一种适宜于高速运行的无接触式电磁离合器

李 勇 邢敬娓 韩素芳 陆永平

（哈尔滨工业大学电气工程 哈尔滨 150001）

1 引言

离合器是机械传动系统中一种重要的传动装置，主要用于原动机和工作机之间、机械内部的主动轴和从动轴之间实现运动的传递与脱离。离合器的种类很多，有磁粉式离合器，摩擦片式离合器、电磁离合器等。很多人进行了离合器方面的研究，包括基本结构、设计计算、磁场模型、动态分析等[1-6]。在所研制的一个高速旋转设备中，需要一个特殊的离合器，必须具备以下功能:

（1）具有足够的耦合力矩，额定转速下的耦合力矩在15N·m左右。

（2）要适宜于高速运行，并在高速运行时实现两段机械轴的分离，转速范围在0～15000r/min。由于从动轴对机械冲击非常敏感，需要采用无接触方式工作。

（3）主动轴和从动轴之间必须同步运行，不能有相对位移。

（4）分离迅速，不能影响从动轴的下一步动作，分离时间不能超过0.2s。

（5）运行可靠，在高速运行时候出现故障能够自动脱开，具有自动保护功能。

（6）控制方式简单，且便于实现自动控制。

基于上述情况，现有的离合器满足不了研制设备的这些特殊要求。为此，本文提出了一种新型无接触式电磁离合器的设计思想[7]，采用直流通电控制方式，利用齿槽作用机理，完成高速运行过程中的离合作用。本文旨在介绍和研究这种新型电磁离合器的原理结构、磁场计算，样机研制和实验测试等问题。理论分析和实验结果都证明了该新型电磁离合器原理正确，方案可行。

2 新型电磁离合器结构与特点

新型无接触式电磁离合器由定子，主从动转子和线圈组成，其结构简图如图 1所示。离合器的主动转子安装在原动机的输出端，离合器的从动转子与工作机的输入端相连。该离合器工作于如下的两种状态:

图1 电磁离合器的结构示意图1—离合器定子 2—励磁线圈3—离合器主动转子 4—离合器从动转子Fig.1 Sketch of the designed electromagnetic clutch

（1）接通状态:励磁线圈通电，在两个转子间产生磁场和转矩，此时两个转子完全是齿对齿。当原动机转动时，在不失步情况下，由于磁阻效应从动转子便跟随主动转子同步旋转，实现离合器的接通。

（2）断开状态:当工作机需要与原动机断开时，只要切断励磁线圈的电源即可，此时两个转子之间已无磁场耦合和电磁转矩，从动转子呈自由减速状态，实现了离合器的断开。

该离合器的主要特点:

（1）基于磁阻效应原理，与步进电机和开关磁阻电机相似但却有本质区别，文献上还未见过报道。这两种电机的定、转子齿数绝不能相等，否则无法连续旋转，而本离合器主动和从动轴转子一定是齿数相等、严格对齐的。

（2）无接触电磁场耦合方式，具有自动保护功能。离合器依靠两个转子之间的最大静转矩保持主从部分的耦合，当出现故障或特殊情况，使得一方速度突变，负载转矩大于保持转矩时，则出现失步，主从部分自动脱离。

（3）采用直流供电方式，时间常数小，能实现快速分离。

（4）适宜于高速运转。耦合部分无电磁线圈、磁钢、摩擦片等部件，结构完整，刚度好，适宜于研制设备所需的高速运行。

3 离合器模型的解析分析

电磁离合器的电磁转矩可依据最基本的机电能量转换原理，通过磁场储能或磁共能对位置角的偏导求解来求得。所设计的离合器利用的是磁阻效应，分析时可以借鉴开关磁阻电机和步进电机的相关理论[8-9]。

无接触式离合器的等值磁路如图2所示，其中Fm、Rm和Rσ1分别对应励磁绕组的等效磁动势、内部磁阻和漏磁阻。R1～RZ分别为每极下的气隙磁阻，Rh为附加气隙的磁阻，Rσ2为转子间气隙的漏磁阻。

图2 离合器的等值磁路Fig.2 Equivalent magnetic circuit of the clutch

所设计离合器主动和从动转子具有相同的齿槽结构，所以每个齿在确定位置处的磁阻是相同的。每个齿距之间的磁路亦是相同的，因此可简化计算一个齿的转矩T1，总转矩即为ZT1，Z为齿数。

当不计铁心饱和及忽略高次谐波时，每极磁阻可表示为

式中 Λa—气隙磁导的恒定分量；

Λb—气隙磁导的基波分量幅值；

θe—主从动转子齿中心线之间的电角度。

设Rg为一个齿距下的气隙磁阻，则外部磁路磁阻为

磁路的总磁阻为

显然，外部磁路总磁阻RT随Rg的变化而变化，因此当励磁磁动势 Fm保持恒定时，气隙中总磁通Φm亦随Rg变化，即随转子位置角θe的变化而变化。

则对应一个齿距的电磁转矩为

式中 θ—主从动转子齿中心线之间的机械角度；

另外，离合器最大转矩与齿数是隐函数关系，不同齿数时转矩的计算结果如图3所示。

图3 转矩与齿数的关系曲线Fig.3 Calculated curve between torque and number of teeth

根据上述分析可以得出如下结果:

（1）当磁路不饱和时，最大转矩与电流的平方近似成正比，因此，改变励磁安匝数就可以调节离合器的最大转矩，进而调整带载能力。

（2）转矩随转差角基本是正弦变化，有些类似于步进电机的静转矩特性。但由于其中有余弦的一次项和二次项，所以曲线与正弦曲线相比有畸变，但只要曲线的变化规律是单调的，就可以满足设计要求。

（3）负载转矩不同，则转差角不同。当负载转矩小于最大静转矩时，从动转子可以跟随主动转子同步旋转，完成所要求的离合功能。

（4）转矩与齿数成正向变化关系，即齿数越多，转矩越大。当齿数增加到一定时，转矩几乎不再增加。

这说明所设计的新型离合器的工作原理是可行的。

4 电磁离合器的Ansoft仿真计算

利用有限元分析软件建立了离合器的 3D计算模型，离合器磁场分析采用的电磁场理论基于Maxwell方程组，考虑到钢的磁导率远远大于外界空气的磁导率，穿过定子外边界和从动转子内边界的磁通量很小，所以可以认为定子外边界与从动转子内边界是等A线，即B=0，满足第一类边界条件Az=0。由于离合器内的磁场分布每经过一个齿距就发生重复，满足整周期边界条件，因而求解域可缩小为一个齿距内的区域，如图4所示。

对建立的离合器有限元模型，设置适当的绕组匝数，通以直流电，经电磁场有限元计算，得出通入某一电流时的磁链图如图5所示。

图4 求解区域Fig.4 Computational area of magnetic field

图5 磁链分布图Fig.5 Flux distribution of the calculated field

经过分析可以看出，离合器的磁链从定子经过气隙进入主动转子，然后穿过齿和气隙，进入从动转子，再通过气隙回到定子齿，形成闭合回路，对于主从动转子而言，耦合的是单极性的磁场。

计算求得的磁通密度分布云图如图6所示，可以看出离合器的内转子和齿部比较容易饱和，在结构优化设计中要适当考虑其尺寸。计算得到离合器的矩角特性曲线如图7所示，与式（7）的分析结果是符合的。

图6 磁通密度分布云图Fig.6 Flux density cloud of the clutch

图7 离合器的矩角特性Fig.7 Torque-angle characteristics of the clutch

对应不同电流的转矩-电流特性计算结果表明，当电流逐渐增大并超过 8A时，磁路开始饱和，转矩特性也呈现饱和特征。

5 样机研制和实验

根据设计参数研制的无接触式电磁离合器样机如图8所示（设计了特殊的安装轴系）。通过测试得出样机最大转矩与励磁电流的关系曲线如图9所示。

图8 实验样机Fig.8 Designed prototype

图9 样机转矩-电流关系曲线测试结果Fig.9 Experimental data at different phase currents

对比图9和仿真计算结果可以看出，仿真计算结果与测试结果的变化规律相同，两者最大误差18%，最小误差8.8%。总体看来，计算得到的结果偏大，这可能是由计算的精度和测量误差造成的。

实验设备上，装配离合器的主从转子速度曲线如图10所示，实验时最高转速在12000r/min左右。从曲线可以看出，主从转子耦合状态良好，没有出现相对打滑现象。

图10 装配离合器的主从转子实测速度曲线Fig.10 Measured speed curves of the two rotors attached to the clutch

6 结论

本文设计了一种新型的基于齿槽作用机理的适宜于高速运行的无接触式电磁离合器，进行了基于磁路法的解析分析和基于Ansoft的仿真计算，最后研制了样机并完成了测试。理论分析、仿真计算和实验测试结果都证明，所提出的新型离合器的设计思路是正确的，方案是可行的，可以满足所研制设备的工程要求。

关于该离合器的优化设计、动态特性控制等问题，限于篇幅，将另文介绍。

[1]任兆香, 李彭年.采用有限元法分析滑差离合器电机的磁场[J].电工技术学报, 2000, 15(2): 41-46.Ren Zhaoxiang, Li Pengnian.Using the finite-element method to analyse the magnetic field of slip clutch electric machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2000, 15(2): 41-46.

[2]徐金寿.径向电磁离合器[J].太原重型机械学院学报, 2002, 23(4): 309-311.Xu Jinshou.Radial electromagnetic clutch[J].Journal of Taiyuan Heavy Machinery Institute, 2002, 23 (4):309-311.

[3]Marc Dassen, Maarten Steinbuch, Alex Serrarens.Simulation and control of an automotive dry clutch[C].Proceeding of the American Control Conference,2004: 4078-4083.

[4]杨红, 赵韩.快速电磁离合器力矩特性的有限元分析[J].轻工机械, 2004(1): 74-76.Yang Hong, Zhao Han.The FEM analysis on torque characteristics of the fast electromagnetic clutch[J].Light Industry Machinery, 2004 (1): 74-76.

[5]Pauvert V, Bernard N, Zaim M E, et al.Modelisation and optimization of clutch magnet actuator topologies[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 853-860.

[6]李勇, 崔友, 陆永平.一种高速电磁制动器制动过程的动态特性分析[J].电工技术学报, 2007, 22(8):131-135.Li Yong, Cui You, Lu Yongping.Dynamic characteristics of braking process for a high speed electromagnetic brake [J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(8): 131-135.

[7]Li Yong, Xing Jingwei, Han Sufang, et al.Principle and simulation analysis of a novel structure non-contact electromagnetic clutch[C].Proceedings of the ICEMS, Tokyo, Japan, 2009: 1-4.

[8]邹继斌, 李巍, 李勇.爪极式单相永磁步进电机特性的数值计算与分析[J].电工技术学报, 2007, 22(10): 1-5.Zou Jibin, Li Wei, Li Yong.Calculation and analysis of single phase stepper motor with claw poles [J].Transactions of China Electrotechnical Society , 2007,22(10): 1-5.

[9]刘闯, 朱旭勇, 卿湘文.开关磁阻电机转子动力学建模与分析[J].中国电机工程学报, 2008, 28 (3):83-89.Liu Chuang, Zhu Xuyong, Qing Xiangwen.Modeling and analysis of switched reluctance machine considering rotor dynamics[J].Proceedings of the CSEE, 2008,28(3): 83-89.