2.7　磁力耦合傳動技術中的磁渦流損失

2.7.1　渦流的產生及影響

磁力耦合傳動裝置由內、外磁轉子及內、外磁轉子間的隔離套三大部件組成。隔離套是磁力密封傳動裝置中的一個重要部件。若隔離套為金屬材料，那么當內、外磁轉子同步或不同步旋轉運動時，金屬隔離套便處在交變磁場中，磁場的方向和大小按一定規律瞬間變化，即隔離套壁厚中的磁通量隨時間而變化，作為導體將產生環繞磁通量變化方向的渦電流，即環形電流（佛科電流），稱為渦流。

渦流產生的過程稱為趨膚效應過程。一方面減弱了工作磁場，降低了傳遞的力或扭矩，另一方面產生渦流損耗并以熱量的形式釋放，消耗了原動機的功率（能量），降低了工作效率。金屬隔離套密封磁力耦合傳動裝置在正常運轉工作時，由于渦流的產生，連續釋放熱量，磁性材料工作的環境溫度不斷上升，溫度升高到額定溫度值時，磁體的磁性能隨溫度的繼續升高而降低，降低磁性能而使傳遞的力或扭矩下降，影響磁裝置的正常運行和工作。當溫度升高至磁性材料的居里溫度點時，磁性材料的磁性能完全消失，即磁傳動裝置的工作作用完全失效。

2.7.2　渦流損失的計算

（1）模型與假設條件

①基本模型與參數　磁場與隔離套的基本模型如圖2-21、圖2-22所示，基本參數包括：隔離套軸向磁化長度L（mm）；隔離套壁厚度t（mm）；內、外磁轉子轉角差?（rad）。

②假設條件

a.磁場B沿r取向，且在隔離套內隨?坐標變化，即

B=Brr

Br=Bosin?

式中， Bo為工作氣隙中最大磁通密度。隔離套相對內、外磁轉子為逆時針旋轉，由變化磁場產生的電流沿Z向，電動勢E變化為

E=EzZ

式中，Ez為隨?變化的最大電動勢。

b.隔離套中位移電流相對于傳導電流可以忽略。

c.隔離套厚度t遠小于軸向長度L，可以忽略端部效應，僅以橫斷面為研究對象。

（2） 渦流損失理論計算式的導出

按Maxwell方程

　　 （2-36）

根據上述假設條件a和上式在其坐標下可得

　　 （2-37）

Br=Bosinm?

　　 （2-38）

　　 （2-39）

把式（2-39）、式（2-38）代入式（2-37）得

　　 （2-40）

對式（2-40）兩邊積分得

　　 （2-41）

電流密度為

　　 （2-42）

如圖2-22所示，在單元面積dA=rd?t中的功率損失為

在整個隔離套中的渦流損失Pj為

　　（2-43）

式中　L——磁化長度，m；

r——隔離套半徑，m；

t——隔離套壁厚，m；

n——電動機轉速，r/min；

Bo——磁感應強度，T；

γ——電導率，s/m。

（3）理論計算實例

已知　D1=128.4mm　　L=33mm

γ=0.625×106s/m　　n=2950r/min

Bo=0.4996T　　t分別為1.9mm、1.36mm和1.04mm

利用式（2-43）對三種不同厚度的隔離套進行理論計算。結果如表2-13所示。

（4）渦流損失的實驗測試

磁渦流損失的測試裝置如圖2-23所示。利用該裝置對理論計算時所采用的三種不同厚度的金屬隔離套分別進行了測試。測試數據經計算機處理的結果見表2-14。

從表2-13與表2-14中可以看出，理論計算值與實測值基本一致，實測值在測試時因受機械摩擦力的影響略大于計算值，計算與實測值基本符合實際狀態。

（5）產生渦流損失的因素分析及有關參數的選擇

①理論和實測表明，磁渦流損失的大小與隔離套的厚度t有關，在滿足隔離套強度要求的條件下，隔離套的壁厚越小越好。

②磁渦流損失的大小與隔離套材料的電導率γ成正比關系。電導率大，渦流損失大，因此，隔離套選擇電導率小的材料為宜。

③磁渦流損失的大小與磁場旋轉半徑r的三次方成正比，而與磁程長度L的一次方成正比。結構設計時盡量減小r值，適當增大L值，有利于控制或減小渦流損失。這是因為r值大，磁轉子旋轉的線速度大，從而導致了交變磁場在隔離套中產生影響很大。所以，在滿足設計要求的前提下，主動機轉速不宜選高。

上述討論與分析表明，磁力耦合傳動器中金屬隔離套產生渦流造成功率損失，只要通過對參數和永磁材料的合理選擇就能有效控制渦流損失的大小或把渦流損失降低到最小值。