盤式實(shí)心異步磁力耦合器的機(jī)械特性與調(diào)速特性

楊超君 袁愛仁 陳子清 吳盈志 張小鋒 柳康

Abstract：For adjustable-speed magnetic couplers， mechanical properties and adjustable-speed characteristics are both important characteristics. In order to realize the speed regulating function better， these two characteristics above should be studied deeply. An axial-flux solid asynchronous magnetic coupler was proposed， and the calculation model of the transmitted torque was established. From this， the adjustable-speed relationship expressions were derived under the constant torque load and variable load torque conditions， respectively. Moreover， the relationships between the torque and the speed regulation were solved by discretization. In addition， the above two working characteristics of the coupler were simulated by finite element method， respectively. Particularly， the curves of mechanical property and adjustable-speed characteristic were also obtained， and the optimal air gap control ranges under the two different conditions of the constant torque load and variable torque load were determined. Furthermore， the adjustable-speed relationships when the constant torque load or variable torque load were verified experimentally， and the experimental results are in good agreement with the results of theoretical calculation and simulation analysis.

Keywords：axial-flux solid asynchronous magnetic coupler; mechanical property; adjustable-speed characteristic; torque; adjustable-speed relationship

0 引 言

盤式實(shí)心異步磁力耦合器是一種新型永磁感應(yīng)傳動(dòng)裝置[1]，不僅可以實(shí)現(xiàn)無接觸傳動(dòng)，而且對中要求低，特別是因具有過載保護(hù)、隔振、輕載啟動(dòng)和調(diào)速節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而在機(jī)械工業(yè)、石油化工、煤礦開采等各行各業(yè)受到廣泛地應(yīng)用[2]。

由于上述諸多優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速型磁力耦合器的研究受到了國內(nèi)外專家的重視。Mohammadi[3]運(yùn)用等效磁路法推導(dǎo)了軸向充磁永磁渦流耦合器的磁密公式及轉(zhuǎn)矩公式，并通過三維有限元模擬驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性;Baiba Ose-Zala[4]分析了圓筒式磁力耦合器的極弧系數(shù)、永磁體厚度及長度等基本參數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響，計(jì)算了該耦合器的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;L. Belguerras等[5]提出了采用高溫超導(dǎo)材料的軸向充磁磁力耦合器，利用三維有限元法模擬了耦合器的氣隙磁場及轉(zhuǎn)矩，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;韓國光云大學(xué)王雙[6]運(yùn)用有限元法分析了混合磁力耦合器的三維磁場，獲得了三維磁場的徑向與軸向分布，并對影響轉(zhuǎn)矩大小的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，提高了傳動(dòng)性能。

在國內(nèi)，江蘇大學(xué)楊超君[7-9]針對盤式鼠籠異步磁力耦合器借鑒層理論模型建立了轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)測試獲得不同工況下的三維瞬態(tài)氣隙磁場分布和轉(zhuǎn)矩曲線，特別是實(shí)驗(yàn)測得了轉(zhuǎn)差率及效率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，由此得出該耦合器合理的工作區(qū)間。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用計(jì)入了感應(yīng)電流影響的新穎等效磁路法進(jìn)行了盤式異步磁力耦合器轉(zhuǎn)矩特性的研究，并通過有限元分析及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]中，根據(jù)電機(jī)額定點(diǎn)、臨界點(diǎn)和起動(dòng)點(diǎn)等參數(shù)推導(dǎo)了鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程，并獲得其機(jī)械特性曲線。文獻(xiàn)[12]提出了調(diào)速關(guān)系的概念，針對筒式磁力耦合器建立了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載及變轉(zhuǎn)矩負(fù)載兩種不同負(fù)載下的調(diào)速關(guān)系式，使得該耦合器的調(diào)速節(jié)能研究更為直觀有效。文獻(xiàn)[13-14]則提出針對盤式實(shí)心異步磁力耦合器的轉(zhuǎn)矩及調(diào)速關(guān)系式的研究，為本文的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，國外主要側(cè)重于磁力耦合器磁密、電磁轉(zhuǎn)矩公式的推導(dǎo)，以及對影響磁密、電磁轉(zhuǎn)矩大小的因素進(jìn)行分析，國內(nèi)主要側(cè)重于轉(zhuǎn)矩與效率的計(jì)算，對磁力耦合器機(jī)械特性與調(diào)速特性的研究剛剛起步，雖然已經(jīng)研究了筒式實(shí)心異步磁力耦合器的調(diào)速特性，但對于盤式實(shí)心異步磁力耦合器的機(jī)械特性及調(diào)速性能的研究還不夠深入。

本文以盤式實(shí)心異步磁力耦合器為研究對象，建立傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩及調(diào)速關(guān)系的計(jì)算模型，并進(jìn)行離散化求解，獲得其調(diào)速關(guān)系;通過模擬研究磁力耦合器的機(jī)械特性與調(diào)速特性，獲得恒轉(zhuǎn)矩及變轉(zhuǎn)矩兩種不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等工作參數(shù)的變化規(guī)律，探求其合理的調(diào)速范圍，為該種調(diào)速型磁力耦合器的設(shè)計(jì)提供方法。

1 轉(zhuǎn)矩公式及調(diào)速關(guān)系模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型及調(diào)速原理

圖1為盤式實(shí)心異步磁力耦合器調(diào)速模型，其中，電機(jī)與輸入轉(zhuǎn)子相連接，負(fù)載與輸出轉(zhuǎn)子連接，若輸入轉(zhuǎn)子為永磁盤，輸出轉(zhuǎn)子為導(dǎo)體盤，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電機(jī)帶動(dòng)輸入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致輸入、輸出轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，使得導(dǎo)體盤切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場從而帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)。此外，若輸出轉(zhuǎn)子在作轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)并進(jìn)行軸向移動(dòng)導(dǎo)致氣隙厚度的變化，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。反之，輸入轉(zhuǎn)子也可為導(dǎo)體盤，輸出轉(zhuǎn)子為永磁盤。

4 結(jié) 論

1）建立了盤式實(shí)心異步磁力耦合器的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩及調(diào)速關(guān)系計(jì)算模型，推導(dǎo)出了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載與變轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速關(guān)系式的離散化計(jì)算。

2）通過軟件模擬分析了磁力耦合器兩種工作特性，獲得了耦合器的機(jī)械特性曲線和調(diào)速特性曲線，可知，在轉(zhuǎn)差率為26%時(shí)耦合器達(dá)到最大輸出轉(zhuǎn)矩;針對不同的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載與變轉(zhuǎn)矩負(fù)載可以確定耦合器的調(diào)速范圍，并得出調(diào)速時(shí)最佳的氣隙厚度變化區(qū)間;根據(jù)調(diào)速特性曲線可以判斷耦合器的帶負(fù)載能力并提高耦合器的啟動(dòng)性能。

3）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了調(diào)速關(guān)系的理論計(jì)算值與模擬分析值在一定范圍內(nèi)的正確性，確立了耦合器氣隙厚度與轉(zhuǎn)差率、氣隙厚度與輸出轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，為磁力耦合器實(shí)際調(diào)速應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)參考。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 楊超君， 顧紅偉. 永磁傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].機(jī)械傳動(dòng)，2008，32（02）：1.

YANG Chaojun，GU Hongwei.Current situation of the permanet magnetic drive technology and its prospect[J].Journal of Mechanical Transmission，2008，32（02）：1.

[2] 王洪群， 虞培清， 章志耿. 磁傳動(dòng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展[J]. 重型機(jī)械，2006 （06）：1.

WANG Hongqun， YU Peiqing， ZHANG Zhigeng. Technology development of magnetic transmission application[J].Heavy Machinery，2006（06）：1.

[3] MOHAMMADI S， MIRSALIM M， VAEZ-ZADEH S， et al. Analytical modeling and analysis of axial-flux interior permanent-magnet couplers[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014， 61（11）：5940.

[4] OSEZALA B， ONZEVS O， PUGACHOV V. Formula synthesis of maximal mechanical torque on volume for cylindrical magnetic coupler[J]. Electrical Control & Communication Engineering， 2013， 3（01）：37.

[5] BELGUERRAS L， MEZANI S， LUBIN T， et al. High temperature superconducting axial field magnetic coupler： realization and test[J]. Superconductor Science and Technology， 2015， 28（09）：1.

[6] WANG S， GUO Y C， WANG P Y， et al. Study on torque calculation for hybrid magnetic coupling and influencing factor analysis[J]. 3D Research， 2017， 8（01）：1.

[7] 楊超君， 鄭武， 李志寶. 可調(diào)速異步盤式磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計(jì)算及其影響因素分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16（01）：85.

YANG Chaojun， ZHENG Wu， LI Zhibao. Torque calculation of speed-adjustable asynchronous disk type of magnetic coupling and its impact factors analysis[J]. Electric Machines and Control， 2012，16（01）：85.

[8] 楊超君， 管春松， 丁磊， 等. 盤式異步磁力聯(lián)軸器傳動(dòng)特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（01）：76.

YANG Chaojun， GUAN Chunsong， DING Lei， et al. Transmission characteristics of axial asynchronous permanent magnet couplings[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50（01）：76.

[9] 楊超君， 管春松， 徐燕飛. 盤式異步磁力聯(lián)軸器三維氣隙磁場計(jì)算及試驗(yàn)研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2013，1（01）：51.

YANG Chaojun， GUAN Chunsong， XU Yanfei.Theoretical arithmetic and experimental study on 3D air gap magnetic field for axial asynchronous permanent magnet couplings[J]. Electric Machines and Control，2013，1（01）：51.

[10] WANG Jian， ZHU Jianguo. A simple method for performance prediction of permanent magnet eddy current couplings using a new magnetic equivalent circuit model[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2018， 65（03）：2487.

[11] 謝麗蓉， 王智勇， 晁勤. 鼠籠異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（21）：68.

XIE Lirong， WANG Zhiyong， CHAO Qin. Research on the mechanical characteristic of squierrelcage asynchronous motors[J]. Proceedings of the CSEE， 2008，28（21）：68.

[12] 楊超君， 吉城龍， 張秀文， 等. 筒式異步磁力耦合器的轉(zhuǎn)矩與調(diào)速關(guān)系研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2019，23（01）：108.

YANG Chaojun， JI Chenglong， ZHANG Xiuwen， et al. Torque and adjustable-speed relation for drum-type asynchronous magnetic couplers[J]. Electric Machines and Control，2019，23（01）：108.

[13] 楊超君， 袁愛仁， 張小鋒， 等. 盤式實(shí)心異步磁力耦合器的調(diào)速關(guān)系分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2017，41（12）：36.

YANG Chaojun， YUAN Airen， ZHANG Xiaofeng， et al. Analysis of the adjustable-speed relationship of axial-flux solid asynchronous magnetic coupler[J]. Journal of Mechanical Transmission，2017，41（12）：36.

[14] 袁愛仁. 盤式異步磁力耦合器調(diào)速性能分析與智能調(diào)速系統(tǒng)研究[D].江蘇大學(xué)，2017.

[15] 王偉平， 陳小林， 黎明. 用比較斜率法分析三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性[J].電機(jī)技術(shù)，2005（02）：27.

WANG Weiping，CHEN Xiaolin，LI Ming.Analyse the machanical specific property of three-phase asynchornous motor with the comparison slop law[J].Electrical Machinery Technology，2005（02）：27.

[16] MOHAMMADI S， MIRSALIM M. Double-sided permanent-magnet radial-flux eddy current couplers： three-dimensional analytical modelling， static and transient study， and sensitivity analysis[J]. Iet Electric Power Applications，2013， 7（09）：665.

[17] 劉錦波， 張承慧. 電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

（編輯：劉琳琳）