異步永磁耦合器軸偏心傳動特性

李 賓,崔立春,秦昌永

(棗莊新中興實業(yè)有限公司,山東棗莊277000)

異步永磁耦合器軸偏心傳動特性

李 賓,崔立春,秦昌永

(棗莊新中興實業(yè)有限公司,山東棗莊277000)

耦合器在其使用安裝中都不可避免的存在軸對中誤差,因此產生的附加載荷會對鄰近零部件如軸承、密封等使用壽命造成不良影響,使機械系統(tǒng)產生振動.為了研究異步永磁耦合器的軸偏心傳動特點,通過模擬其磁轉矩的產生,證明了耦合器輸出轉矩是一力偶系作用的結果；闡釋了該耦合器在軸對中存在偏差時無附加載荷的傳動機理.該耦合器特別適合于大慣量、高轉速機械設備的連接.

耦合器；異步；永磁；軸偏心；傳動特性

永磁耦合器又被稱為磁力耦合器,在機械系統(tǒng)中起著重要作用,異步永磁耦合器技術由美國磁鐵驅動公司于1999年獲得突破性發(fā)展［1］,開辟了磁能應用的新領域,它是通過調節(jié)銅盤和永磁體盤之間的氣隙控制傳遞扭矩的大小,從而獲得可調整、可控制的負載轉速,實現(xiàn)負載轉速的調節(jié)［2］,現(xiàn)已成為機械傳動技術的新產品、新課題.目前國外生產此類耦合器的廠家有美國Goulds泵公司、英國HMD無密封泵公司、日本Lwaki泵公司、德國Klaus Union公司等.2008年該產品引進國內,由于其具有節(jié)能環(huán)保、清潔生產、無機械連接、減震降噪、可緩沖啟動設備、降低安裝軸對中精度、安裝簡便、維護成本低等特點,且特別適合于某些無法使用機械傳動機構直接驅動的場合,以及傳動機構的工作介質為液體且難以密封的場合,所以僅僅幾年時間就在礦產、電力和化工等多行業(yè)迅速得到推廣［3-6］.耦合器可設計成定矩型、限矩型和調速型.在對中偏差達3mm時仍可正常工作且無附加載荷,使得大慣量、高轉速機械裝備的對中安裝精度要求得到極大地降低,提高了安裝工作效率和運行可靠性.

1 永磁耦合器工作原理

耦合器工作原理見圖1,主動端的載磁盤上均布有永磁體,被動端為銅板.當電機帶動主動端旋轉時,主被動間因存在相對轉差使銅板上感應出渦電流且又生成感應磁場(其極對數(shù)與永磁極對數(shù)相等),在兩個磁場的相互作用下,被動端即與電機同向轉動［7］,但其轉速nc恒小于電機轉速n,故稱為“異步”.圖1中“碳鋼襯板”構成了耦合器的閉合磁路,磁力線透過空氣隙使銅板處于永磁場中.耦合器在圖示靜態(tài)位置時,只有永磁場對碳鋼板的軸向吸力Fr,沒有切向力Ft,因此不能傳遞轉矩功率.

圖1 耦合器工作原理示意圖

2 計算及結果分析

2.1 切向力系的磁轉矩分析

按照圖1所示結構建模,在Maxwell有限元電磁分析軟件中進行模擬計算,設轉速差△n=50r/ min,在某一時刻的渦流感應磁場分布如圖2所示.

圖2示出了永磁場B與渦流感應磁場Bg相應極性(用［ ］表示)的位置關系.模擬計算表明：在相對轉速差△n一定時,渦流磁場與永磁場的相對空間位置保持恒定,并以轉速n與永磁場同步旋轉；輸出磁轉矩Tc保持恒定.

為便于分析,將圖2簡化為圖3.圖3中示出了作用于銅板上的永磁場極性、感應渦電流和切向力的對應方向.

從電流在磁場中受力的角度分析,根據左手定則,銅板上(電流在銅板上)每股電流在永磁場B中將受到一個與旋轉方向同向的切向磁力或洛倫茲力F.則切向磁力密度為

式中,J為銅板上對應永磁場的徑向感應電流密度(A·m―2).

圖2 Maxwell計算模擬渦流磁場示意圖

圖3 銅板渦流磁場簡化關系圖

磁轉矩密度為

式中,R為耦合器的平均有效作用半徑(m).

設磁鋼極數(shù)為p,則合磁轉矩

因對應永磁場下銅板電流密度J的積分體積V處處相等,故力的作用性質相等.

從永磁場與渦流磁場相互作用的角度分析,永磁體主動向前轉動,與其前面的渦流磁極同極性,即對銅板產生一個“推力”作用,與其后面的渦流磁極異極性,即對銅板產生一個“拉力”作用,在這“一推一拉”的作用下,即實現(xiàn)對銅板轉矩功率的傳遞.

2.2 切向力與力偶系分析

式(3)與式(4)在數(shù)值上相等,但意義不同.

圖4中示出了耦合器輸出端在沿x、y向各偏移3mm后,在某一時刻的渦流感應磁場分布圖和簡化圖.圖4中顯示,渦流磁場極的空間分布位置始終與永磁極的位置相對應.

圖4 在有軸偏心的情況下模擬渦流磁場示意圖

根據力偶在其作用平面內可任意移動,而不改變它對剛體的作用效果——力偶性質推論可知,合力偶矩∑M對O1作用效果與對O2的作用效果完全相同,即驅動銅板繞O2軸旋轉的合力偶矩仍等于∑M；根據力偶合力為零的性質可知,合力偶矩由矩心O1移動到O2后,其各方向的合力仍為零.

從以上分析可以得出：即使耦合器主、被動端存在軸偏心,傳動中沿徑向的合力恒等于零,即無附加載荷產生.計算表明,當存在軸偏心時,耦合器的總體輸出轉矩相對同心狀態(tài)將略有降低,這是因為在實際結構中,覆蓋磁鋼的銅板面積是有限的.

2.3 軸向力與角偏移分析

針對圖1結構,前文提到了耦合器永磁場對“碳鋼襯板”的凈軸向吸力問題；主要是由于耦合器存在角偏移時,因氣隙的間距不再均等,所以該結構的各切向力f的合力將不等于零.而且,由于安裝中兩邊氣隙不可能絕對相等,所以殘余軸向力仍將存在.

因此,耦合器在實際結構上總是設計成磁鋼雙面工作或雙載磁盤的對稱結構形式,如圖5所示,以抵消軸向吸力.計算表明,由于角偏移相對兩個工作面的對稱性如圖6所示,所以前述力偶系的結論仍然成立.

圖5 耦合器實際結構形式示意圖

圖6 耦合器角偏移示意圖

3 結束語

本文通過分析異步永磁耦合器的工作原理,利用Maxwell有限元電磁分析軟件的模擬計算,展示了渦流感應磁場的分布規(guī)律及與永磁場的空間位置關系.分析表明：(1)耦合器的輸出磁轉矩是由感應磁場力形成的一力偶系對銅板作用的結果,其合力偶矩心始終與載磁盤幾何中心重合；(2)根據力偶在各向的合力恒為零的性質證明,耦合器在軸偏心狀態(tài)下傳遞轉矩時不會產生徑向附加載荷；(3)耦合器通過對稱設計,當存在角偏差傳動時也不會產生徑向附加載荷.

［1］楊逢瑜,徐建江,姜明亮,等.磁力傳動齒輪泵磁耦合器三維磁場的簡化計算［J］.機床與液壓,2006,51(1)：41-42.

［2］劉國華,王向東.永磁調速器在電廠灰漿泵系統(tǒng)中的應用及節(jié)能分析［J］.電力設備,2008,9(10)：34-36.

［3］趙韓,王勇,田杰.磁力機械研究綜述［J］.機械工程學報,2003,39 (12)：31-36.

［4］曹衛(wèi)東,施衛(wèi)東,孔繁余.磁力泵聯(lián)軸器設計［J］.水泵技術,2004 (6)：8-11.

［5］梅順齊,向新柱,趙延雯,等.新型捻線錠子中磁力耦合傳動設計的探討［J］.紡織學報,1999,20(4)：21-24.

［6］Charles J M.Magnetic Coupling Protects Machinery［J］.Design News,1999(7)：26-28.

［7］王玉良.磁性離合器與制動器［J］.磁性材料及器件.2004,35(1)：28-29.

(編輯:郝秀清)

Driving characteristics of permanent magnet synchronous coupler on eccentric shaft

LI Bin,CUI Li-chun,QIN Chang-yong
(Xin Zhongxing Industrial Company Limited,Zaozhuang 277000,China)

The shaft alignment error in the installation of the coupler produced additional load, which would cause adverse effects on the service life of adjacent parts such as bearings,seal etc., and result in the mechanical system vibration.In order to study the driving characteristic on eccentric shaft of permanent magnet synchronous coupler,the generation of the magnetic torque was simulated.The simulation results proved that the coupler output torque was a consequence of coupling system interaction and explained the transmission mechanism of the coupler when the shaft alignment exists error without additional load.The coupler is suitable for the connection of machinery and equipment with large inertia at high speed.

coupler；synchronous；permanent magnet；eccentric shaft；driving characteristics

1672―6197(2013)01―0071―04

TH133.4

A

2012- 12- 28

李賓,男,zzlizz@163.com