专利摘要

本发明提供了一种简化的轴向磁通永磁涡流联轴器转矩计算方法，首先根据对称关系，并计及导体涡流反应场，建立对应于永磁涡流联轴器一对磁极的1/2磁路模型；再根据永磁涡流联轴器设计参数，计算永磁体磁动势、主磁通磁阻、和、漏磁通磁阻和；然后计算经过导体区的有效磁通；最后计算导体转子产生的电磁力和转矩。该种计算方法，在磁路模型中引入了导体感应电流所产生的磁动势并建立相应漏磁支路，有效计入了感应电流对主磁通的影响，同时计及了相邻永磁体磁极之间以及永磁体与其背铁之间的漏磁通。所建立的磁路模型贴近永磁涡流联轴器磁通和涡流分布的实际情况，在通常稳态工况条件下，基于该磁路法的转矩计算模型具有较高的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种简化的轴向磁通永磁涡流联轴器转矩计算方法。

背景技术

永磁涡流联轴器具备节能效果显著、过程控制精度高等优点，还具有不产生电磁谐波、减振效果好、总成本低、维护费用低、使用寿命长、过载保护和软启动/软制动等特性，在诸多工业领域具有广泛的应用前景。

目前，永磁涡流联轴器转矩特性分析和预测基本上都是通过电磁场计算过程实现，求解场域方程的计算方法主要有解析法和有限元法，最终得到功率、电磁力、电磁转矩等主要特性参数。尽管电磁场计算方案所产生的转矩计算结果较为精确，但是，无论是采用解析法还是有限元法，其建模和计算过程都相当复杂，对工程技术人员的要求也较高。

相比之下，基于磁路法的转矩计算模型具有模型简单、计算速度快等优点。但是，在现有包括永磁涡流联轴器在内的各种电磁设备的磁路模型，通常忽略了感应电流即涡流的存在。但是，就永磁涡流联轴器工作原理而言，导体涡流是产生电磁力和电磁转矩的基本条件。因此，磁路模型中忽略涡流将导致转矩计算结果存在较大的计算误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种简化的轴向磁通永磁涡流联轴器转矩计算方法，解决现有技术中存在的无法有效在磁路模型中计及感应电流的影响，从而导致转矩计算结果存在较大系统误差的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种简化的轴向磁通永磁涡流联轴器转矩计算方法，包括：

S1、根据对称关系，并计及导体涡流反应场，建立对应于永磁涡流联轴器一对磁极的1/2磁路模型，并建立相关磁路方程组；

S2、根据永磁涡流联轴器设计参数，计算永磁体磁动势 、主磁通磁阻 、 和 、漏磁通磁阻 和 ；

S3、计算经过导体区的有效磁通 ；

S4、计算导体转子产生的电磁力和转矩。

进一步地，所述步骤S1中，由于背铁区磁导率极大，磁阻可以忽略不计，因此磁路方程组具体形式为：

(1)

式(1)中， 和 分别为永磁体所产生的磁动势和导体感应电流所建立的磁动势； 和 分别为经过永磁区的磁通和经过导体区的有效磁通，其均属于主磁通； 为相邻永磁体磁极之间以及永磁体与其背铁之间的漏磁通之和； 为导体涡流磁场的磁通量，该漏磁通经由导体、气隙及永磁体磁极间隙，到达永磁体背铁区； 、 和 分别为永磁体、气隙和导体磁阻； 和 分别为 和 所对应的磁阻。

进一步地，所述步骤S2中，永磁体磁动势 、主磁通及漏磁通各部分磁阻 、 和 及 和 的具体计算公式分别为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式(2)~(7)中， 为永磁体材料剩余磁化强度； 、 和 分别为永磁体厚度、气隙长度和导体盘厚度； 和 分别为永磁体材料相对回复磁导率和真空磁导率； 为等效长方形永磁体宽度，亦即极弧宽度； 为等效长方形永磁体长度，亦即沿永磁转子径向方向永磁体长度； 为平均极距。

进一步地，所述步骤S3中，导体区的有效磁通 计算方法为：

S31、确定主磁通路径范围内的导体区平均磁密 及平均感应电流密度 表达式；

S32、确定导体感应电流所产生的磁动势 的表达式；

S33、根据磁路方程组即式(1)及 的表达式，推导出导体区的有效磁通 的计算公式为：

(8)

式(8)中，

(9)

式(9)中， 为导体电导率， 为导体盘平均周长， 为转差率， 为涡流联轴器主动侧转速。

进一步地，所述步骤S31中，导体区平均磁密 及平均感应电流密度 的计算公式分别为：

(10)

及

(11)

式(11)中， 为磁场与导体间相对速度，且有

(12)。

进一步地，所述步骤S32中，导体感应电流所产生的磁动势 的表达式为：

(13)。

进一步地，所述步骤S4中，通过下述步骤计算导体转子产生的电磁力和转矩：

单极情况下对应的体积为 的导体盘中心区域所受有效切向电磁力为：

(14)

式(14)中， 为Russell-Norsworthy修正系数，且有

(15)

式(15)中， 为环形导体盘内外径差；

计入所有磁极情况，若平均力臂为 ，永磁涡流联轴器的电磁转矩为：

(16)

式(16)中，

(17)。

本发明的有益效果是：该种简化的轴向磁通永磁涡流联轴器转矩计算方法，基于磁路法建立转矩计算模型，继承了磁路法计算简便、计算速度快的优点。在磁路模型中引入了导体感应电流所产生的磁动势并建立相应漏磁支路，有效计入了感应电流对主磁通的影响，同时计及了相邻永磁体磁极之间以及永磁体与其背铁之间的漏磁通。所建立的磁路模型贴近永磁涡流联轴器在转差率较小时的磁通分布实际情况，在此情况下基于该磁路法的转矩计算模型具有较高的准确性。

附图说明

图1是轴向磁通永磁涡流联轴器结构示意图；

图2是永磁涡流联轴器主磁通（实线）及漏磁通（虚线）磁路示意图；

图3是本发明所述的建模方法应用于永磁涡流联轴器的磁路模型；

图4是本发明所述的简化的永磁涡流联轴器转矩计算方法流程图；

图5是本发明所述的简化转矩计算方法求得的电磁转矩和三维有限元方法求得的转矩结果对比示意图，其中气隙长度4 mm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本专利的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，本发明所述的方法所应用于的轴向磁通永磁涡流联轴器结构示意图；永磁涡流联轴器主要由永磁转子和导体转子两部分组成，永磁转子由若干对磁极的永磁体1及永磁体背铁盘2构成，而导体转子由表面光滑的圆环形铜盘3及导体背铁盘4构成。

如图2所示，实际的永磁涡流联轴器（包含永磁体1、永磁铁背铁盘2、铜盘3、导体背铁盘4）磁路示意图，可划分为主磁通（实线）及漏磁通（虚线）磁路。

如图3所示，本发明所述的建模方法应用于永磁涡流联轴器的磁路模型；其中， 和 分别为永磁体所产生的磁动势和导体感应电流所建立的磁动势； 和 分别为经过永磁区的磁通和经过导体区的有效磁通，其均属于主磁通； 为相邻永磁体磁极之间以及永磁体与其背铁之间的漏磁通之和； 为导体涡流磁场的磁通量，该漏磁通经由导体、气隙及永磁体磁极间隙，到达永磁体背铁区； 、 和 分别为永磁体、气隙和导体磁阻； 和 分别为 和 所对应的磁阻。

如图4所示，本发明所述的一种简化的轴向磁通永磁涡流联轴器转矩计算方法，步骤包括：

S1、根据对称关系，并计及导体涡流反应场，建立对应于永磁涡流联轴器一对磁极的1/2磁路模型，并建立相关磁路方程组。

由于背铁区磁导率极大，磁阻可以忽略不计，因此磁路方程组具体形式为：

(1)

S2、根据永磁涡流联轴器设计参数，计算永磁体磁动势 、主磁通磁阻 、 和 、漏磁通磁阻 和 。

永磁体磁动势、主磁通及漏磁通各部分磁阻的具体计算公式分别为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式(2)~(7)中， 为永磁体材料剩余磁化强度； 、 和 分别为永磁体厚度、气隙长度和导体盘厚度； 和 分别为永磁体材料相对回复磁导率和真空磁导率； 为等效长方形永磁体宽度，亦即极弧宽度； 为等效长方形永磁体长度，亦即沿永磁转子径向方向永磁体长度； 为平均极距。

S3、计算经过导体区的有效磁通 ，其计算方法为：

S31、确定主磁通路径范围内的导体区平均磁密 及平均感应电流密度 表达式；

S32、确定导体感应电流所产生的磁动势 的表达式；

S33、根据磁路方程组即式(1)及 的表达式，推导出导体区的有效磁通 的计算公式为：

(8)

式(8)中，

(9)

式(9)中， 为导体电导率， 为导体盘平均周长， 为转差率， 为涡流联轴器主动侧转速。

所述步骤S31中，导体区平均磁密 及平均感应电流密度 的计算公式分别为：

(10)

及

(11)

式(11)中， 为磁场与导体间相对速度，且有

(12)。

所述步骤S32中，导体感应电流所产生的磁动势 的表达式为：

(13)。

S4、计算导体转子产生的电磁力和转矩，所述导体转子产生的电磁力和转矩的具体计算步骤为：

单极情况下对应的体积为 的导体盘中心区域所受有效切向电磁力为：

(14)

式(14)中， 为Russell-Norsworthy修正系数，且有

(15)

式(15)中， 为环形导体盘内外径差；

计入所有磁极情况，若平均力臂为 ，永磁涡流联轴器的电磁转矩为：

(16)

式(16)中，

(17)。

有效性分析

通过一个算例验证本发明提出的简化转矩计算方法的有效性。

分析对象为一台75 kW双转子对称结构轴向磁通永磁涡流联轴器，其主要技术参数如表1所示。其中，永磁体由钕铁硼N35SH材料制成，形状为扇形；导体盘即铜盘采用的是T2铜，永磁盘及导体盘的背铁均采用的是DT4电工纯铁。根据表1所给出的数据，可求出解析模型中所需参数 和 分别为72 mm和47 mm， 和 分别为65 mm和90 mm， 大小为138mm。

表 75kW轴向磁通永磁涡流联轴器参数

分别应用本发明提供的简化转矩计算方法和三维有限元方法，计算在一定相对转速（转差率）范围内的电磁转矩变化情况，两种方法的对比结果如图5所示。其中永磁涡流联轴器气隙长度设定为4 mm，导体转子转速恒为1500 r/min，而永磁转子转速随转差率的变化而变化。由图5可见，在较小转速（转差率）变化范围内，利用本发明所提出的简化转矩计算方法所得到的结果与三维有限元方法计算结果都非常吻合，而永磁涡流联轴器在稳态工作时基本处于小转差状态下，由此验证了本发明的有效性和精确性。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

一种简化的轴向磁通永磁涡流联轴器转矩计算方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。