徑向磁通式永磁磁力耦合器能效特性試驗*

張 萌， 趙海森， 劉曉芳， 姚 鵬， 周慶根

(1. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；2. 上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063；3. 天津永磁節能科技有限公司，天津 300222)

0 引 言

變頻調速技術因其運行效率高、調節便捷等優點成為廣泛采用的調速方式，但其運行中會產生大量高次諧波，對電網造成污染，并具有運行故障率高、維修費用高等缺點。針對上述問題，國內外學者提出了一種新型調速技術——永磁磁力耦合器調速，其利用渦流所產生的感應磁場與永磁磁場的相互作用調整輸出轉速，具有柔性起動、結構簡單、無諧波污染等優點，已成為風機、泵類負載的優選節能調速設備[1]。永磁磁力耦合器根據結構通常可分為橫向磁通式和徑向磁通式兩種[2]。

已有大量文獻在永磁磁力耦合器結構設計及運行性能方面開展了相關研究。例如，文獻[3]利用釤鈷永磁體設計永磁齒輪，最大傳遞力矩為5.5N·m。文獻[4]對一臺磁力耦合器進行了靜態磁場分析，得出導體環中磁通沿徑向及軸向的分布情況，并對渦流進行了參數化分析。文獻[5]對一臺可調速異步盤式磁力聯軸器進行了三維磁場數值計算，得出靜態和瞬態下的氣隙磁場分布，并研究了氣隙長度、永磁體厚度等關鍵參數對力矩的影響。文獻[6]對圓盤形永磁耦合器的關鍵系數進行有限元分析，并研究了樣機的調速性能和軸向吸引力趨勢。文獻[7-8]采用2-D和3-D時步有限元法相結合的方法分析了永磁磁力耦合器的渦流損耗，提出了一種可減少渦流損耗的新結構設計方案。

上述文獻大多針對橫向磁通式永磁磁力耦合器結構設計及性能仿真分析開展研究。受結構影響，徑向式和橫向式兩種耦合器之間存在較大差別，而對于徑向磁通式永磁磁力耦合器的調速性能、自身損耗及傳動效率等方面研究內容涉及較少。針對該問題，本文以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例，設計搭建了能效測試試驗平臺，對其調速特性、自身損耗特性及效率特性進行了系統試驗研究，所得結論為下一步永磁磁力耦合器性能改善提供了參考。

1 徑向磁通式永磁磁力耦合器工作原理

徑向磁通式永磁磁力耦合器的結構如圖1所示，其由可完全分離的主、從動轉子組成，兩個轉子之間沒有機械連接。主動轉子包含銅層導體，從動轉子由徑向充磁的永磁體組成。工作時，由原動機帶動主動轉子旋轉，主、從動轉子間發生相對運動，導體銅盤切割永磁體磁力線，在銅盤內產生的感應電流感生附加磁場，與永磁磁場相互作用，帶動從動轉子旋轉，從而實現力矩傳輸。對于徑向磁通式永磁磁力耦合器，可通過改變主、從動轉子之間的軸向耦合程度實現調速。

圖1 徑向磁通式永磁磁力耦合器結構

2 永磁磁力耦合器能效測試試驗方案設計

以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例，設計能效測試試驗方案。以風機為負載，對其進行調速，測量在不同轉速下徑向磁通式永磁磁力耦合器的調速性能與能效特性。可通過旋轉操作桿來調節樣機主、從動轉子間的耦合程度。能效測試試驗方案示意圖如圖2所示。永磁磁力耦合器的主動轉子與原動機同軸旋轉，在從動側與風機負載之間加裝轉速、轉矩傳感器，可測得永磁磁力耦合器的輸出轉速及傳遞轉矩的大小。

圖2 能效測試試驗方案示意圖

依據試驗方案所搭建的能效測試試驗平臺如圖3所示。試驗采用1.1kW單相電機作為原動機，其額定轉速為2900r/min。由單相調壓器為電機供電，保證試驗過程中電機始終運行在額定電壓220V。在電機輸入側連接功率分析儀，實時測量輸入試驗系統的有功功率和電壓。在永磁磁力耦合器主動轉子外圍設置鍵相，通過手持式閃光測速儀測量輸入轉速。從動轉子與ZH07型轉速、轉矩傳感器相連，該扭矩儀準確度等級02級，轉矩量程20N·m，可實時測量永磁磁力耦合器的傳遞轉矩和輸出轉速。多翼離心式通風機作為負載，該負載的軸功率P∝n3。

圖3 能效測試試驗平臺

在試驗中可得到下述所需電氣量： 由功率分析儀測得的試驗系統的輸入有功功率Pin(即異步電機的輸入有功功率)、由手持式閃光測速儀測得的磁力耦合器的輸入轉速n1、由扭矩儀所測得的傳遞轉矩T及輸出轉速n2。為保證試驗數據準確可信，需在相同條件下重復進行若干次，當數據在一定范圍內具有較高重復度時，認為數據有效。

3 試驗數據及分析

3.1 試驗數據及處理方法

由永磁磁力耦合器的主動側轉速n1和從動側轉速n2可得永磁磁力耦合器的轉差率sc為

sc=(n1-n2)/n1

(1)

永磁磁力耦合器為恒轉矩傳輸設備[9-10]，運行過程中主、從動轉子間的傳遞轉矩為T。由傳遞轉矩T及從動側轉速n2，計算可得其輸出功率P2，即驅動負載風機功率為

(2)

式中：Ω2——永磁磁力耦合器的輸出角速度。

同理，可得到永磁磁力耦合器的輸入功率，即電機輸出功率P1。

P1=TΩ1

(3)

由式(2)和式(3)可得

(4)

永磁磁力耦合器自身損耗pc及系統運行效率η為

pc=P1-P2

(5)

(6)

根據上述方法，對實測得到的數據進行處理，試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據

3.2 永磁磁力耦合器調速性能

永磁磁力耦合器的調速特性曲線如圖4所示。隨著耦合程度增加，原動機轉速n1逐漸降低，但降幅較小，永磁磁力耦合器輸出轉速n2則迅速增大至最大值，后趨于平穩，如圖4(a)所示。永磁磁力耦合器主、從動轉子間始終存在轉速差，耦合器需依賴此轉差產生渦流進而傳遞轉矩。隨著耦合程度的變化，傳遞轉矩T快速響應，如圖4(b)所示。

由于風機負載的特殊性，存在最佳調速范圍，即其最低轉速不小于調速設備輸入轉速的60%。通常風機負載只在其額定轉速的70%～95%范圍內進行調速。因為低轉速時，風機本身的運行效率很低，運行不經濟；而在輸出轉速過高時，調速效果不明顯[11]。由圖4可知，在永磁磁力耦合器輸出轉速處于輸入轉速的70%～95%范圍內，即輸出轉速n2為2000～2450r/min時，永磁磁力耦合器耦合程度為8～18mm，轉速、轉差率及轉矩在該過程中變化明顯，體現了良好的調速性能。

圖4 永磁磁力耦合器的調速特性曲線

當耦合程度超出上述調速范圍時，耦合程度的變化對于永磁磁力耦合器調速性能的影響甚微。這是受輸入功率P1的限制所致。輸入、輸出功率變化曲線如圖5所示。由圖可知，當耦合程度超過18mm時，若想增大永磁磁力耦合器輸出功率P2，只能通過增大輸入功率P1，即增加異步電機輸出功率來實現。在此區間內，永磁磁力耦合器作為一種無機械連接的聯軸器，可承受一定程度的軸振并高效傳遞轉矩。

圖5 輸入、輸出功率變化曲線

圖6 永磁磁力耦合器損耗特性曲線

3.3 永磁磁力耦合器損耗特性

永磁磁力耦合器損耗特性曲線如圖6所示。由圖可知，其自身損耗隨耦合程度增加呈先增大后減小的趨勢。運行時其損耗主要包括渦流損耗和摩擦損耗，試驗中摩擦損耗很小，可忽略不計。渦流損耗的大小與銅盤內感應磁場的幅值和頻率相關[12]，即其大小受永磁磁力耦合器主、從動轉子間的耦合程度和轉差率兩個因素共同影響。

當耦合距離小于12mm時，增加耦合程度，主、從動轉子間的有效作用面積增大，使得由耦合程度變化而引起的渦流損耗增加；超過12mm后，永磁磁力耦合器的調速性能達到最大，磁化曲線已飽和，繼續改變耦合程度不再影響渦流損耗，故在此過程中，由耦合程度變化而引起的渦流損耗保持不變。另一方面，在試驗中轉差率sc隨著耦合程度增大而減小，感應磁場頻率隨之減小，導致渦流損耗近似線性減小[13]。受上述兩個因素共同影響，磁力耦合器自身損耗最終呈現先增大后減小的趨勢。

考慮到永磁磁力耦合器最佳調速范圍為耦合距離8～18mm，超出此范圍時耦合器不適用于調速，而是作為高效傳動聯軸器繼續運行。結合在不同區間內永磁磁力耦合器運行情況分析其自身損耗特性，可得如下結論。

(1) 在最佳調速范圍內，永磁磁力耦合器的自身損耗隨著耦合程度增加而顯著降低。耦合距離為8mm時，輸出轉速n2已高于2000r/min，自身損耗為此范圍內的最大值150W；在最佳調速范圍內的最小損耗約為30W。這說明在永磁磁力耦合器表現較好的調速性能時，其自身損耗也較小。

(2) 耦合程度12mm處為耦合器自身損耗變化的拐點。當耦合程度在8～12mm范圍內時，隨著耦合程度的增大，其自身損耗迅速降低，斜率很大，說明在這個調速范圍內，永磁磁力耦合器呈現出調速響應速度快且平滑的優點。當耦合程度高于12mm時，隨著耦合程度的增大，其自身損耗依然相應減小，但減小的速度開始減慢，斜率變小，即永磁磁力耦合器呈現低損耗、高效率運行的特點。

(3) 當耦合程度高于18mm時，永磁磁力耦合器的輸出功率P2及輸出轉速n2均受到輸入功率P1的制約，耦合程度與轉差率的變化都不再是其自身損耗的影響因素。因此，當轉速大于 2500r/min 時，耦合器的自身損耗最終會維持在約11W不變。即在此范圍內，永磁磁力耦合器可低損耗穩定運行，表現出高效傳動特性。

3.4 永磁磁力耦合器傳動效率

永磁磁力耦合器運行效率曲線如圖7所示。在低轉速范圍內，其運行效率較低，調速性能差，運行不經濟。在永磁磁力耦合器的最佳調速范圍內，即耦合程度為8～16mm時，其運行效率單調遞增，呈近似線性關系，最低效率為75%，最高效率可達95%。說明在此范圍內，永磁磁力耦合器可平滑而快速地調節轉速，并能夠保證較高的運行效率，自身損耗較小。隨著耦合程度增加，運行效率單調遞增，當耦合程度高于16mm時，永磁磁力耦合器的效率始終維持在約98%，表現了其在高轉速下高效傳遞的優點。

圖7 運行效率曲線

4 結 語

本文以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例，對其調速性能、自身損耗特性及運行效率特性進行了系統試驗研究。

永磁磁力耦合器在調速范圍內表現出了良好的綜合性能，超出此范圍時，表現出優異的高效傳動性能。試驗所得結論為進一步研究永磁磁力耦合器的性能改善提供了參考。

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