调速型磁力耦合器气隙特性研究.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#调速型磁力耦合器气隙特性研究*郭永存，陈健康，李德永（安徽理工大学机械学院）5摘要：针对恒负载工况下调速型磁力耦合器的气隙特性，对其气隙与输出转速关系进行了研究。基于磁路法，建立了调速型磁力耦合器输出转速与气隙的数学模型，分析了调速型磁力耦合器的气隙特性。并对其进行三维有限元仿真和实验验证。实验结果表明：调速型磁力耦合器数学模型具有正确性；气隙在一定范围内，随着永磁体盘和铜盘之间工作气隙的增加，10调速型磁力耦合器输出转速逐渐减小，功率损耗逐渐增加；当气隙从2.5mm～12.5mm线性增加时，调速型磁力耦合器实验输出转速从773r/min逐渐减小至723r/min，实验功率损耗从565w逐渐增加至1613w。研究结果对调速型磁力耦合器在恒负载工况下输出转速控制具有很好的指导意义。关键词：调速型磁力耦合器；气隙特性；输出转速；仿真；实验15中图分类号：TH233ResearchontheCharacteristicsoftheAirGapoftheAdjustable-speedMagnetCouplingGUOYongcun,CHENJiankang,LIDeyong20(Schoolofmechanicalengineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology)Abstract:Accordingtothecharacteristicsoftheadjustable-speedmagnetcouplingshowswhenitisundertheconditionofconstantload,therelationshipbetweentheairgapandtheoutputspeedisstudied.Basedonthemagnetmethod,amathematicmodeloftheoutputspeedandtheairgapoftheadjustable-speedmagnetcouplingisbuiltandthecharacteristicsoftheadjustable-speedmagnet25couplingarealsoanalyzed.Inadditionto,3-Dfiniteelementsimulationandexperimentsaredonetoverifyit.Thetestresultsshowthatthemathematicalmodeldoeshaveacertainvalidity.Withinalimitedrange,withtheincreasementoftheworkingairgapbetweenthepermanentmagneticdiskandthecupreousdisk,theoutputspeeddecreasesgraduallywhilethepowerconsumptionincreases.Whentheairgapincreaseslinearlyfrom2.5mmto12.5mm,theoutputspeeddeclinesfrom773r/minto30723r/min,whiletheexperimentpowerconsumptionincreasesfrom565wto1613w.Theresearchresultshaveaprofoundguidingsignificanceforthecontrollingoftheoutputspeedoftheadjustable-speedmagnetcouplingwhenitisundertheconditionofconstantload.Keywords:Speedregulatingmagneticcoupler;Airgapcharacteristics;Outputspeed;Simulation;Testing;350引言目前机械设备常用的调速装置是调速型液力耦合器、变频调速和调速型磁力耦合器。调速型液力耦合器具有机械结构和管路系统复杂、系统维护量大、对环境污染严重、速度调节[1]精度低等问题。变频调速会产生高次谐波、对电网冲击比较大、产生不良影响、同时会使40电动机转矩产生脉动，使电动机寿命降低，而且对环境要求较高、安全性较差、维修费用较[2]高。调速型磁力耦合器是一种利用磁场作用实现力或力矩传递的新型传动装置，该装置具有结构简单，无极平滑调速，安装对中要求精度低、寿命长、维护简单、对环境污染低等优点。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目(20133415110003)；安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ2016A199)；安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ2017A083)作者简介：郭永存（1965-），男，教授、博导，研究方向为矿山机械.E-mail:guoyc@aust.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn由于调速型磁力耦合器相对于调速型液力耦合器和变频调速具有无可比拟的优势，调速[3][4][5]45型磁力耦合器已广泛应用于船舶、煤矿运输和医疗等多领域。调速型磁力耦合器内部磁场十分复杂，相关设计理论和方法正在研究中，A.C.Smith和A.Wallace等人提出层模型法，[6-9]并分析了调速型磁力耦合器在泵类，风机等负载中的节能效果；AParviainen和JAzzouzi[10-11]等人研究并计算了轴向调速型磁力耦合器的三维模型的方法。TLubin和ARezzoug提出了轴向磁场涡电流耦合稳态和瞬态性能的快速计算方法，并得到了铜盘厚度、滑差和极对数[12]50等参数对转矩的影响，但是此方法在低滑差率下理论计算较为准确。目前调速型磁力耦合器关键技术还未成熟，深入研究调速型磁力耦合器的气隙特性，对调速型磁力耦合器的进一步发展和应用具有深远意义。调速型磁力耦合器的结构参数、电机输入转速和负载等都是影响调速性能的关键因素。本文将在电机输入转速确定的情况下，研究恒负载工况下，调速型磁力耦合器气隙大小对输55出转速的影响。1可调速异步磁力耦合器损耗计算1.1调速型磁力耦合器结构图调速型磁力耦合器种类较多，本文研究的轴向永磁异步调速型磁力耦合器，它采用轴向双铜盘和双永磁体盘结构以增加传动能力，双盘结构产生两个轴向力大小相等，方向相反，60相互抵消，轴向力为零，调速型磁力耦合器通过铜导体和永磁体的相对磁场运动，实现由电动机到负载的转矩传输。调速型磁力耦合器主要由铜盘、永磁体盘和气隙调节装置三部分组成，如图1所示。铜盘固定在电机轴上，永磁体盘固定在负载转轴上。这样电机和负载由原来的刚性（机械）连接转变为磁（软）连接，通过执行器PLC调节永磁体和铜导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转速变化，从而实现负载转矩变化。65ab1.输入端2.铜盘3.永磁体4.调隙装置5.永磁体轭铁6.导体轭铁7.负载轴图1双铜盘和双永磁体盘调速型磁力耦合器结构图Fig.1DoubleCoilandDoubleDiskDrivePermanentMagnetTypeMagneticCouplerStructure701.2调速型磁力耦合器的工作原理[13-14]调速型磁力耦合器是按照滑差原理进行工作的。当铜盘转动时，铜盘与永磁体盘产-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn生相对运动，即产生了滑差，铜盘切割磁感线，就会在铜盘中产生多个电涡流，由法拉第电磁感应定律可知，电涡流会产生感应磁场，感应磁场会与永磁体产生的磁场进行相互作用，就会产生相互之间的作用力和力矩，带动永磁体盘沿着与铜盘相同的方向旋转，从而实现了75转矩和转速由驱动端到负载端的传递。2调速型磁力耦合器的数学模型调速型磁力耦合器的实际磁场分布比较复杂，一般难以精确计算。可利用磁路法，将复杂磁路进行简化，以达到近似计算的目的。调速型磁力耦合器的磁路主要由三部分组成：主磁路、气隙漏磁和单个磁极漏磁，其示意图如图2所示。80图2调速型磁力耦合器磁路示意图Fig.2SchematicDiagramofMagneticCircuitoftheAdjustable-speedMagnetCoupling[15]为了简化计算，本文作如下假设：（1）调速型磁力耦合器气隙很小时，忽略永磁体漏磁；85（2）永磁体磁场在气隙中均匀分布；（3）永磁体发出的磁力线切割铜盘的有效面积为铜盘每极的计算面积；（4）铜盘电阻率和导磁材料的相对磁导率受温度影响较小，视为常数；（5）不考虑磁路饱和。由文献[16]可知，调速型磁力耦合器启动时，铜盘涡流产生的磁场会对永磁体的磁场产90生影响，因此磁路中产生的总磁动势为：F=F−F(1)12式中，F1为一个磁极的磁动势，At；F1=Hch，Hc为矫顽力，A/m；h为永磁体极化方向长度，mm；F2为涡流产生的等效磁动势，F2=keie，ke为等效折算系数；ie为涡流的有效值，A。95将铜盘中n个永磁体产生的涡流等效小圆环彼此共同作用，形成涡流环，永磁体产生的磁通量：φ=BAcosωt(2)m-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2πpΔn式中，ω==p(ω1−ω2)=pΔω，p为磁极对数；△n为滑差，r/min；ω1为调速型磁力60耦合器输入转速，r/s；ω2为调速型磁力耦合器输出转速，r/s；△ω为角速度差,r/min；t为变100化时间,s。[17]由涡流的集肤效应，可知集肤深度为："2ρΔh=(3)ωμ0永磁体和涡流共同作用气隙处的磁感应强度为："φ8πHhρcB==(4)"Am2AmkeΔhω+8πρRmAm105式中，Rm为等效磁阻；δllm1m2R=R+R+R=++(5)m1δ2μAμAμA0m0m0m式中,δ为气隙距离，lm1为铜盘厚度，lm2永磁体厚度;又因为调速型磁力耦合器包含有2个铜盘，故铜盘上损失的总涡流损耗为：222nABωΔhmP=2nP=(6)cucu1"8πρ110式中，Pcu1为等效成为一个圆涡流环损失的能量，w；ρ＇为铜盘电阻率,Ω·m；调速型磁力耦合器稳定运转时，由能量守恒可以得到：Tω=Tω+P(7)1122cu式中，T1为调速型磁力耦合器输入转矩；T2为调速型磁力耦合器输出转矩；且T1、T2是作用力与反作用力的关系，由牛顿第三定律可得T1=T2，则可得：115T1Δω=T2Δω=Pcu(8)联立（4）、（6）和（8）式可得轴向双铜盘和双永磁体盘结构的调速型磁力耦合器的输出转速气隙数学模型为：222"()28πAHhρpω−pωΔhT()ω−ω=mc122122(9)[]()"2AkΔhpω−pω+8πρRAme12mm对公式（9）分析：120（1）Am为调速型磁力耦合器单个永磁体等效到圆盘的截面面积，忽略端部效应；（2）△h为集肤深度，当集肤深度大于铜盘厚度时，取铜盘厚度作为集肤深度；3三维有限元分析根据已有调速型磁力耦合器的结构参数（表1），对调速型磁力耦合器进行三维建模，如图3所示，设立材料参数如表2所示，永磁体磁极N、S极轴向充磁交错排列，在绘制完模125型并给出激励源和边界条件后，再对三维有限元模型定义材料属性、网格划分、终止时间设置、步长设置和相对转速设置。调节永磁体和铜盘间的气隙大小，改变滑差，得到转矩。表1调速型磁力耦合器的结构参数Table1TheStructuralParametersoftheAdjustable-speedMagnetCoupling结构参数数值单盘永磁体个数10-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn铜盘厚度8.2mm永磁体厚度32.2mm永磁体长76mm永磁体宽38mm铝盘厚度9mm铜盘内径154mm铜盘外径378mm130图3双铜盘和双永磁体盘调速型磁力耦合器的三维模型Fig.3The3DModelofDoubleCoilandPermanentMagnetDoubleDiskDriveTypeMagneticCoupler表2材料参数Table2MaterialParameters名称材料相对磁导率永磁体N40SH1.03铜盘Copper0.999铝盘Aluminum1轭铁Steel1010B-H确定其它真空11354调速型磁力耦合器实验搭建轴向双铜盘和双永磁体盘调速型磁力耦合器负载调速系统的实验台，主要包括变频器、三相异步电机、调速型磁力耦合器、气隙调节装置、膜片联轴器、转速转矩传感器和风机等。如图4（a）、（b）所示：140a-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnb图4实验平台结构示意图Fig.4SchematicDiagramofExperimentalPlatform145本文针对轴向双铜盘和双永磁体盘结构开展研究，结构参数如表1所示，该控制装置的核心是采用智能控制器，编码器将角位移转换成脉冲信号反馈到PLC上，形成闭环速度控制系统，提高控制精度，实现了对调速型磁力耦合器速度的稳定、有效调控，整个实验台的控制系统的原理如下图5所示：150图5控制原理图Fig.5ControlSchematic实验采用定转速实验方法，即在测试过程中，调速型磁力耦合器的输入转速保持不变，由于实验条件的限制，控制永磁体和铜盘间的气隙调节范围2.5mm～12.5mm，测试时负载设定为200N·m，输入转速设为800r/min，当调速型磁力耦合器输出转速稳定时，调节气隙，155记录调速型磁力耦合器的输出转速n2，气隙δ和输出转矩T2，所有实验操作重复3次。将采集到的数据进行处理与计算，如表3所示。得到调速型磁力耦合器在不同气隙下，输出转速随气隙变化的实验曲线，如图6所示。表3不同气隙下的输出转速Table3OutputSpeedUnderDifferentAirGap气隙/(mm)2.55.07.510.012.5解析法计算转速732722713702690/(r/min)仿真转速/(r/min)784779772762747实验转速/(r/min)773765754740723-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1605结果分析5.1负载和输入转速保持不变时，输出转速随着气隙变化由图6可以看出：对于负载转矩恒定为200N·m的工况下，当气隙在2.5mm时，实验输出转速为773r/min，当气隙增加到12.5mm时，实验输出转速为723r/min，随着气隙的增加，输出转速逐渐减小。1000MATLAB计算转速900仿真转速实验转速80070060050040030020010002468101214165图6恒负载工况下输出转速随气隙的变化Fig.6VariationofOutputSpeedwithAirGapunderConstantLoad5.2误差分析由图6可知：当气隙在2.5mm时，解析法计算转速与仿真转速相差7.1%，与实验转速相170差6.7%，当气隙在12.5mm时，解析法计算转速与仿真转速相差8.2%，与实验转速相差5.9%，解析法计算曲线和实验得到曲线与三维有限元仿真曲线接近重合，表明上述建立的调速型磁力耦合器数学模型的正确性和有限元仿真有效性，但存在一些误差，主要由以下几方面原因组成：①由于实验仪器安装误差（两边铜盘与调速型磁力耦合器的间隙大小等）和测量误差（转矩扭矩传感器测量误差等）的存在；②基于磁路法的理论计算，由于等效折算系数等参175数的选择，还有便于计算所作出的假设，使得理论计算得到的滑差偏大；③由于三维有限元仿真计算时，没有考虑漏磁问题且忽略了端部效应，导致仿真结果相对于实际滑差偏小，当气隙很小的时候，漏磁相对较少，随着气隙的增加，漏磁影响越来越大。5.3负载和输入转速保持不变时，实验损耗功率随着气隙变化根据扭矩转速传感器测得数据，得到损失功率，绘制如图7所示曲线，由图可以看出：180当负载转矩为200N·m时，气隙从2.5mm增加到12.5mm是，调速型磁力耦合器传递过程损耗功率从565w增加到1613w。这是由于当负载转矩一定时，随着气隙的增加，调速型磁力耦合器铜盘切割磁感线的数目减少，漏磁增加，滑差增加，调速型磁力耦合器损失功率增加，由此可知在实际生活运行中，在一定范围内，可以适当减小气隙，来减小功率损失。-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2000实验损失功率1500100050002468101214185图7恒负载工况下损失功率随气隙的变化Fig.7VariationofLossPowerwithAirGapunderConstantLoad6结论通过对调速型磁力耦合器在恒负载工况下分析，获得了调速型磁力耦合器在不同气隙下对应的输出转速变化规律，得到的结论为调速型磁力耦合器的调速性能研究设计具有很好的190指导意义，主要结论如下：（1）基于磁路法对轴向双铜盘和双永磁体盘调速型磁力耦合器的理论分析，得到输出转速与气隙的数学模型；（2）通过实验验证数学模型和三维有限元仿真，气隙在2.5mm时，解析法计算转速与仿真转速相差7.1%，与实验转速相差6.7%，当气隙在12.5mm时，解析法计算转速与仿真转195速相差8.2%，与实验转速相差5.9%，证明双铜盘和双永磁体盘调速型磁力耦合器数学模型的正确性；（3）在负载恒为200N·m情况下，在工作气隙2.5mm～12.5mm增加，实验输出转速从773r/min降低到723r/min逐渐减小，实验功率损耗从565w增加到1613w逐渐增加。在恒负载工况下，可适当减小气隙，可以增大转速和减少功率损耗，但当气隙很小时不利于散热等200弊端，可进一步对最佳工作气隙研究，为以后在煤矿等恒负载运输应用提供理论基础。[参考文献](References)[1]刘昱轩.变频器调速与液力耦合器调速的优缺点比较[J].黑龙江科技信息,2005(12):132-138.[2]汪海.调速型磁力耦合器与变频器应用方案比较[J].电力科学与工程,2009,25(2):4-4.205[3]CharpentierJF，FadliN，JennaneJ.StudyofironlessPMdevicesbeingbothacouplingandanaxialbearingfornavalpropulsion[J].IEEETransactionsonMagnetics，2003，39(5):3235-3237.[4]周勇.永磁耦合器在煤矿胶带输送机上的应用[J].中国科技纵横，2012(10):125-125.[5]ZhengP，HaikY，KilaniM，etal.Forceandtorquecharacteristicsformagneticallydrivenbloodpump[J].JournalofMagnetism&MagneticMaterials，2002，241(2):292-302.210[6]SmithAC，WillsamsonH，BenhamaN，etal.Magneticdrivecouplings[J].1999:232-236.[7]ZhaoXB,Chang-YingJI,HuangYQ,etal.Eddycurrentanalysisandbrakingmomentcalculationofpermanentmagnettypededdycurrentretarder[J].JournalofMachineDesign,2008.[8]WallaceA，JouanneAV，RammeA，etal.Apermanent-magnetcouplingwithrapiddisconnectcapability[J].2002:286-291.215[9]ParviainenA，NiemelaM，PyrhonenJ.Modelingofaxialfluxpermanent-magnetmachines[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，2004，40(5):1333-1340.-8- 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