無論是汽車發動機、風力渦輪機，還是隨處可見的腕表，扭矩轉換和旋轉功率的傳遞都是眾多技術的重要組成部分。

傳統的傳動系統通常利用一組機械齒輪或軸來進行扭矩和功率的傳遞。機械傳動裝置中的連續接觸部位容易受到摩擦、磨損和過載的影響。隨著傳動技術的應用不斷向著更加惡劣和極端的環境擴展，機械傳動裝置的局限性可能造成嚴重危害。在交通不便、環境惡劣的地區，更換故障的傳動裝置是一項極具挑戰的任務，需要付出巨大的代價。

無摩擦動力傳遞

Sintex 公司的工程師開發了一套具有更高穩定性和可靠性的新型傳動系統：磁力聯軸器。這種聯軸器的特別之處在于動力的傳遞是依靠磁力而非機械力來實現，因此避免了接觸和磨損，大幅延長了傳動系統的使用壽命。扭矩聯軸器的動力傳遞依靠同軸的永磁體陣列（圖 1）。當電源開啟后，一個驅動器開始轉動，它與另一個驅動器間的耦合磁場會帶動另一個驅動器以相同的速度轉動。該系統中的旋轉功率傳遞與機械傳動裝置相似，但是由于沒有摩擦，所以不存在過載風險。如果電機傳遞的扭矩過大，則聯軸器會限制對軸施加過量扭矩，這一機制可防止軸所承受的扭矩值超過設計極限，從而保證系統能夠在預期工作條件下持續運行。

圖 1. 磁力聯軸器結構示意圖。

對于海上風力發電機和采用復雜泵系統的行業來說，Sintex 的非接觸式磁力聯軸器是一款理想的產品。海上風力發電場因發電量大的優勢而備受關注。然而由于風機零部件維修難度極大，因此這些零部件需要具備高度的可靠性。在單臺渦輪機中，磁力聯軸器將能量從電機傳遞給水泵，用于全天 24 小時冷卻電子元件。由于海上風力發電系統的遠程離岸安裝，預防性維護或維修任務非常繁重，且成本高昂，因此磁力聯軸器的可靠性成為了重中之重。驅動器之間的間隙可以輕松容納一個隔離密封套（圖 2），其作用是隔離不同的介質，形成密封系統。這類系統主要用于化工和食品工業，在化學品和有毒物質的運輸、混合、攪拌和研磨過程中，無泄漏泵系統的重要性不言而喻。

圖 2. 上：磁力聯軸器的正面剖視圖。下：磁力聯軸器三維模型，顯示了磁體的溫度分布、通過鐵芯的磁通密度以及網格。 圖注 ： Can - 隔離套； Inner iron - 內部鐵結構； Outer iron - 外部鐵結構； Outer magnets - 外磁體； Inner magnets - 內磁體

磁力聯軸器的廣泛應用

Sintex 生產的磁力聯軸器具有廣泛的應用范圍。不過在實際應用中需要根據給定的約束條件進行個性化定制，例如滿足重量或材料要求，符合幾何結構限制等。在設計過程中，工程師需要反復修改磁體的形狀和材料，才能設計出符合客戶需求的產品。由于磁體樣機的制作成本高、耗時長，工程師希望在不用構建樣機的情況下就能改進設計。為了節省時間，Sintex 使用多物理場仿真來表征各種構型，并為設計創建虛擬原型。Flemming Buus Bendixen 是 Sintex 公司從事磁性材料研究的專業人員，擁有二十多年的仿真分析經驗，COMSOLMultiphysics? 是他近十年最常用的仿真工具。

“在我看來，COMSOL 最大的優勢是支持各種類型的仿真；你可以在軟件中添加多種物理場，并模擬它們之間的相互作用。”Bendixen 評論道。他的團隊建立了大量完善、復雜的模型。這些模型經過了嚴格的驗證和確認，贏得了團隊的充分信任。仿真模型不僅幫助工程師團隊節省了時間，使他們可以將更多的精力和資源集中在完善細節上，同時為 Sintex 的客戶節約了成本。

革新設計，消除風險

磁力聯軸器的主要作用是沿軸傳遞最大的扭矩和功率。Bendixen 使用多物理場仿真來研究磁力聯軸器驅動器之間的相互作用，并計算出從外部驅動器傳遞給內部驅動器的扭矩。Bendixen 通過多種方式來計算扭矩，包括麥克斯韋應力張量法、后處理積分法以及 Arkkio 方法。經過與實驗結果對比，仿真分析的誤差只有1％，模型的準確性得到了充分驗證。在新設計的開發過程中，該模型可用于研究特定結構中傳遞的最大扭矩。

考慮到永磁體磁場會帶來許多負面效應，Bendixen 努力通過仿真來模擬它們產生的影響。在聯軸器的鋼制隔離套等金屬材料中，外磁場會引起渦流，從而產生電損耗。“南北磁極的變化會在鋼結構內產生電壓，系統會由于鋼的導電性而產生能量耗散。”Bendixen 解釋說。對于這種被稱為隔離套渦流損耗的現象，研究團隊希望利用軟件中的后處理工具對其進行分析，力爭將這類損耗降至最低。該團隊使用內部開發的儀器對設計中的隔離套渦流損耗進行了實驗測試。仿真結果和實驗結果只有百分之幾的差別，進一步證明了模型的準確性。

“我們致力于捕捉磁性材料的真實非線性特性。COMSOL 軟件為我們提供了強力支持，確保陣列達到最佳磁化效果。”Bendixen 表示。團隊在仿真中采用了高度非線性的磁滯曲線，并依據曲線和材料溫度的相關性來調整磁負載，由此來防止永磁體達到臨界溫度而產生不可逆的退磁。這對于確保產品的可靠性來說至關重要。“確定磁體能承受的最高溫度是極其重要的，我們現在可以非常準確地計算出溫度上限值。”Bendixen 補充道，“磁體一旦過熱，就可能產生局部退磁。”

Bendixen 進一步發掘了多物理場仿真的靈活性，通過導入 Sintex 的磁性材料庫，可以對各種磁體構造進行定制化設計。

圖 3. 標準的磁力聯軸器。

仿真人員的“得力助手”

Sintex 在創建含有足夠細節的復雜模型后，便會著手擴大模型的使用范圍，讓非仿真專業人員也能使用這些模型進行仿真分析。以前，銷售人員和其他沒有仿真經驗的同事需要對設計進行測試時，他們就會請求 Bendixen 幫助完成所有的計算工作。

為了能夠讓同事們盡快得到仿真結果，Bendixen 基于多物理場模型開發了仿真App，仿真的效率和便捷性都因此達到了前所未有的高度。目前在 Sintex 公司，多達二十位用戶正在使用十款不同的仿真 App。這些仿真 App 都是直接在COMSOL Multiphysics? 中利用“App 開發器”工具創建的，用戶只需要連接到COMSOL Server? 就能通過網頁瀏覽器進行訪問。仿真 App 直觀的用戶界面和簡易的部署方式讓所有員工都能輕松使用。公司甚至可以為重要客戶開放這些仿真 App 及其計算功能的使用權限。“我之所以開發仿真 App，是因為一些同事不熟悉仿真軟件，但又希望自己運行系統測試和仿真分析。仿真 App 讓這一切成為了現實。”Bendixen 說道。

借助仿真 App，用戶無需修改底層計算模型就能調整設計參數。“銷售人員可以通過電話與客戶確認產品需求規格，并在短短幾分鐘內，快速修改模型尺寸并運行仿真，及時為客戶提供所需的數據。”Bendixen 說。仿真 App 雖然界面簡單，但具有極強的靈活性，為設計創新提供了充足的發揮空間。用戶可以在 Sintex 開發的仿真 App 中調整幾何參數和磁性參數，然后基于這些參數計算磁體的臨界溫度、剩磁分布、磁通密度、扭矩和隔離套渦流損耗等。圖 4 顯示的仿真 App 示例用于模擬隔離套中產生的渦流，得到的電流值可以用于計算系統的功率損耗。現在，各個開發階段涉及的人員都能參與到設計過程中，為最大限度地提高產品可靠性貢獻自己的力量。

圖 4. 仿真 App 模擬了隔離套內的感應渦流密度，并計算由此引起的能量損耗。

展望未來

Sintex 目前正在開發一種新型的磁阻式傳動裝置，用于進一步擴大傳動裝置的應用范圍。這種裝置不僅可以實現可靠的非接觸式磁力傳動扭矩，還可以改變驅動器之間的速度或扭矩，從而在傳動比固定的情況下發揮機械優勢。新型傳動裝置具有獨特的設計，其中加入了一塊磁化方向與軸平行的永磁體，極大地簡化了裝配結構。在仿真 App 的幫助下，更多人員能夠參與分析過程，這就使Bendixen 能投入更多的時間和精力專注于改進 Sintex 的磁技術。