基于轴向磁耦合的变刚度关节设计与实验验证OA

针对径向磁耦合变刚度关节传输扭矩较低的问题,设计了一种基于轴向磁耦合的变刚度关节。首先,基于简化的磁极单元模型建立磁耦合扭矩解析公式,对永磁体的尺寸进行初步设计。然后,使用Maxwell软件建立永磁体和轭铁的三维仿真模型,通过扫描负载角、气隙厚度及改变磁极对数等方式,分析扭矩与轴向磁力特性。最后,优选出结构参数合适的永磁体制作变刚度关节样机并搭建实验系统,测试样机的扭矩和变刚度性能,以验证其设计的有效性。结果表明,当气隙厚度低于10 mm时,理论模型与仿真模型在扭矩的预测上较为吻合,最大相对误差为11.6%,而轴向磁力的最大相对误差为13.7%。增加磁极对数可较为显著地提升关节扭矩,但会减小关节所能旋转的角度;此外,由于漏磁量的增加,关节扭矩随气隙厚度增大而衰减的速度变快。经实验测试,所设计的变刚度关节样机能够实现6.43 N·m的扭矩传输和5倍以上的主动刚度调节,实际运行数据与仿真结果的相对误差在7.8%以内。所提出的方法可为轴向磁耦合变刚度关节的优化设计提供理论支持。