Halbach型调磁式异步磁力联轴器的电磁特性及实验研究

摘要

调磁式异步磁力联轴器通过调磁极片调制永磁外转子磁场，使得导体内转子转速和方向得以改变，为提高该种磁力联轴器的转矩传递能力，本文提出利用Halbach永磁阵列的单边聚磁特性增强联轴器工作气隙中的磁场强度。本文围绕Halbach型调磁式异步磁力联轴器的磁场特性、传动性能以及温度分布进行了系统的研究，并且试制了样机进行性能试验研究。
　　研究了Halbach型调磁式异步磁力联轴器的气隙磁场及传动机理。对比分析了Halbach阵列与传统磁体排布时的静态气隙磁场分布特性，并利用VB和MATLAB软件对Halbach阵列永磁体产生的空间静态三维气隙磁场进行二次开发研究，实现气隙磁场的参数化设计。此外，运用磁场解析法对内气隙调制磁场分布进行分析，得到了适用于Halbach排布时内气隙调制磁场磁感应强度的理论公式，推得了联轴器传动比的计算公式。
　　通过Maxwell2D有限元分析软件模拟仿真了永磁体分配比、永磁体磁极对数、调磁极片齿数和内转子槽数对联轴器瞬态传动特性的影响，得到了瞬态感应电流密度分布特点，内气隙径向磁密幅值的变化曲线及转矩的变化曲线，该模拟结果反映了联轴器的电磁特性，为Halbach型调磁式异步磁力联轴器结构的优化提供了依据。
　　研制了Halbach型调磁式异步磁力联轴器样机，进行三维外气隙永磁体磁场、三维内气隙调制磁场及传动性能的试验研究。采用高精度数字化测磁系统进行内外气隙磁场的三维测量，得到了永磁磁场和调制磁场磁感应强度径向、周向和轴向分量的三维空间分布图，相比于永磁磁场，调制磁场的各向分量磁感应强度均明显减弱，与静态气隙磁场的理论结果较为一致;对三种不同内转子结构的联轴器样机进行传动特性的测定，得到了传动比随输入转速和转矩随输出转速或滑差率的变化曲线，结果表明浅槽导体转子样机的传动性能最好，且相比于传统阵列，联轴器采用Halbach阵列时的传动性能显著提高。
　　进行了温度场的三维模拟及温度场的测试试验。应用ANSYS软件进行了三维温度场模拟，得到了三种内转子结构的联轴器整体及各组成部件的温度分布，并进行温升实验研究，测量了各联轴器样机外转子轭铁、调磁极片及内转子的温度分布，结果表明浅槽导体转子联轴器的温升最高，并验证了理论的正确性。这些研究对大功率、高转速下的Halbach型调磁式异步磁力联轴器的设计具有指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 异步磁力联轴器的发展概况

1．2．1 传统异步磁力联轴器的发展概况

1．2．2 调磁式异步磁力联轴器的发展概况

1．3 调磁装置的发展概况

1．4 Halbach永磁阵列的发展概况

1．4．1 国外发展概况

1．4．2 国内发展概况

1．5 本课题研究的主要内容

1．6 本章小结

第二章 Halbach型调磁式异步磁力联轴器的磁场分析

2．1 永磁阵列的排布方式

2．1．1 传统永磁阵列

2．1．2 聚磁技术

2．1．3 Halbach永磁阵列

2．2 不同永磁阵列静态气隙磁场的分析比较

2．3 Halbach永磁阵列静态气隙磁场计算的二次开发

2．3．1 空间磁场解析表达式

2．3．2 气隙磁场计算的程序流程图

2．3．3 气隙磁场计算中程序的实现

2．3．4 静态气隙磁场计算结果显示

2．4 磁场调制原理分析及传动比计算

2．4．1 调制函数分析

2．4．2 内气隙调制磁场分析

2．4．3 联轴器传动比的计算

2．5 本章小结

第三章 Halbach型调磁式异步磁力联轴器传动性能分析

3．1 基本结构及工作原理

3．2 Maxwell 2D瞬态有限元仿真步骤

3．2．1 基本假设

3．2．2 Maxwell 2D有限元模型的建立

3．3 不同结构参数对传动性能的影响

3．3．1 永磁体分配比的影响

3．3．2 永磁体磁极对数的影晌

3．3．3 调磁极片齿数的影响

3．3．4 内转子槽数的影响

3．4 本章小结

第四章 Halbach型调磁式异步磁力联轴器的样机研制及性能测试

4．1 试验内容

4．2 试验样机

4．3 三维静态气隙磁场测量及分析

4．3．1 三维静态气隙磁场的测量方案

4．3．2 测量结果及分析

4．4 传动性能测试分析

4．4．1 试验平台的搭建

4．4．2 实验结果及分析

4．5 本章小结

第五章 Halbach型调磁式异步磁力联轴器的温度场研究

5．1 三维稳态温度场有限元模拟

5．1．1 基本假设

5．1．2 ANSYS三维温度场模拟分析步骤

5．1．3 三维稳态温度场计算结果分析

5．2 温升实验测量及分析

5．2．1 实验测量方案

5．2．2 实验结果及分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题研究