復(fù)合式磁力耦合器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 朱小三

復(fù)合式磁力耦合器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其主要為了針對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)在啟動(dòng)一些振動(dòng)比較大的過(guò)載工作。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展背景下，有很多新型技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，其中復(fù)合式磁力耦合器的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振動(dòng)大的過(guò)載工作起到良好的保護(hù)效果。與此同時(shí)，需要與新型復(fù)合式磁力耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行有效結(jié)合，這樣不僅能夠保證其整體應(yīng)用效果，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)合式磁力耦合器科學(xué)合理的設(shè)計(jì)和利用。

1.復(fù)合式磁力耦合器的設(shè)計(jì)

本文在針對(duì)復(fù)合式耦合器的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析時(shí)，主要是在原有的磁力耦合器結(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上，提出一種全新的理念，也就是具有復(fù)合式特征的耦合器。復(fù)合式耦合器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其永磁體在徑向以及軸向會(huì)實(shí)現(xiàn)同時(shí)充磁的現(xiàn)象，銅導(dǎo)體在徑向以及端面兩個(gè)位置處，會(huì)實(shí)現(xiàn)磁力線的同時(shí)切割。這樣能夠最大限度保證電磁阻尼的有效增加，同時(shí)，在一些同等體積或者是同等尺寸的背景下，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功率大幅度的提升。除此之外，在傳遞功率處于一定狀態(tài)的時(shí)候，可以適當(dāng)對(duì)耦合器體積或者是尺寸進(jìn)行縮小處理，這樣能夠盡可能節(jié)約其空間占有面積。

復(fù)合式磁力耦合器本身是左右對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)。為了能夠方便分析，只是將其中的四分之一進(jìn)行選取，實(shí)現(xiàn)對(duì)其磁路的有效分析。圖1中所呈現(xiàn)的是復(fù)合式磁力耦合器的磁力線走勢(shì)圖。對(duì)其分析可以總結(jié)出，其磁通路徑與一些普通筒式的磁力耦合器相比，復(fù)合式磁力耦合器本身的復(fù)雜性更加明顯。漏磁一般都會(huì)分為很多種不同類型，比如氣隙漏磁回路、復(fù)合漏磁回路等。在針對(duì)這些不同類型的漏磁現(xiàn)象進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣隙漏磁的出現(xiàn)，會(huì)隨著氣隙本身的長(zhǎng)度變化而產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的變化[2]。

圖1 復(fù)合式磁力耦合器磁力線走勢(shì)圖

2.復(fù)合式磁力耦合器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

在針對(duì)復(fù)合式磁力耦合器的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析時(shí)，為了保證分析結(jié)果具有真實(shí)性和有效性，需要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 仿真

根據(jù)下表1中所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)和內(nèi)容進(jìn)行分析可以看出，由于下表中主要是復(fù)合式磁力耦合器和雙盤(pán)式磁力耦合器在試驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)。在分析過(guò)程中，主要通過(guò)三維磁場(chǎng)仿真軟件科學(xué)合理的利用，通過(guò)Ansoft促使模型得到有效的構(gòu)建和使用。在針對(duì)其求解類型進(jìn)行確定的時(shí)候，將其直接定義成為瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真。在針對(duì)永磁體材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，將其確定為NdFe35，永磁體軛鐵材料確定為steel_1010。除此之外，將求解的時(shí)間設(shè)置在0.3s，步長(zhǎng)控制在0.001s，外轉(zhuǎn)子在實(shí)際輸入過(guò)程中，其整體轉(zhuǎn)速控制在450r/min[3]。

據(jù)對(duì)上文中的分析內(nèi)容可以確定，在試驗(yàn)過(guò)程中，可以直接通過(guò)仿真模型的制作和利用，獲得兩種磁力耦合器在不同轉(zhuǎn)子位置的氣隙磁通密度分布情況，如圖2所示，同時(shí)其扭矩波動(dòng)如圖3所示。在這一基礎(chǔ)上，與實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)合之后，對(duì)不同轉(zhuǎn)差之下的兩種磁力耦合器扭矩進(jìn)行仿真分析，最終得出的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

圖2 氣隙磁場(chǎng)中心的磁通密度分布

圖3 復(fù)合式磁力耦合器的扭矩仿真圖

表1 復(fù)合式磁力耦合器的仿真數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)圖2中所示內(nèi)容進(jìn)行分析可以得出，在針對(duì)氣隙磁場(chǎng)軸向磁通密度進(jìn)行分析時(shí)，復(fù)合式磁力耦合器與普通的雙盤(pán)式耦合器相比，相互之間的差異性并不是很明顯。但是在針對(duì)一些徑向磁通密度進(jìn)行具體分析時(shí)，對(duì)兩者的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，由于復(fù)合式磁力耦合器本身存在徑向永磁轉(zhuǎn)子，所以對(duì)磁場(chǎng)的正對(duì)面積能夠起到非常有效的擴(kuò)大作用，這樣就會(huì)促使氣隙磁場(chǎng)的整體強(qiáng)度得到有效提升。

圖4 復(fù)合式磁力耦合器樣機(jī)試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證研究

復(fù)合式磁力耦合器應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)備主要包括51K120A-A（C/Y）F型可調(diào)速加載電機(jī)、YH-502型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器等。圖4為1：2樣機(jī)試驗(yàn)裝置。

過(guò)程中，為了保證整個(gè)分析過(guò)程具有方便快捷的特征，需要通過(guò)變頻器的合理使用，促使負(fù)載電機(jī)的的轉(zhuǎn)速被恒定在450r/min。除此之外，對(duì)加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，將其控制在50至450r/min的轉(zhuǎn)速。由于負(fù)載電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其與復(fù)合式磁力耦合器樣機(jī)相互之間需要保證同步旋轉(zhuǎn)，所以試驗(yàn)樣機(jī)的電磁扭矩可以被看作是扭矩傳感器的最終讀數(shù)。

利用非接觸式轉(zhuǎn)速儀，對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)輸出情況進(jìn)行測(cè)試并統(tǒng)計(jì)分析。如表2所示。

表2 復(fù)合式磁力耦合器加載扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)表2中所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和深入研究可以看出，加載扭矩如果越來(lái)越大，那么輸出轉(zhuǎn)速的整體比例就會(huì)越來(lái)越小。除此之外，加載扭矩在每增大5N·m的時(shí)候，復(fù)合式磁力耦合器在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，其整體轉(zhuǎn)差率就會(huì)增加大概0.22%左右。由此可以看出，轉(zhuǎn)差率與復(fù)合式磁力耦合器試驗(yàn)樣機(jī)的加載扭矩之間呈基本線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)表2、表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，可以將復(fù)合式磁力耦合器的加載扭矩、轉(zhuǎn)差率相互之間的關(guān)系描繪出來(lái)，如圖5所示。

圖5 復(fù)合式磁力耦合器加載扭矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系

通過(guò)對(duì)圖5中的內(nèi)容進(jìn)行分析可以得出，加載扭矩越來(lái)越大，電磁扭矩在理論值/仿真值和試驗(yàn)值也呈現(xiàn)出線性增大，且三組數(shù)值比較接近，對(duì)本文模型的正確性和有效性基本可以得出有效的驗(yàn)證結(jié)論。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文在針對(duì)復(fù)合式磁力耦合器的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)研究的方式對(duì)其進(jìn)行有效的論證分析。本文主要是針對(duì)復(fù)合式磁力耦合器的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況，按照1：2的比例制作出樣機(jī)，對(duì)復(fù)合式磁力耦合器本身的實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，如果加載扭矩增加5N·m的時(shí)候，那么轉(zhuǎn)差率可以增加0.22%左右。由此可以看出，復(fù)合式磁力耦合器的加載扭矩與轉(zhuǎn)差率相互之間可以以線性關(guān)系的共存。