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1、·22·JMagnMaterDevicesVol32No6文章编号:1001-3830(2001)06-0022-05轴向磁性联轴器轴向力与传动力矩计算及其特性分析杨志轶,赵韩(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009)摘要:从等效磁荷理论出发,得出了基于三维分析的轴向磁性联轴器轴向力及传动力矩的计算表达式,并对磁极数、磁环尺寸、磁环间距等因素对轴向力、传动力矩的影响进行了分析。该计算公式易于实现编程计算,非常适用于参数设计与优化,其方法对磁性联轴器的理论研究、设计及其应用都具有重要意义。关键词:磁性联轴器;轴向力;力矩;特性分析中图分类号:T
2、H133.4文献标识码:A这些数值方法的三维电磁场分析与计算,不1引言仅计算数据前后处理复杂,而且需要消耗大磁性联轴器是一种利用两磁环之间的量的计算机内存和CPU时间。本文从等效磁力作用来实现无机械接触传动的新型联磁荷理论出发,得出了基于三维分析的轴轴器。由于可以实现非接触传动从而可以实向磁力及传动力矩计算的表达式,并对磁极现轴端密封以及具有过载保护性能等优点,数、磁环尺寸、磁环间距等因素对轴向磁力、再加上高性能稀土永磁材料的出现,使得永传动力矩的影响进行了分析。这种形式的磁磁磁性联轴器在化工、纺织、食品、仪器仪表力与力矩计算公式易于实现计算机编程计[1～3
3、]等行业中获得了广泛的应用.算,非常适用于轴向磁性联轴器的参数设计根据磁环的磁化方向磁性联轴器有径与优化,其方法对轴向磁性联轴器的理论研向和轴向联轴器两类,在实际应用中考虑到究、设计及其应用都具有重要意义。磁环制造、安装等因素的影响,大多采用轴2轴向力与传动力矩计算模型与试向联轴器。对于轴向磁性联轴器,准确计算验验证轴向磁力与传动力矩是其研究、设计与应用的关键。以往对磁性联轴器的研究大多采用2.1物理模型[2,4]磁路分析方法,计算十分复杂而且精确图1为典型的轴向磁性联轴器的结构度较低。事实上,精确的磁力与力矩计算都示意图。上下磁环均由若干对磁极组成,当需要
4、进行三维分析,对于各种数值方法如有主动轴旋转时,由于两磁环间沿圆环切向方限元、边界元等方法都是行之有效的方法。向的磁力作用,带动从动轴同步旋转。同时,但是对于经常所要求的参数分析、设计及其两磁环间还存在轴向磁力作用,尤其在传动[5]优化,这些数值方法是难以适应的,而且功率较大时轴向力将会很大,这就需要设计收稿日期:20001-07-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975027)2001年12月磁性材料及器件·23·图1轴向磁性联轴器与几何参数图2坐标系与两磁环相对角偏差适当的轴向推力轴承或平衡装置来克服它。“点荷”2(r2,∀2,g)对“点荷”
5、1(r1,∀1,0)建立图2所示坐标系。将轴向磁化的永磁环看成是均匀磁化的理想永磁环,其磁化关于z轴的力矩为强度为M,有#0Tz=(r×F12)z=×4!M(r)=±Mr(1)QM(r1,∀1,0)QM(r2,∀2,g)r1r2sin(∀1-∀2)式中,符号±是考虑到两相邻磁极的磁化方2223/2[r1+r2-2r1r2cos(∀1-∀2)+g]向相反(下同)。(5)[6]由永磁体的等效磁荷模型,其等效磁#式中,F12是“点荷”2对“点荷”1的作用力,r荷体密度与磁荷面密度分别为是从坐标原点到“点荷”1的矢径,符号()zM=-!M=0(2a)
6、表示取矢量积的z轴分量。M=M!n=±M(2b)∀2.3两扇形面之间的相互作用由文献[7],两个“点荷”——QM(x1)∀∀∀设一个扇形面位于平面x-y,且与x轴(在x1处)与QM(x2)(在x2处)之间的作用对称(∀=0),另一个扇形面位于平面z=g,力为#F#且对称于角位移∀=∀s。将扇形面离散成小12=F210QM(∀x1)QM(∀x2)(∀x1-∀x2)单元,在每一个小单元的中心定义一个“点=34!∃x∀1-x∀2∃荷”,则单个“点荷”相互作用力与力矩的总和(3)即为两扇形面之间的相互作用力与力矩。式中,QM为“点荷”磁荷量,0为空气磁导率。设两
7、磁环相同,磁极数为N,内、外径由此,可以将两磁环之间的磁场作用分分别为R1和R2。将扇形区离散成一系列面成以下三步得到。积相等的单元,各单元的磁荷量相等。设扇2.2两“点荷”之间的相互作用形面两坐标变量r、∀的分格数分别为Nr和∀设一“点荷”QM(x1)位于平面x-y上的N∀,则每一单元的面积#∃及其张角#∀分∀点1(r1,∀1,0)处,另一“点荷”QM(x2)位于别为平面z=g上的点2(r2,∀2,g)处。由(3)式R222-R1#A=!(6a)可以得到这两个“点荷”相互作用力的轴向NNrN∀分量为#∀=2!(6b)NN∀0QM(r1,∀1,0)QM(r2
8、,∀2,g)gFz=2223/2由(2)式、(6)式
