盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器由于磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵、阻尼系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備相比，盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器具有軟啟動(dòng)、隔離振動(dòng)、自然保護(hù)過(guò)載、容忍較大對(duì)中誤差等優(yōu)勢(shì)。

由于盤式永磁驅(qū)動(dòng)器直接利用渦流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，銅盤中產(chǎn)生的感應(yīng)電流將會(huì)產(chǎn)生渦流損耗。渦流損耗引起的溫升將會(huì)導(dǎo)致永磁體不可逆的退磁，進(jìn)而惡化電磁性能。因此，建立盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器的電磁-溫度耦合解析模型，進(jìn)行電磁場(chǎng)解析計(jì)算和溫度場(chǎng)分析就非常必要和有意義。

目前，盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器的研究主要集中在轉(zhuǎn)矩特性的分析。文獻(xiàn)[5]提出改進(jìn)的二維電磁場(chǎng)解析模型進(jìn)行轉(zhuǎn)矩特性分析。文獻(xiàn)[6]提出適用于小滑差情況的快速計(jì)算轉(zhuǎn)矩方法，對(duì)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]提出三維解析模型用于分析轉(zhuǎn)矩和軸向力。

文獻(xiàn)[8]提出考慮端部效應(yīng)和曲率效應(yīng)的改進(jìn)三維解析模型用于分析轉(zhuǎn)矩特性。文獻(xiàn)[9]提出混合二維解析模型用于得到轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)表達(dá)式。文獻(xiàn)[10]基于等效磁路法建立解析模型用于推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩公式，并分析參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。但是，電磁場(chǎng)分析和溫度場(chǎng)分析有著很強(qiáng)的相互作用關(guān)系。

電磁場(chǎng)分析中的損耗作為熱源，將會(huì)引起溫升，反過(guò)來(lái)溫升又會(huì)影響電磁場(chǎng)分布和損耗。因此，為了確保盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器的成功設(shè)計(jì)和長(zhǎng)時(shí)間工作，基于電磁-溫度耦合解析模型進(jìn)行電磁場(chǎng)解析計(jì)算與溫度場(chǎng)分析十分必要。

文獻(xiàn)[12]建立了三維電磁場(chǎng)解析模型計(jì)算渦流損耗，并預(yù)測(cè)銅盤溫度，但該解析模型僅適用于低滑差速度的情況，不適用于整個(gè)工作范圍。建立電磁-溫度耦合模型的方法有解析法和有限元法。盡管有限元法對(duì)精確計(jì)算較為有效，但該方法較為復(fù)雜、靈活性差、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。相比之下，解析法具有簡(jiǎn)單、計(jì)算時(shí)間短、物理意義直觀等特點(diǎn)，適用于初步設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)特性分析。

本文提出了盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器的電磁-溫度耦合解析模型，用于電磁場(chǎng)解析計(jì)算與溫度場(chǎng)分析。該解析模型適用于盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器的整個(gè)工作范圍。

首先，基于分離變量法建立三維電磁場(chǎng)解析模型，解析計(jì)算轉(zhuǎn)矩和渦流損耗。然后，建立等效熱網(wǎng)絡(luò)模型用于溫度場(chǎng)分析，考慮材料特性隨溫度變化，進(jìn)行電磁-溫度耦合分析。最后，進(jìn)行三維有限元分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將氣隙磁場(chǎng)分布、轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響、渦流損耗、溫度分布等電磁-溫度耦合解析模型結(jié)果與有限元和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明解析方法的正確性。

圖1 盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

圖8 盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

本文提出了盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器的電磁-溫度耦合解析模型，進(jìn)行了電磁場(chǎng)解析計(jì)算和溫度場(chǎng)分析。通過(guò)研究分析，得出以下結(jié)論：

1）在柱坐標(biāo)系下，建立了三維電磁場(chǎng)解析模型用于計(jì)算電磁場(chǎng)分布，并推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗表達(dá)式。

2）建立了盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器等效熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。本文提出的電磁-溫度耦合解析模型考慮材料電磁和溫度特性隨溫度變化，通過(guò)溫度迭代實(shí)現(xiàn)模型的計(jì)算。

3）基于本文提出的電磁-溫度耦合解析模型，分析了氣隙磁場(chǎng)分布，轉(zhuǎn)矩、渦流損耗、永磁體和銅盤溫升隨負(fù)載的變化，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。

4）本文對(duì)盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了三維有限元和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將解析結(jié)果與有限元和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，本文提出的電磁溫度耦合解析模型是合理的、正確的，可以為盤式永磁渦流驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的參考依據(jù)。