiáng)度;分別為永磁體厚度、氣隙長度 和導(dǎo)體盤厚度;與和神分別為永磁體材料相對回復(fù)磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)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(zhuǎn)子徑向方向永磁體 長度;嗎為平均極距。
[0022] S3、計(jì)算經(jīng)過導(dǎo)體區(qū)的有效磁通駕，其計(jì)算方法為： 531、 確定主磁通路徑范圍內(nèi)的導(dǎo)體區(qū)平均磁密瑪V及平均感應(yīng)電流密度表達(dá)式； 532、 確定導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢&的表達(dá)式； 533、 根據(jù)磁路方程組即式（1)及巧的表達(dá)式，推導(dǎo)出導(dǎo)體區(qū)的有效磁通巧的計(jì)算公式 為：
式(9)中，巧為導(dǎo)體電導(dǎo)率為導(dǎo)體盤平均周長，S為轉(zhuǎn)差率，巧為滿流聯(lián)軸器主動側(cè) 轉(zhuǎn)速。
[0023] 所述步驟S31中，導(dǎo)體區(qū)平均磁密瑪V及平均感應(yīng)電流密度馬^的計(jì)算公式分別為：
式(11)中，V為磁場與導(dǎo)體間相對速度，且有
(12)。
[0024] 所述步驟S32中，導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢巧的表達(dá)式為：
(13)。
[0025] S4、計(jì)算導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩，所述導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩的具 體計(jì)算步驟為： 單極情況下對應(yīng)的體積為r的導(dǎo)體盤中屯、區(qū)域所受有效切向電磁力為：
(14) 式（14)中，為Russel l-Norswo;rthy修正系數(shù)，且有
(15) 式（15)中，帶為環(huán)形導(dǎo)體盤內(nèi)外徑差； 計(jì)入所有磁極情況，若平均力臂為，永磁滿流聯(lián)軸器的電磁轉(zhuǎn)矩為：
[0026] 有效性分析 通過一個(gè)算例驗(yàn)證本發(fā)明提出的簡化轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法的有效性。
[0027] 分析對象為一臺75 kW雙轉(zhuǎn)子對稱結(jié)構(gòu)軸向磁通永磁滿流聯(lián)軸器，其主要技術(shù)參 數(shù)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(dǎo)體盤即銅盤采用的是 T2銅，永磁盤及導(dǎo)體盤的背鐵均采用的是DT4電工純鐵。根據(jù)表1所給出的數(shù)據(jù)，可求出解析 模型中所需參數(shù)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(lián)軸器參數(shù)
分別應(yīng)用本發(fā)明提供的簡化轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法和Ξ維有限元方法，計(jì)算在一定相對轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)差率)范圍內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩變化情況，兩種方法的對比結(jié)果如圖5所示。其中永磁滿流聯(lián)軸 器氣隙長度設(shè)定為4 mm，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒為1500 r/min，而永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)差率的變化 而變化。由圖5可見，在較小轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)差率)變化范圍內(nèi)，利用本發(fā)明所提出的簡化轉(zhuǎn)矩計(jì)算 方法所得到的結(jié)果與Ξ維有限元方法計(jì)算結(jié)果都非常吻合，而永磁滿流聯(lián)軸器在穩(wěn)態(tài)工作 時(shí)基本處于小轉(zhuǎn)差狀態(tài)下，由此驗(yàn)證了本發(fā)明的有效性和精確性。 W上對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不限于W上描述。對于本領(lǐng)域 的技術(shù)人員而言，任何對本技術(shù)方案的同等修改和替代都是在本發(fā)明的范圍之中。因此，在 不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，其特征在于，包括： 51、 根據(jù)對稱關(guān)系，并計(jì)及導(dǎo)體渦流反應(yīng)場，建立對應(yīng)于永磁渦流聯(lián)軸器一對磁極的1/ 2磁路模型，并建立相關(guān)磁路方程組； 52、 根據(jù)永磁渦流聯(lián)軸器設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)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(jì)算經(jīng)過導(dǎo)體區(qū)的有效磁通男； 54、 計(jì)算導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩。2. 如權(quán)利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，其特征在于，所 述步驟S1中，由于背鐵區(qū)磁導(dǎo)率極大，磁阻可以忽略不計(jì)，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(chǎn)生的磁動勢和導(dǎo)體感應(yīng)電流所建立的磁動勢;需和 竭分別為經(jīng)過永磁區(qū)的磁通和經(jīng)過導(dǎo)體區(qū)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(dǎo)體渦流磁場的磁通量，該漏磁通 經(jīng)由導(dǎo)體、氣隙及永磁體磁極間隙，到達(dá)永磁體背鐵區(qū)；心、&和芩分別為永磁體、氣隙和導(dǎo) 體磁阻;馬.和_%分別為務(wù)和奮所對應(yīng)的磁阻。3. 如權(quán)利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)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(jì)算 公式分別為：式(2)~(7)中，啤為永磁體材料剩余磁化強(qiáng)度;心、4&和^分別為永磁體厚度、氣隙長度和 導(dǎo)體盤厚度;料和碎分別為永磁體材料相對回復(fù)磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)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(zhuǎn)子徑向方向永磁體長 度;S為平均極距。4. 如權(quán)利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，其特征在于，所 述步驟S3中，導(dǎo)體區(qū)的有效磁通磚計(jì)算方法為： 531、 確定主磁通路徑范圍內(nèi)的導(dǎo)體區(qū)平均磁密5^及平均感應(yīng)電流密度表達(dá)式； 532、 確定導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢巧的表達(dá)式； 533、 根據(jù)磁路方程組即式（1)及巧的表達(dá)式，推導(dǎo)出導(dǎo)體區(qū)的有效磁通駕的計(jì)算公式 為：式(9)中，巧為導(dǎo)體電導(dǎo)率,?.為導(dǎo)體盤平均周長，s為轉(zhuǎn)差率，巧為渦流聯(lián)軸器主動側(cè)轉(zhuǎn) 速。5. 如權(quán)利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，其特征在于，所 述步驟S31中，導(dǎo)體區(qū)平均磁密及平均感應(yīng)電流密度的計(jì)算公式分別為：式(11)中，v為磁場與導(dǎo)體間相對速度，且有6. 如權(quán)利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，其特征在于，所 述步驟S32中，導(dǎo)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁動勢恧的表達(dá)式為：7. 如權(quán)利要求1所述的簡化的軸向磁通永磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，其特征在于，所 述步驟S4中，通過下述步驟計(jì)算導(dǎo)體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩： 單極情況下對應(yīng)的體積為F的導(dǎo)體盤中心區(qū)域所受有效切向電磁力為：式（14)中，七為Russell-Norsworthy修正系數(shù)，且有式(15)中，?為環(huán)形導(dǎo)體盤內(nèi)外徑差； 計(jì)入所有磁極情況，若平均力臂為，永磁渦流聯(lián)軸器的電磁轉(zhuǎn)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(fā)明人】王堅(jiān), 蔣春容, 李宏勝
【申請人】南京工程學(xué)院