一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法

1.本发明属于永磁磁力传动技术领域，涉及一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法。


背景技术：

2.船用汽轮机、大型水下推进器等是我国航海领域重大工程中的核心装备。受复杂多变的海况影响，此类装备常服役于随机强冲击、大负载连续作业等工况下，对高可靠传动装置等均提出了严苛的要求。随着第三代永磁材料的发展，永磁磁力传动技术凭借其减振降噪、对中释放、环境适应性、无级调速、过载保护等特点，在大功率装备传动中获得了广泛应用。永磁联轴器是一种非接触的永磁磁力传动技术，通过内外转子上永磁体的相互作用实现驱动端到负载端的扭矩传输，允许内外转子之间存在一定的安装对中误差，可有限减少电机与负载之间的振动传递。永磁联轴器主要使用烧结钕铁硼永磁体，不同永磁体之间以轴心为基准，沿周向n极、s极交替阵列排布，形成内外转子磁组阵列。然而，由于不同钕铁硼永磁体之间存在性能差异，若无法快速有效地测量检定不同永磁体的磁场差异，进行分选装配，极易导致永磁联轴器转子周向力载荷分布不均，进而影响其对中性能与传动性能。因此，开发一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法对于永磁联轴器的制造与发展具有重要意义。
3.针对永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定问题，李正明、徐鹏坤等人在在专利“一种电机转子永磁体磁场均匀性测试系统及方法”(cn 108680878 b)中利用拖动电机带动待测的电机转子匀速转动，与定子绕组形成转差，产生感应电势，通过比较电机定子绕组不同位置感应电势的对称性，判断转子磁组阵列的均匀性。该方法可有效检测电机转子的磁组阵列均匀性，然而，该方法的实施很大程度上依赖于与转子配套的定子绕组，同时，定子绕组间的差异性亦会作为误差引入转子磁组阵列均匀性评判结果中；因此，该方法在永磁联轴器中应用的适应性低。针对永磁体磁场均匀性测量的问题，南京林业大学的王辉等人于2020年在《仪表技术与传感器》第5期中发表了文章《霍尔式轮速传感器永磁体磁场均匀性测量方法研究》，利用调速电机驱动永磁体旋转，并使用霍尔传感器测量永磁体周向磁场变化，通过评估测量信号波形波动幅度判断永磁体磁场的均匀性。该方法选取永磁体旋转一周的数据进行分析，调速电机转速及转速的均匀性会影响测量结果，进而影响磁场均匀性的评估结果，若转速过大，波形易变形失真，若转速过小，波形变化幅度不易被检测。因此，提出一种可快速准确地测量、评估永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性的测量检定方法对于永磁联轴器的设计研发具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明为了弥补现有技术的缺陷，发明了一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法。其目的是利用单个磁场传感器单次测量数据作为约束条件，结合永磁体电流等效解析计算模型，对永磁联轴器磁组阵列的磁场均匀性进行重建评估，以此为永磁联轴
器的磁组阵列分选装配、测量检定提供重要技术支撑。该方法以永磁体电流等效解析计算模型为基础，利用磁场测量结果作为约束，反算每个永磁体的等效极化强度，通过对比实现磁组阵列的磁场均匀性快速准确评估，仅需单个磁场传感器单周测量即可实现永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性的准确评估。该方法在工程应用中具有较好的实用性，操作方便，计算简单。
5.本发明采用的技术方案是一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法，该方法通过电流等效解析计算模型，将待测永磁体等效为四阶电流线圈，并利用所有永磁体中心点所在的平面上的磁场测量结果，反算每个永磁体的等效极化强度，通过计算等效极化强度均方根误差和均值，实现磁组阵列的磁场均匀性快速准确评估，为永磁联轴器的磁组阵列分选装配、测量检定提供重要技术支撑。该计算方法具体步骤如下：
6.第一步、确定永磁联轴器的关键参数，安装测量装置
7.首先确定永磁联轴器的关键参数，其中，内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中永磁体个数为p，其中，每个永磁体厚度为h，长度为a，下底面宽b1，上底面宽b2，因内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中的永磁体需n极、s极均匀交替排布，故永磁体个数为偶数；
8.参数确定后安装测量装置，首先将驱动电机底座10、转矩转速传感器底座11、纵向移动滑台18固定安装在同一水平面上，且中轴线对齐；然后，将驱动电机9和横向移动滑台16分别安装在驱动电机底座10和纵向移动滑台18上，使横向移动滑台16与纵向移动滑台18保持正交，横向移动滑台16能在纵向移动滑台18上滑动；随后，使用磁场探头对中块17、轴承座对中块13、转矩转速传感器对中块12调整磁场探头立座19、轴承座14、转矩转速传感器25的对中高度，磁场探头立座19、轴承座14、转矩转速传感器25、驱动电机9的轴线对中后，将磁场探头立座19通过磁场探头对中块17安装到横向移动滑台16上，且磁场探头对中块17能沿横向移动滑台16滑动，同时将轴承座14、转矩转速传感器25分别通过轴承座对中块13、转矩转速传感器对中块12固定到转矩转速传感器底座11上；最后，将装有通用转接法兰22的中间轴23安装在轴承座14上，将装有磁场探头15的磁场探头转接夹具20固定在磁场探头立座19上，利用输出端波纹管联轴器24连接中间轴23和转矩转速传感器25的输出端，利用输入端波纹管联轴器26连接驱动电机9和转矩转速传感器25的输入端；至此，测量装置安装工作完成；
9.第二步、安装待测转子，调节测量位置，获取不同角度的测量结果
10.测试前需先安装待测转子，待测转子包括永磁联轴器内转子21和永磁联轴器外转子；其中，永磁联轴器内转子21的内转子磁组阵列2安装于内转子轭铁3上并通过内转子背铁盖板4与内转子转接盖板1封装固定；永磁联轴器外转子的外转子磁组阵列7安装于外转子轭铁6上并通过外转子背铁盖板5与外转子转接法兰8封装固定；永磁联轴器内转子21和永磁联轴器外转子分别通过内转子转接盖板1与外转子转接法兰8安装在通用转接法兰22上；
11.安装完待测转子后，分别利用横向移动滑台16和纵向移动滑台18调节磁场探头15的横向位置和纵向位置，使得磁场探头15位于内转子磁组阵列2或外转子磁组阵列7所有永磁体中心点所在的平面上，磁场探头15到待测转子表面的垂直距离为d；
12.利用驱动电机9驱动待测转子低速旋转，用转矩转速传感器25监测旋转速度，采集并记录磁场探头15的磁场测量结果，由于内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中的永磁体
均为n极、s极均匀交替排布，因此，磁场测量结果的波形近似为正弦波，定义从n极磁场为正，s极磁场为负，则磁场测量结果中的波峰、波谷分布对应内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中的永磁体n极、s极，依次取磁场测量结果中每个波峰波谷极值的绝对值bi作为约束条件，其中，i为磁场测量结果中波峰和波谷的编号，内转子磁组阵列2或外转子磁组阵列7中第i个永磁体，取值范围为i＝1,2,3,...,p；
13.第三步、反算等效极化强度，对比评估磁场均匀性
14.内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中第i个永磁体的等效极化强度可通过电流等效解析计算模型，等效为四阶电流线圈；磁场测量结果中每个波峰波谷极值的绝对值bi与四阶电流线圈中各阶电流线圈在对应位置产生的磁场db
in
之间的关系为：
[0015][0016]
其中，n为电流线圈的阶数，取值范围为n＝1,2,3,4；每阶电流线圈在对应位置产生的磁场与第i个永磁体的等效极化强度mi之间的关系为：
[0017][0018]
其中，μ0为真空磁导率，βn、zn分别为第n阶电流线圈的形状因子，可由永磁联轴器的关键参数和磁场探头15到待测转子表面的垂直距离计算：
[0019][0020]
其中，kn为第n阶电流线圈的位置因子，其取值为：
[0021][0022]
因此，磁场测量结果与等效极化强度之间的关系为：
[0023][0024]
利用所有永磁体等效极化强度的均方根误差和均值即可评估内转子磁组阵列2或外转子磁组阵列7的磁场均匀性，即：
[0025][0026]
其中，为待测转子所有永磁体等效极化强度的均值，即：
[0027][0028]
重复第二步和第三步，评估第二个待测转子的磁场均匀性。
[0029]
本发明的有益效果是该方法无需使用配套的定子绕组，即可实现不同类型永磁联轴器待测转子的磁场均匀性评估，通用性强，且充分考虑了输入转速及其均匀性对测量结果和评估结果的影响，减少了由测量波形变化引起的磁场均匀性评估误差；此外，该方法将电流等效解析计算与实测结果相结合，仅需磁场传感器单次测量即可实现永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性的准确评估，即保持了单点磁场传感器测量精度高的优点，又避免了反复测量扫描，单点单周扫描即可实现永磁体整体磁场参数的表征，进而评估磁组阵列的磁场均匀性，在工程应用中具有实用性强，操作简单，计算耗时短等特点。
附图说明
[0030]
图1是一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法流程图；
[0031]
图2是永磁联轴器结构示意图；
[0032]
图3是永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定装置示意图；
[0033]
图中：1-内转子转接盖板、2-内转子磁组阵列、3-内转子轭铁、4-内转子背铁盖板、5-外转子背铁盖板、6-外转子轭铁、7-外转子磁组阵列、8-外转子转接法兰、9-驱动电机、10-驱动电机底座、11-转矩转速传感器底座、12-转矩转速传感器对中块、13-轴承座对中块、14-轴承座、15-磁场探头、16-横向移动滑台、17-磁场探头对中块、18-纵向移动滑台、19-磁场探头立座、20-磁场探头转接夹具、21-永磁联轴器内转子、22-通用转接法兰、23-中间轴、24-输出端波纹管联轴器、25-转矩转速传感器、26-输入端波纹管联轴器。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图及技术方案对本发明实施例作进一步阐述。
[0035]
本实施例选用一台额定功率5kw的筒式永磁联轴器进行磁场均匀性评估。
[0036]
筒式永磁联轴器结构如图2所示，其中，额定功率5kw，内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中永磁体个数为16，每个永磁体厚度为10mm，长度为40mm，下底面宽15mm，上底面宽10mm。
[0037]
图1是一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法流程图，计算方法的具体步骤如下：
[0038]
第一步、确定永磁联轴器的关键参数，安装测量装置
[0039]
首先确定永磁联轴器的关键参数，其中，内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中永磁体个数为16，其中，每个永磁体厚度为10mm，长度为40mm，下底面宽15mm，上底面宽10mm。
[0040]
图3是永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定装置示意图。参数确定后安装测量装置，首先将驱动电机底座10、转矩转速传感器底座11、纵向移动滑台18安装在同一水平面上，利用底部的螺孔定位对齐中轴线并固定；然后，将驱动电机9和横向移动滑台16分别安装在驱动电机底座10和纵向移动滑台18上，利用连接螺孔，使横向移动滑台16与纵向移
动滑台18保持正交；随后，使用磁场探头对中块17、轴承座对中块13、转矩转速传感器对中块12调整磁场探头立座19、轴承座14、转矩转速传感器25的对中高度，使磁场探头立座19、轴承座14、转矩转速传感器25、驱动电机9的轴线对中，并利用螺孔分别固定磁场探头立座19、轴承座14、转矩转速传感器25；最后，将装有通用转接法兰22的中间轴23安装在轴承座14上，将装有磁场探头15的磁场探头转接夹具20固定在磁场探头立座19上，利用输出端波纹管联轴器24连接中间轴23和转矩转速传感器25的输出端，利用输入端波纹管联轴器26连接驱动电机9和转矩转速传感器25的输入端；至此，测量装置安装工作完成，如图3所示。
[0041]
第二步、安装待测转子，调节测量位置，获取不同角度的测量结果
[0042]
测试前需先安装待测转子，图2是永磁联轴器结构示意图，待测转子包括永磁联轴器内转子21和永磁联轴器外转子；其中，永磁联轴器内转子21的内转子磁组阵列2安装于内转子轭铁3上并通过内转子背铁盖板4与内转子转接盖板1封装固定；永磁联轴器外转子的结构与永磁联轴器内转子21的结构类似，外转子磁组阵列7安装于外转子轭铁6上并通过外转子背铁盖板5与外转子转接法兰8封装固定；永磁联轴器内转子21和永磁联轴器外转子分别通过内转子转接盖板1与外转子转接法兰8安装在通用转接法兰22上；第一个待测转子为永磁联轴器内转子21。
[0043]
安装完待测的永磁联轴器内转子21后，分别利用横向移动滑台16和纵向移动滑台18调节磁场探头15的横向位置和纵向位置，使得磁场探头15位于内转子磁组阵列2所有永磁体中心点所在的平面上，磁场探头15到永磁联轴器内转子21表面的垂直距离为5mm。
[0044]
利用驱动电机9驱动待测转子低速旋转，用转矩转速传感器25监测旋转速度，采集并记录磁场探头15的磁场测量结果，由于内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中的永磁体均为n极、s极均匀交替排布，因此，磁场测量结果的波形近似为正弦波，定义从n极磁场为正，s极磁场为负，则磁场测量结果中的波峰、波谷分布对应内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中的永磁体n极、s极，磁场测量结果中每个波峰波谷极值的绝对值分别为：b1＝0.1833t、b2＝0.1835t、b3＝0.1844t、b4＝0.1754t、b5＝0.1814t、b6＝0.1835t、b7＝0.1819t、b8＝0.1795t、b9＝0.1768t、b
10
＝0.1843t、b
11
＝0.1822t、b
12
＝0.1746t、b
13
＝0.1726t、b
14
＝0.1778t、b
15
＝0.1804t、b
16
＝0.1783t。
[0045]
第三步、反算等效极化强度，对比评估磁场均匀性
[0046]
内转子磁组阵列2和外转子磁组阵列7中各个永磁体的等效极化强度均可通过电流等效解析计算模型，等效为四阶电流线圈；由永磁联轴器的关键参数和磁场探头15到待测转子表面的垂直距离可知，各阶的电流线圈形状因子为：β1＝14.7mm、β2＝13.3mm、β3＝11.7mm、β4＝10.3mm，z1＝14.3mm、z2＝11.7mm、z3＝8.3mm、z4＝5.7mm
[0047]
因此，各个永磁体的等效极化强度为：m1＝832889.64a/m、m2＝833798.41a/m、m3＝837887.88a/m、m4＝796993.14a/m、m5＝824256.30a/m、m6＝833798.41a/m、m7＝826528.23a/m、m8＝815622.97a/m、m9＝803354.54a/m、m
10
＝837433.50a/m、m
11
＝827891.39a/m、m
12
＝793358.05a/m、m
13
＝784270.33a/m、m
14
＝807898.40a/m、m
15
＝819712.44a/m、m
16
＝810170.34a/m。
[0048]
利用所有永磁体等效极化强度的均方根误差即可评估内转子磁组阵列2的磁场均匀性，由各个永磁体的等效极化强度可知，其均值为m＝817866.50a/m，均方根误差为r＝16348.01a/m
[0049]
重复第二步和第三步，评估永磁联轴器外转子的磁场均匀性。
[0050]
该方法通过电流等效解析计算模型，将待测永磁体等效为四阶电流线圈，并利用所有永磁体中心点所在的平面上的磁场测量结果，反算每个永磁体的等效极化强度，通过计算等效极化强度均方根误差，实现磁组阵列的磁场均匀性快速准确评估，即保持了单点磁场传感器测量精度高的优点，又避免了反复测量扫描，单点单周扫描即可实现永磁体整体磁场参数的表征，进而评估磁组阵列的磁场均匀性，可为永磁联轴器的磁组阵列分选装配、测量检定提供重要技术支撑，在工程应用中适应性强，操作简单，计算耗时短，是具有工程实际应用价值的计算方法。

技术特征：
1.一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法，其特征在于，该方法通过电流等效解析计算模型，将待测永磁体等效为四阶电流线圈，并利用所有永磁体中心点所在的平面上的磁场测量结果，反算每个永磁体的等效极化强度，通过计算等效极化强度均方根误差和均值，实现磁组阵列的磁场均匀性评估；该方法具体步骤如下：第一步、确定永磁联轴器的关键参数，安装测量装置；首先确定永磁联轴器的关键参数，其中，内转子磁组阵列(2)和外转子磁组阵列(7)中永磁体个数为p，每个永磁体厚度为h，长度为a，下底面宽b1，上底面宽b2，因内转子磁组阵列(2)和外转子磁组阵列(7)中的永磁体需n极、s极均匀交替排布，故永磁体个数为偶数；参数确定后安装测量装置，首先将驱动电机底座(10)、转矩转速传感器底座(11)、纵向移动滑台(18)固定安装在同一水平面上，且中轴线对齐；然后，将驱动电机(9)和横向移动滑台(16)分别安装在驱动电机底座(10)和纵向移动滑台(18)上，使横向移动滑台(16)与纵向移动滑台(18)保持正交，横向移动滑台(16)能在纵向移动滑台(18)上滑动；随后，使用磁场探头对中块(17)、轴承座对中块(13)、转矩转速传感器对中块(12)调整磁场探头立座(19)、轴承座(14)、转矩转速传感器(25)的对中高度，磁场探头立座(19)、轴承座(14)、转矩转速传感器(25)、驱动电机(9)的轴线对中后，将磁场探头立座(19)通过磁场探头对中块(17)安装到横向移动滑台(16)上，且磁场探头对中块(17)能沿横向移动滑台(16)滑动，同时将轴承座(14)、转矩转速传感器(25)分别通过轴承座对中块(13)、转矩转速传感器对中块(12)固定到转矩转速传感器底座(11)上；最后，将装有通用转接法兰(22)的中间轴(23)安装在轴承座(14)上，将装有磁场探头(15)的磁场探头转接夹具(20)固定在磁场探头立座(19)上，利用输出端波纹管联轴器(24)连接中间轴(23)和转矩转速传感器(25)的输出端，利用输入端波纹管联轴器(26)连接驱动电机(9)和转矩转速传感器(25)的输入端；至此，测量装置安装工作完成；第二步、安装待测转子，调节测量位置，获取不同角度的测量结果；测试前需先安装待测转子，待测转子包括永磁联轴器内转子(21)和永磁联轴器外转子；其中，永磁联轴器内转子(21)的内转子磁组阵列(2)安装于内转子轭铁(3)上并通过内转子背铁盖板(4)与内转子转接盖板(1)封装固定；永磁联轴器外转子的外转子磁组阵列(7)安装于外转子轭铁(6)上并通过外转子背铁盖板(5)与外转子转接法兰(8)封装固定；永磁联轴器内转子(21)和永磁联轴器外转子分别通过内转子转接盖板(1)与外转子转接法兰(8)安装在通用转接法兰(22)上；安装完待测转子后，分别利用横向移动滑台(16)和纵向移动滑台(18)调节磁场探头(15)的横向位置和纵向位置，使得磁场探头(15)位于内转子磁组阵列(2)或外转子磁组阵列(7)所有永磁体中心点所在的平面上，磁场探头(15)到待测转子表面的垂直距离为d；利用驱动电机(9)驱动待测转子低速旋转，用转矩转速传感器(25)监测旋转速度，采集并记录磁场探头(15)的磁场测量结果，由于内转子磁组阵列(2)和外转子磁组阵列(7)中的永磁体均为n极、s极均匀交替排布，因此，磁场测量结果的波形近似为正弦波，定义从n极磁场为正，s极磁场为负，则磁场测量结果中的波峰、波谷分布对应内转子磁组阵列(2)和外转子磁组阵列(7)中的永磁体n极、s极，依次取磁场测量结果中每个波峰波谷极值的绝对值b
i
作为约束条件，其中，i为磁场测量结果中波峰和波谷的编号，内转子磁组阵列(2)或外转子磁组阵列(7)中第i个永磁体，取值范围为i＝1,2,3,...,p；
第三步、反算等效极化强度，对比评估磁场均匀性；内转子磁组阵列(2)和外转子磁组阵列(7)中第i个永磁体的等效极化强度可通过电流等效解析计算模型，等效为四阶电流线圈；磁场测量结果中每个波峰波谷极值的绝对值b
i
与四阶电流线圈中各阶电流线圈在对应位置产生的磁场之间的关系为：其中，n为电流线圈的阶数，取值范围为n＝1,2,3,4；每阶电流线圈在对应位置产生的磁场与第i个永磁体的等效极化强度m
i
之间的关系为：其中，μ0为真空磁导率，β
n
、z
n
为第n阶电流线圈的形状因子，可由永磁联轴器的关键参数和磁场探头(15)到待测转子表面的垂直距离计算：其中，k
n
为第n阶电流线圈的位置因子，其取值为：因此，磁场测量结果与等效极化强度之间的关系为：利用所有永磁体等效极化强度的均方根误差即可评估内转子磁组阵列(2)或外转子磁组阵列(7)的磁场均匀性，即：其中，为待测转子所有永磁体等效极化强度的均值，即：重复第二步和第三步，评估第二个待测转子的磁场均匀性是否合格。

技术总结
本发明属于永磁磁力传动技术领域，涉及一种永磁联轴器磁组阵列磁场均匀性测量检定方法。该方法通过电流等效解析计算模型，将待测永磁体等效为四阶电流线圈，并利用所有永磁体中心点所在的平面上的磁场测量结果，反算每个永磁体的等效极化强度，通过计算等效极化强度均方根误差和均值，实现磁组阵列的磁场均匀性快速准确评估；该方法即保持了单点磁场传感器测量精度高的优点，又避免了反复测量扫描，单点单周扫描即可实现永磁体整体磁场参数的表征，进而评估磁组阵列的磁场均匀性，可为永磁联轴器的磁组阵列分选装配、测量检定提供重要技术支撑，在工程应用中适应性强，操作简单，计算耗时短，是具有工程实际应用价值的计算方法。法。法。


技术研发人员：刘巍 罗唯奇 苏桂龙 李阳阳 何涛 程习康 周孟德 张洋
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/7/19