径向充磁联轴器的设计与仿真摘要径向永磁联轴器利用稀土永磁体之间的相互作用，无需机械连接就能进行机械能量的传递，是一种新型联轴器。
径向永磁联轴器主要由内、外转子组成，实现了无机械连接传动，解决了过载保护、主从动轴对中、软启动的问题，同时也解决了一些机械传动装置中密封性要求等问题，从根本上消除了传动泵密封处泄漏的问题，现已在化工机械、仪表及食品、真空等行业中得到广泛的应用。
对于永磁联轴器的研究，随着科技的发展，研究方法在不断改进和完善，种类也不断增加。
对于径向力和力矩的计算，国内外己经有很多种方法，包括经验法、有限元法和磁路法等等。
由于有限元法的计算相对其它几种算法精度较高，所以本文将采用此种方法对主、从动磁环之间的轴向力、传递的力矩进行计算分析，然后利用Ansoft有限元软件进行仿真。
本文以径向磁性联轴器为研究对象，主要讲述几个问题：(1)计算径向永磁联轴器力矩，分析影响力矩的主要因素。
(2)用有限元法分析气隙磁场，建立径向永磁联轴器气隙磁场的有限元分析模型，利用Ansoft软件对径向永磁联轴器气隙磁场进行分析，得出正确的结果。
(3)设计一个简单的径向磁性联轴器，用Ansoft软件的模拟分析,验证理论知识的正确性。
关键词径向磁性联轴器；Ansoft有限元法；磁场；力矩1 引言近年来永磁传动技术已从泵类向其它密封机械扩展，技术上集中于提高设备的可靠性、抗介质腐蚀新材料的研究，流体技术及制造装配的精度。
磁力泵代表着一个国家制造技术的水平，近年来工业发达国家的磁力泵在效率、寿命、制造周期、成本及可靠性等方面有了突破性的进展。
永磁传动技术逐渐应用到各个领域，将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件，内外磁部件由隔离罩分开，从而工作轴无须伸出所要封闭的空间，取消了动密封，实现无密封、零泄漏。
永磁传动技术发展的时间不长,还存在一些的问题:永磁传动[1]有些因为制造困难,性价比低,往往还只停留在理论研究上;永磁传动的设计目前还没有一套系统和完善的设计方法,磁路的设计、转矩的计算均建立在实验、半实验基础上,研制周期长,代价高,重复性劳动多;在磁路设计方面,多体渐变技术未能充分利用;磁场计算多成用上述的一些方法,由于多是近似计算,精度有待进一步提高。
永磁传动技术的发展任重而道远。
2 磁性联轴器电磁转矩分析本章涉及到电磁转矩的模拟分析，通过对一磁性联轴器的分析，利用有限元分析软件Ansoft模拟了电磁转矩与材料、磁转角、磁极对数、轭铁厚度、气隙及永磁体厚度之间的关系，从而设计出更合理的联轴器。
2.1联轴器材料的选择永磁体选用钕铁硼（NdFeB）磁性材料，内外磁轭用低碳钢,隔离罩用非导磁材料不锈钢,两端盖采用两层保护。
内层用非导磁不锈钢,外层用低碳钢材料。
2.2 联轴器永磁材料钕铁硼材料[2]中含有大量的钕和铁，容易锈蚀，所以钕铁硼磁铁必须进行表面涂层处理。
钕铁硼永磁材料是以金属间化合物RE2FE14B为基础的永磁材料，具有极高的磁能积和矫力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用。
钕铁硼的优点是性价比高，具良好的机械特性；不足之处在于居里温度点低，温度特性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，才能达到实际应用的要求。
2.3 联轴器的规格采用圆筒型推拉式传递形式。
内外转子分别用4块小磁体交错排列构成，初定联轴器尺寸[3]为:R0=15mm，R1=21.5mm，R2=24.5mm，R3=25mm，R4=25.5mm，R5=26.5mm，R6=29.5mm,R7=35mm(R0至R7为从里向外)；轴向长度Z=110mm；隔离套厚度L i=R4-R3=0.5mm,气隙L g=R5-R2=2mm,磁体长度L m=R2-R1=3mm;模型（如图2-1）。
图2-1磁性联轴器Ansoft仿真图冷却方式：强制风冷，一般在中、高压工况时，涡流热不大但又不能忽略且无法采用双层隔离罩的情况下采用。
其特点是：不额外增加磁钢用量，对大磁距设计结构，一般为细长型结构，冷却装置的额外设辅助零部件较多，要求设备周边环境通风条件良好。
2.4 磁性联轴器电磁转矩的分析利用Ansoft[4]有限元分析软件，对该磁性联轴器进行磁场力分析，主要涉及到以下几个方面：磁转矩与磁转角的关系、磁转矩与磁转角的关系、磁转矩与轭铁厚度的关系、磁转矩与轭铁厚度的关系。
2.4.1 磁性联轴器的磁力线分布模型采用Ansoft软件对该磁性联轴器建模并模拟，边界条件为V alue，得到的磁力线分布如图2-2，此时磁转角为0度。
从中可以看出磁力线的走向和规律，能够比较形象的看出来磁力的发生。
在磁性联轴器中，主动侧和从动侧之间所以有力矩的产生，全在于气隙磁场中产生了“扭斜”，扭斜的程度愈烈，磁场分布愈不均匀，主、从动侧之间的作用力矩就愈大。
图2-2a是θ=0°时的联轴器横断面上的磁场分布，可以看出，整个分布是对称的，所以作用力矩很小。
图2-2b是θ=40°时的情况，磁场产生扭斜，便产生了力矩。
由此可以看出，要计算力矩，必须计算磁场分布的细节，愈细愈好，而这正是传统方法所不能解决的，但Ansoft则弥补了这个缺陷。
(a)θ=0°(b) θ=40°图2-2磁性联轴器的磁力线分布2.4.2 磁转矩与磁转角的关系对于该磁性联轴器分别在不同磁转角下进行数值模拟，得到磁转矩与磁转角的关系如图2-3所示。
磁转矩与磁转角的关系基本上是正弦曲线。
当磁转角θ=0°时，有微弱的磁转矩；随着磁转角的逐渐增大，磁转矩也随之逐渐增大直到最大值Tmax，此时θ=40°或θ=50°，此时联轴器耦合最稳定；磁转角再增大，磁转矩则减小，耦合能力变弱。
表2-1 磁转矩与转角的关系表图2-3 磁转矩与转角的关系与Ansoft仿真图2.4.3 磁转矩与磁极对数的关系在其他参数不变，改变磁极对数的情况下，对不同磁极数目的磁性联轴器在转矩最大时的数值模拟，得到不同磁极数目磁性联轴器的转矩如图2-4。
表2-2 磁转矩与磁极对数关系表图2-4磁转矩与磁极对数关系图由图可以看出，磁极数目较少时，磁通密度低，所以传递的转矩也就小了；随着磁极数目的增加，磁通密度不断增大，传递的转矩也在增大，与此同时，当磁极数目增多时，漏磁也在增加，当增加的磁通密度不足以弥补漏磁的损失时，所传递的磁转矩就开始不断减小了。
2.4.4 磁转矩与气隙的关系在其他参数不变，改变磁体厚度的情况下，对不同磁体厚度的磁性联轴器在转矩最大时的数值模拟，得到不同磁体厚度磁性联轴器的转矩如图2-5，气隙对磁转矩的影响如图2-5。
表2-3 磁转矩与气隙的关系表从中可以看出，随着气隙的增大，磁转矩在不断的减小，因为内外磁体为磁源，气隙与磁体中的磁阻要比轭铁中的大的多，所以磁势主要消耗在气隙与磁体上，气隙增大，磁通密度必然减小，从而导致磁转矩下降，磁性材料利用率降低。
图2-5 磁转矩与气隙的关系图2.4.5 磁转矩与磁体厚度的关系在其他参数不变，改变磁体厚度的情况下，对不同磁体厚度的磁性联轴器在转矩最大时的数值模拟，得到不同磁体厚度磁性联轴器的转矩如图2-6。
表2-4 磁转矩与磁体厚度的关系表软件分析中看出）的情况下，改变永磁体的厚度，得到转矩如图2-6。
由图可以看出：在一定范围内，随着永磁体厚度的增加，转矩也不断的增大，而当永磁体厚度增加到一定厚度时，转矩的增速变缓（原因：随着永磁体厚度的不断增加，磁势、磁阻以及漏磁也都在增加，当永磁体厚度增加到一定值时，所增加的磁势几乎全部消耗在增加的磁阻和漏磁上，而对转矩的贡献就甚微小了），而且过重的永磁体同样使旋转部件的转动惯量增大，从而增大了主动机的启动转矩，使得运转部件的不稳定性增大，同时也要考虑提高永磁体的利用率和降低成本，故永磁体的厚度亦不易太厚，适中即可。
图2-6 磁转矩与磁体厚度的关系图由图2-6还可以看出：内、外磁体相比较而言，外磁体厚度对转矩的影响比内磁体厚度更加显著一些。
2.4.6 磁转矩与轭铁厚度的关系在其他参数不变，改变轭铁厚度的情况下，对不同轭铁厚度的磁性联轴器在转矩最大时的数值模拟，得到不同轭铁厚度磁性联轴器的转矩如图2-7。
表2-5 磁转矩与外轭铁厚度的关系表表2-6磁转矩与内轭铁厚度的关系表由图可以看出，由于轭铁的B-H曲线（表明某种磁性材料的磁感应强度B与磁化力H之间的关系的特性曲线。
曲线反映了材料的磁导率随磁通密度变化的方式。
当轭铁太薄时，轭铁出现磁饱和，使磁阻增大，气隙磁密减小，传递的转矩降低，磁转子性能下降；当增加轭铁厚度时，可使磁阻减小，气隙密度增大，传递的转矩增大，磁转子性能提高；当轭铁增大到一定值后，再增加轭铁厚度，此时传递的转矩增加甚微，但是过重的轭铁使旋转部件的转动惯量增大，从而增大了主动机的启动转矩，使得运转部件的不稳定性增大，故要合理的选择轭铁厚度，以达到最佳效果。
图2-7 磁转矩与外轭铁厚度的关系图3 磁性联轴器的结构本章设计了一个简单的磁性联轴器，并对该联轴器进行了验证分析，并达到了设计任务的要求，同时也证明了前面章节分析的正确性。
3.1 设计任务为Y112M-4型号电机设计一个联轴器。
电机参数如表格3-1。
表3-1电机参数表其中电机轴结构如图3-1所示。
图3-1 电机轴结构图3.2 联轴器转矩的计算联轴器转矩可有下面公式[5]计算：T =9550 K npT ---计算转矩/N·m ； P ---电机功率/KW ； n ---工作转速/r/min ；K ---工况系数（可参考JB/ZQ4383-86《联轴器的载荷分类及工作情况系数》选用，通常1<K <5。
此处选K =2）；T max=2×9550×41440=53 N·m 为磁性联轴器所需最大转矩。
3.3 磁性联轴器的尺寸根据电机参数设计的联轴器尺寸[6]如表3-2。
表3-2 联轴器尺寸表3.4 磁性联轴器的结构图3-2 磁性联轴器横断面图3-3 磁性联轴器三视图图3-4 内永磁体三视图图3-5 内转子三视图图3-6 隔离套三视图图3-7 外永磁体三视图图3-8 外转子三视图3.5 磁性联轴器选用材料永磁体选用钕铁硼（NdFeB）磁性材料，内外磁轭用低碳钢,隔离套用非导磁材料不锈钢,两端盖采用两层保护。
内层用非导磁不锈钢,外层用低碳钢材料。
3.6 联轴器的验证分析图3-9磁转角θ=14.5°时磁力线分布图表3-3 磁性联轴器矩角特性表图3-10 磁转角θ=14.5°时磁密度分布图图3-11 磁性联轴器矩角特性曲线由表4-3及图4-11可知：在磁转角θ=14.5°或θ=44.8°时，该磁性联轴器每米输出转矩最大为630.87N·m ，此时该磁性联轴器所能输出的转矩:T =630.87×1000110=69.4N·m 此时，T >T max =53N·m ，故能够满足设计要求。