高速無(wú)接觸式電磁耦合器的磁場(chǎng)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究

李 勇，邢敬娓，韓素芳，陸永平

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

(1)具有足夠的耦合力矩，保持兩段機(jī)械軸在0～16 000 r/min的范圍內(nèi)同步運(yùn)行，不失步。額定轉(zhuǎn)速下的耦合力矩不小于10 N·m。

(2)短時(shí)工作，溫升與發(fā)熱問(wèn)題不考慮。

(3)在高速運(yùn)行時(shí)通過(guò)電磁線圈控制可以實(shí)現(xiàn)兩段機(jī)械軸的分離。

(4)控制方式簡(jiǎn)單，且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

(5)運(yùn)行可靠。

基于上述分析，現(xiàn)有的耦合器滿足不了研制設(shè)備的要求。為此，本文提出了一種新型無(wú)接觸式電磁耦合器的設(shè)計(jì)思想，采用直流通電控制方式，利用類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒槽作用機(jī)理，完成高速運(yùn)行過(guò)程中的離合作用。本文中主要研究了這種新型電磁耦合器的磁場(chǎng)特性，研制了樣機(jī)并完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該新型電磁耦合器原理正確，方案可行。

1 結(jié)構(gòu)與原理分析

高速無(wú)接觸式電磁耦合器是一種利用齒槽作用機(jī)理工作的磁力機(jī)械。其磁路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它由定子、主從動(dòng)轉(zhuǎn)子和繞組組成。

圖1 高速電磁耦合器磁路結(jié)構(gòu)示意圖

高速無(wú)接觸式電磁耦合器的定子鐵心圓周向開(kāi)槽，內(nèi)部放置控制線圈。線圈中施加直流電壓時(shí)，產(chǎn)生恒定的軸向磁場(chǎng)。該電磁耦合器是雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主從動(dòng)轉(zhuǎn)子在相對(duì)側(cè)上開(kāi)有相同的軸向槽，與定子相對(duì)側(cè)不開(kāi)槽，形成兩個(gè)附加氣隙。當(dāng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子相對(duì)從動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距，氣隙磁導(dǎo)變化一個(gè)周期，轉(zhuǎn)子齒數(shù)就相當(dāng)于高速無(wú)接觸式電磁耦合器的極對(duì)數(shù)。其作用原理與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)極其類似，但一個(gè)明顯的區(qū)別是，所設(shè)計(jì)電磁耦合器的主從動(dòng)轉(zhuǎn)子上齒槽結(jié)構(gòu)完全相同，當(dāng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子上的一個(gè)齒與從動(dòng)轉(zhuǎn)子上對(duì)應(yīng)的齒錯(cuò)開(kāi)θ時(shí)，其余齒也都錯(cuò)開(kāi)θ，即各個(gè)齒的相位完全相同，所受到的作用力是線性疊加的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同相的定子齒的相位是要均勻錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度的。

2012年12月，習(xí)近平總書記在廣東考察時(shí)指出：“要尊重人民首創(chuàng)精神，尊重實(shí)踐、尊重創(chuàng)造、鼓勵(lì)大膽探索、勇于開(kāi)拓，聚合各項(xiàng)相關(guān)改革協(xié)調(diào)推進(jìn)的正能量。”這里，他所談的正能量，與毛澤東同志所說(shuō)的“調(diào)動(dòng)一切積極因素，團(tuán)結(jié)一切可以團(tuán)結(jié)的力量”的基本精神是一致的。

在高速無(wú)接觸電磁耦合器工作時(shí)，其主動(dòng)轉(zhuǎn)子安裝在原動(dòng)機(jī)的輸出端，耦合器的從動(dòng)轉(zhuǎn)子與工作機(jī)的輸入端相連。同其他耦合器一樣，高速無(wú)接觸式耦合器工作在如下兩種狀態(tài):

(1)接通狀態(tài):當(dāng)勵(lì)磁線圈通直流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)。恒定磁場(chǎng)通過(guò)定子、主從動(dòng)轉(zhuǎn)子和附加氣隙形成閉合磁路。此時(shí)，對(duì)于主從動(dòng)轉(zhuǎn)子而言，受到的是一單極性的磁場(chǎng)。當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)子跟隨原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在不失步情況下，由于磁阻效應(yīng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子便跟隨主動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了耦合器的接通。

(2)斷開(kāi)狀態(tài):當(dāng)需要軸系斷開(kāi)時(shí)，只要切斷勵(lì)磁線圈的電源即可，此時(shí)雖然原動(dòng)機(jī)仍然轉(zhuǎn)動(dòng)，但主從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間已無(wú)磁場(chǎng)存在，轉(zhuǎn)矩消失，從動(dòng)轉(zhuǎn)子不能跟隨主動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了耦合器的斷開(kāi)。

2 有限元建模與仿真計(jì)算

2.1 Ansoft建模

有限元法被證實(shí)是計(jì)算電機(jī)、磁力機(jī)械的磁場(chǎng)和各種特性有效可行的方法，是根據(jù)變分原理和離散化而求取近似解的方法。應(yīng)用有限元計(jì)算耦合器的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性和磁場(chǎng)可給實(shí)際設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)。所設(shè)計(jì)的高速無(wú)接觸式耦合器的結(jié)構(gòu)特殊，不具有完全對(duì)稱性，磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)三維特征，所以二維有限元法不適用，本文采用三維有限元法對(duì)耦合器的磁場(chǎng)分布及靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性情況分析計(jì)算。

根據(jù)圖1中的結(jié)構(gòu)示意圖，利用有限元分析軟件建立的耦合器3D模型示意圖如圖2所示。定子及主從動(dòng)轉(zhuǎn)子材料選用Steel_1010，繞組材料為銅，模型主要尺寸如下:定子外徑為98 mm，軸向耦合長(zhǎng)度為30 mm;氣隙長(zhǎng)度為0.5 mm;繞組匝數(shù)為450匝。

圖2 高速電磁耦合器的3D有限元模型

需要注意的是，3個(gè)附加氣隙合起來(lái)就是離合器的總氣隙長(zhǎng)度，所以選擇需要特別注意，此處合計(jì)選取0.5 mm。

耦合器磁場(chǎng)分析采用的電磁場(chǎng)理論基于Maxwell方程組，考慮到鋼的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界空氣的磁導(dǎo)率，可以認(rèn)為穿過(guò)定子外邊界和從動(dòng)轉(zhuǎn)子內(nèi)邊界的磁通量很小，所以定子外邊界與從動(dòng)轉(zhuǎn)子內(nèi)邊界可以認(rèn)為是等A線，即B=0，滿足第一類邊界條件Az=0。

高速無(wú)接觸式耦合器徑向磁場(chǎng)對(duì)稱分布，磁場(chǎng)每經(jīng)過(guò)一個(gè)齒距就發(fā)生重復(fù)，滿足整周期邊界條件。為減小計(jì)算量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，設(shè)置主從邊界，建立耦合器一個(gè)齒矩的有限元模型計(jì)算如圖3所示。局部剖分圖如圖4所示。

圖3 高速電磁耦合器的一個(gè)齒距模型

圖4 有限元局部剖分圖

2.2 模型計(jì)算

對(duì)建立的耦合器有限元模型，通以1 200 AT的勵(lì)磁電流，經(jīng)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算，得出某一位置的磁鏈分布圖和磁密分布云圖如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，耦合器的磁鏈從定子經(jīng)過(guò)氣隙進(jìn)入主動(dòng)轉(zhuǎn)子，然后穿過(guò)齒和氣隙，進(jìn)入從動(dòng)轉(zhuǎn)子，再通過(guò)氣隙回到定子齒，形成閉合回路，主從動(dòng)轉(zhuǎn)子受到的是單極性的磁場(chǎng)。由圖6可以看出，耦合器的內(nèi)轉(zhuǎn)子和齒部比較容易飽和，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)該適當(dāng)優(yōu)化其尺寸，改善性能。

圖5 磁鏈分布圖

圖6 磁密分布云圖

通過(guò)對(duì)應(yīng)不同位置電磁轉(zhuǎn)矩的有限元計(jì)算，得到耦合器的矩角特性曲線如圖7所示。可以看出，從動(dòng)轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩基本上呈正弦規(guī)律變化，類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩特性，電磁轉(zhuǎn)矩的幅值約為Tmax=10.1 N·m。由于齒槽參數(shù)設(shè)計(jì)的原因，特性中具有明顯的二次諧波成分，但這并不影響電磁耦合器的正常工作。和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類似，正常工作時(shí)從動(dòng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于主動(dòng)轉(zhuǎn)子一定要存在一定的失調(diào)角，且失調(diào)角與傳遞的轉(zhuǎn)矩有關(guān)。在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，傳遞的轉(zhuǎn)矩隨著失調(diào)角的增加而增加。當(dāng)失調(diào)角增大到一定值時(shí)，傳遞的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)該最大值，則會(huì)產(chǎn)生打滑失步現(xiàn)象。一旦失步一個(gè)齒，則從動(dòng)轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)不可逆性失步直至停止。

圖7 電磁耦合器的矩角特性

2.3 勵(lì)磁特性

對(duì)應(yīng)不同的勵(lì)磁電流，矩角特性的變化趨勢(shì)如圖8所示，最大電磁轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁電流的變化趨勢(shì)如圖9所示。可以看出，當(dāng)勵(lì)磁電流較小磁路未飽和時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大值隨電流近似平方關(guān)系變化。當(dāng)電流增大到一定數(shù)值后，磁路逐漸飽和，電磁轉(zhuǎn)矩最大值增加幅度減小，呈現(xiàn)飽和特征。從特性上看，勵(lì)磁電流在4 A左右可以滿足要求。

圖8 不同勵(lì)磁電流時(shí)的矩角特性

圖9 最大電磁轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁電流的變化趨勢(shì)

2.4 參數(shù)優(yōu)化

為了得到特性最優(yōu)的耦合器，對(duì)耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在不改變耦合器的主要參數(shù)尺寸(如定子內(nèi)外徑、主從動(dòng)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑)的情況下，本文利用有限元法計(jì)算了齒數(shù)和齒寬等參數(shù)對(duì)耦合器轉(zhuǎn)矩特性的影響。

齒寬齒距比一定時(shí)改變耦合器的齒數(shù)，得到最大轉(zhuǎn)矩的變化曲線如圖10所示。可以看到，齒數(shù)增大則最大轉(zhuǎn)矩也增大，但當(dāng)齒數(shù)增加到一定數(shù)值時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩也呈現(xiàn)一定的飽和趨勢(shì)，這可能是因齒部飽和的影響所致。另外齒數(shù)太多會(huì)增加加工難度，降低齒部剛度。所以綜合考慮，選擇齒數(shù)為26～28比較適宜。

齒數(shù)一定時(shí)，改變耦合器的齒寬齒距比得到最大轉(zhuǎn)矩曲線如圖11所示。可以看到，在一定齒寬范圍內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩值隨著齒寬的減小而增大，但當(dāng)齒寬減小到一定寬度時(shí)，由于齒部的高飽和影響最大轉(zhuǎn)矩值會(huì)減小。另外，齒寬太窄會(huì)降低齒的機(jī)械強(qiáng)度。所以綜合考慮，齒寬取0.3～0.4比較適宜。

圖10 最大轉(zhuǎn)矩與齒數(shù)的關(guān)系曲線

圖11 最大轉(zhuǎn)矩與齒寬的關(guān)系曲線

3 實(shí)驗(yàn)研究

高速無(wú)接觸式電磁耦合器作為傳動(dòng)器件，其最基本的特性就是最大轉(zhuǎn)矩特性，這關(guān)系到耦合器的工作可靠性問(wèn)題。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)研制的無(wú)接觸式電磁耦合器樣機(jī)如圖12所示，為了性能測(cè)試，設(shè)計(jì)了特殊的安裝軸系。

試驗(yàn)樣機(jī)最大轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流特性的測(cè)試結(jié)果與仿真曲線的對(duì)比如圖13所示。可以看出，仿真計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的變化規(guī)律相同，兩者最大誤差18%，最小誤差8.8%。總體看來(lái)，計(jì)算得到的結(jié)果數(shù)值偏大，這可能是有限元法計(jì)算的精度以及材料特性定義的不準(zhǔn)確造成的。

圖12 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖13 樣機(jī)最大轉(zhuǎn)矩特性的仿真與測(cè)試對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用三維電磁場(chǎng)有限元法，對(duì)所設(shè)計(jì)的一種新型高速無(wú)接觸式電磁耦合器進(jìn)行了分析計(jì)算。建立了耦合器的有限元模型，通過(guò)計(jì)算得到了耦合器的磁鏈分布圖和矩角特性曲線，并對(duì)齒數(shù)和齒寬參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最后研制了樣機(jī)并完成了測(cè)試，仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果都證明了所提出的設(shè)計(jì)思路是正確的，方案是可行的，可以解決所提出的工程問(wèn)題。

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