[发明专利]一种永磁磁力耦合器传递转矩计算方法

摘要

本发明一种永磁磁力耦合器传递转矩计算方法属于永磁传动技术领域，涉及一种永磁磁力耦合器传递转矩计算方法。该方法首先将导体盘上所产生扇形涡流区域等效成圆形，根据法拉第电磁感应定律，计算出导体盘区域总体涡流损耗功率。再根据永磁磁力耦合器的拓扑结构，建立包含主磁通、泄漏磁通、有效磁通及感应磁动势的磁路等效模型。根据永磁磁力耦合器的设计尺寸，计算出永磁体磁动势、涡流区域感应磁动势、主磁通磁阻、泄漏磁通磁阻。结合基尔霍夫第一定律，计算出穿过导体盘的有效磁感应强度。计算出永磁磁力耦合器的传递转矩，与有限元计算方法的结果作了对比。该方法是一种具有工程实际应用价值的计算方法，方法简单，计算效率高，时间成本低。

主权项

1.一种永磁磁力耦合器传递转矩计算方法，其特征是，该方法首先将导体盘上所产生扇形涡流区域等效成圆形，根据法拉第电磁感应定律，计算出导体盘区域总体涡流损耗功率；然后根据永磁磁力耦合器的拓扑结构，建立包含主磁通、泄漏磁通、有效磁通及感应磁动势的磁路等效模型，并作出相应简化；根据永磁磁力耦合器的设计尺寸，计算出永磁体磁动势、涡流区域感应磁动势、主磁通磁阻、泄漏磁通磁阻，结合基尔霍夫第一定律，计算出穿过导体盘的有效磁感应强度；最后计算出永磁磁力耦合器的传递转矩；计算方法的具体步骤如下：第一步、计算导体盘区域总体涡流损耗功率首先在导体盘上取一个圆形等效涡流区域，永磁体轴向充磁，圆形等效涡流区域在磁场中运动，并切割磁力线；穿过圆形等效涡流区域磁通量φ的变化遵循以下表达式：φ＝B_eS_ecosωt  (1)式(1)中，B_e为穿过圆形等效涡流区域的有效磁感应强度，t为时间，S_e为圆形等效涡流区域的面积，且有：S_e＝1.2(a+b)L/2  (2)及ω＝2πpΔn/60  (3)式(2)中，a为永磁体内边缘的尺寸，b为永磁体外边缘的尺寸，L为永磁体径向边缘的垂直尺寸；式(3)中，p为永磁体磁极对数，Δn为永磁体盘和导体盘之间的转差；根据法拉第电磁感应定律，得出导体盘圆形等效涡流区域产生的感应电动势E为：导体盘总体涡流损耗功率P_e为：式(5)中，R为导体盘等效电阻，且有：式(6)中，ρ为导体盘的电阻率，l_c为导体盘厚度，μ₀为真空磁导率，μ_rc为导体盘相对磁导率；第二步、建立永磁磁力耦合器的磁路等效模型根据永磁磁力耦合器的拓扑结构，永磁磁力耦合器的主磁通路径为永磁体(5)→永磁体盘(4)→气隙(3)→导体盘(2)→导体盘背铁(1)→永磁体盘背铁(6)→永磁体(5)，泄漏磁通存在于气隙(3)处；在永磁体平均半径截面处展开得到永磁磁力耦合器的二维磁路模型，导体盘背铁(1)对应于主磁通磁阻R_i1，导体盘(2)对应于涡流区域感应磁动势F_i及主磁通磁阻R_c，气隙(3)对应于主磁通磁阻R_a及泄漏磁通磁阻Rl_a、Rl_p，永磁体盘(4)对应于主磁通磁阻R_i2，永磁体(5)对应于永磁体磁动势F_p及主磁通磁阻R_p，永磁体盘背铁(6)对应于主磁通磁阻R_i3，根据以上磁通路径对应关系，建立永磁磁力耦合器的磁路等效模型；第三步、计算穿过导体盘的有效磁感应强度设永磁体磁动势F_p、涡流区域感应磁动势F_i、永磁体磁动势F_p、涡流区域感应磁动势F_i、导体盘背铁主磁通磁阻R_i1，导体盘主磁通磁阻R_c，气隙主磁通磁阻R_a，气隙间泄漏磁通磁阻Rl_a、磁体间泄漏磁通磁阻Rl_p，永磁体盘主磁通磁阻R_i2，永磁体主磁通磁阻R_p，永磁体盘背铁主磁通磁阻R_i3，Rl泄漏磁通磁阻之和；具体表达式为：式(7)中，τ_p为相邻永磁体中心之间的极距，τ_m为相邻永磁体侧面之间的极距，μ_ri为永磁体盘和导体盘背铁的相对磁导率，μ_rp为永磁体的相对磁导率，l_g为气隙长度，l_i1为导体盘背铁的厚度，l_p为永磁体的轴向充磁厚度，l_i2为永磁体盘去除l_p之后的厚度，l_i3为永磁体盘背铁的厚度，H_p为永磁体矫顽力，k_i为感应磁动势折算系数；根据基尔霍夫第一定律，得到磁路等效模型对应的方程组为：式(8)中，φ₀为主磁通量，φ₁为泄漏磁通量，φ₂为穿过导体盘的有效磁通量，且有：F_e＝F_p‑F_i  (9)由(8)推导出穿过导体盘的有效磁通量φ₂的计算表达式为：式(10)中，R＝2R_a+2R_c  (11)由磁通量和磁感应强度的关系，可以计算出穿过导体盘的磁感应强度B_e为：第四步、计算永磁磁力耦合器的传递转矩将涡流损耗产生的热效应忽略，认为涡流损耗功率全部转化为传递转矩，根据转矩和功率的关系，计算出传递转矩T为：式(13)中，ω_T＝2πΔn/60  (14)考虑到端部漏磁效应，引入Russell‑Norsworthy修正系数k_c，修正后的转矩T'为：T'＝k_cT  (15)式(15)中，利用公式(15)求出考虑到端部漏磁效应，修正后的转矩T'。