大慣性負載下永磁耦合器的設計及傳動分析

魏靜微,葉倩倩,李玉超

(哈爾濱理工大學,哈爾濱150080)

0 引 言

近幾十年來,國內外發生了很多起由于機械強度和振動等原因釀成的事故,給人民的生命財產安全造成了重大損失[1]。永磁耦合器是傳動技術、機械制造技術、永磁材料技術的集合成果,它采用全新的非接觸式傳動技術,能夠很大程度上減小機械振動,降低機械摩擦、磨損和噪聲。同時,它還具有允許較大的對中誤差,可以實現電機的軟起動,能夠在潮濕、易燃易爆的惡劣環境中工作,使用壽命長,速度可調,節能環保等優點。本文所針對的大慣性負載傳動系統在起動時,負載需要很大的起動轉矩。傳統系統中,通常用變頻器控制驅動電機來帶動大慣性負載工作。但變頻器存在的一些問題,使其應用受到了限制,例如:變頻器為復雜的電力電子裝置,對工作環境的要求較高;變頻器的輸出電壓中存在很大的諧波分量,容易導致電機過熱;變頻器在系統正常運行時要被切掉,容易對系統產生沖擊;變頻器不能改變系統的機械連接方式等。為了解決上述問題,本文研究用永磁耦合器代替變頻器,從而帶動大慣性負載工作。國內外對永磁耦合器的研究取得了一定的成果。Canova提出了永磁聯軸器的分離變量法[2]。楊超君等研制了新型耐高溫磁力聯軸器[3]。

本文專門針對大慣性負載設計了一種永磁耦合器,建立了三維模型,分析了永磁耦合器的磁場和渦流場分布。然后利用Ansoft有限元軟件對永磁耦合器進行了仿真,對影響耦合器傳動性能的一些重要參數進行了分析,得出永磁耦合器的轉矩、氣隙磁密及軸向力隨這些參數變化而變化的規律。用Simulink搭建模型對傳動系統進行了起動過程仿真,并對比生產現場實驗數據,通過耦合器電機能平緩的帶動大慣性負載,實現電機的軟起動。

1 永磁耦合器的結構和工作原理

永磁耦合器的結構如圖1所示[4],其主要包括與驅動電機相連的主動盤和與負載端相連的從動盤。主動盤主要由導磁性較好的鋼盤和銅盤構成。從動盤主要由有導磁性較好的鋼盤和按磁性交替排列的永磁體以及鋁盤構成。主動盤和從動盤之間有空氣隙,當電機帶動主動盤轉動時,主動盤與從動盤存在轉速差,主動側銅盤切割從動側永磁體產生的磁力線,會在銅盤表面產生渦流。永磁體產生的磁場和渦流產生的磁場相互作用,從而使從動盤跟隨主動盤一起同向轉動,實現了耦合器的非接觸式傳動。耦合器的輸出轉矩和轉速的大小,主要由控制執行器進行調節。控制執行器通過調節空氣隙的長度,改變耦合器的氣隙磁密,從而控制輸出轉矩和轉速[5]。

圖1 永磁耦合器結構圖

2 耦合器電磁場的數學模型

由于銅盤中渦流的復雜性,考慮各種因素的影響,對永磁耦合器模型做以下假設[6]:

(1)氣隙較小時忽略端部漏磁。

(2)忽略鋼盤的磁飽和影響。

(3)鐵磁材料各向同性,銅盤的電導率和磁導率均為常數。

(4)磁場在氣隙中均勻分布。

采用A,φ-A法建立三維運動電磁場的數學模型。求解區域Ω被分成永磁區Ω1,空氣區Ω2和渦流區Ω3。S′為渦流區與非渦流區的內部分界面。Ω的外邊界S分成Sa和Sb兩部分。在Sa上給定磁感應強度的法向分量,Sb上給定磁場強度的切向分量[7]。控制方程分別如下:

式中:A為矢量磁位;Br為永磁體產生的磁感應強度;A1為渦流區的磁矢位;A2為非渦流區的磁矢位;n為邊界S′的單位法向量,n12為分界面的單位法向量,方向從渦流區指向非渦流區;v為導體的運動速度;φ為標量電位;γ為電導率。

為了使A唯一,還要使用庫倫規范?·A=0。由A即可得到耦合器的磁感應強度,求得永磁耦合器的電磁場分布后,即可計算傳輸的轉矩。

3 仿真分析

永磁耦合器的主磁場為三維軸向磁場,建立的有限元幾何模型如圖2所示。其中,永磁體材料為釹鐵硼N35,永磁體形狀為等腰梯形,極對數為6,鋼盤材料選用10#鋼。

圖2 永磁耦合器有限元幾何模型

3.1 耦合器電磁場分析

耦合器正常工作時,其主動側和從動側的轉速差為40 r/min,銅盤的渦流密度分布云圖如圖3(a)所示。在距離銅盤1 mm處的空氣隙上,以銅盤的二分之一半徑作圓。以此圓為路徑,查看耦合器銅盤上的渦流密度波形如圖3(b)所示。在此路徑上查看耦合器不同狀態下空氣隙磁通密度分布波形,如圖4所示。

圖3 銅盤上渦流密度分布圖

圖4 耦合器不同狀態下空氣隙磁通密度波形圖

從圖3可以看出,當耦合器工作時,主動側和從動側存在轉速差,銅盤上會感應出渦流。渦流環的數量與永磁體的數量相等。渦流密度周向呈周期性分布,徑向分布不均勻,在渦流環中心處較大。由于集膚效應,渦流主要分布在銅盤表面的薄層中。從圖4可知,耦合器不工作時,空氣隙磁通密度的波形沿圓周方向近似為正弦波,在磁極中心處磁通密度高,兩端較低。這是因為,永磁耦合器沒有工作時,銅盤不能切割磁力線產生感應磁場和轉矩,磁路中只存在永磁體產生的磁場[5]。由于永磁耦合器的永磁體沿圓周方向按極性的正負均勻排列,所以磁場在圓周方向呈周期性變化。又因為永磁體的形狀為等腰梯形,所以磁通密度波形有較好的正弦性。當耦合器工作時,銅盤上的渦流產生的磁場會使永磁體產生的磁場發生畸變,在一定的范圍內,主動側和從動側的轉速差越大,畸變越嚴重。

3.2 耦合器參數的優化設計分析

3.2.1 永磁體厚度的優化設計分析

改變永磁體的厚度,保持耦合器的其它結構尺寸不變,得到永磁體厚度對耦合器各性能的影響如圖5所示。

圖5 永磁體厚度對耦合器性能的影響

從圖5(b),圖5(c)可以看出,耦合器的輸出轉矩和最大氣隙磁密隨著永磁體厚度的增加而增加。這是由于,當永磁體厚度增加時,永磁體提供的磁勢增大,使磁路中的磁通增大,氣隙磁密隨之增大。氣隙磁密的增大又會引起輸出轉矩的增大。從圖5(b)還可以看出,當永磁體厚度均勻增加時,耦合器輸出轉矩的增長速度卻逐漸變緩。這是因為,永磁體厚度增加的同時,磁路中永磁體磁阻也在增加,當永磁體厚度增大到一定的程度時,其所增加的磁勢大部分消耗在磁阻上,對輸出轉矩的貢獻很小。從圖5(d)可知,耦合器的軸向力隨永磁體厚度的增大而增大,且增大的趨勢逐漸變緩。這是由于,耦合器剛開始工作時,永磁體對主動側的引力大于銅盤渦流對從動側的斥力。當耦合器轉動趨于穩定時,渦流對從動側的斥力大于永磁體對主動側的引力。耦合器的軸向力是引力與斥力的合力。永磁體的厚度越大,銅盤的渦流就越大,渦流的斥力也越大,所以耦合器的軸向力也隨之增大。永磁體厚度增大到一定程度后,銅盤渦流增加的幅度會變小,所以,耦合器的軸向力增大趨勢會變緩。軸向力會使耦合器的主、從動盤發生軸向移動,從而導致零件之間產生摩擦或碰撞,不利于系統的穩定運行。因此,在設計耦合器時,永磁體的厚度不宜得選太厚,本文中永磁體的厚度選為16 mm。

3.2.2 耦合器空氣隙長度的優化設計分析

改變永磁體盤和銅盤間的空氣隙長度,保持耦合器的其它結構尺寸不變,得到空氣隙長度對耦合器各性能的影響如圖6所示。

圖6 空氣隙長度對耦合器性能的影響

從圖6(b),圖6(c)可知,耦合器的輸出轉矩和最大氣隙磁密隨空氣隙長度的增加而減小。這是因為,空氣隙長度增加時,耦合器的氣隙磁阻隨之增加,很多磁勢消耗在氣隙中,使耦合器的最大氣隙磁密減小,輸出轉矩也變小。從圖6(d)可得,軸向力隨著空氣隙長度的增加而減小。這主要有兩個方面的原因:第一,空氣隙長度增大,永磁體對主動側的引力和銅盤渦流場對永磁體盤的斥力都會衰減;第二,當耦合器轉動趨于穩定時,渦流的斥力大于永磁體對主動側的引力。空氣隙長度越大,銅盤渦流越小,渦流引起的斥力也越小,從而使耦合器的軸向力減小。在設計耦合器時,在確保耦合器能夠正常運行的情況下,盡量減小空氣隙長度。本文中耦合器正常工作時空氣隙長度設置為3 mm。

3.2.3 轉速差的優化設計分析

改變主動側和從動側間的轉速差,保持永磁耦合器的其它結構尺寸不變,仿真得到永磁耦合器的輸出轉矩與轉速差之間的關系如圖7所示。

圖7 輸出轉矩與轉速差的關系曲線圖

從圖7中可知,耦合器的輸出轉矩隨著轉速差的變大,先增加后降低。轉速差在300 r/min時,轉矩達到最大為113N·m。這是由于耦合器剛開始起動時,磁場主要是由永磁體提供,隨著轉速差的增加,銅盤切割磁力線的速度也增加,轉矩上升,銅盤中渦流也會變大。渦流產生的磁場削弱永磁體產生的磁場,而氣隙磁場是渦流磁場和永磁磁場的合成磁場,所以,當轉速差增加達到一定的數值后,渦流磁場對永磁磁場的削弱作用越來越明顯,耦合器的輸出轉矩反而降低。在本文中,耦合器正常工作時轉速差設置為40 r/min。3.3大慣性負載下電機的起動分析

表1 永磁耦合器的設計尺寸

在Simulink中搭建傳動系統模型。驅動電機為11 kW,6極異步電機,通過三級齒輪減速,驅動200 t重的大圓盤。系統傳動模型,如圖8所示。

圖8 系統傳動模型圖

通過Simulink仿真得到系統在不同的空氣隙長度下使用耦合器和不使用耦合器時,電機起動轉速與起動轉矩隨時間的變化曲線,如圖9所示。

從圖9中可以看出,使用耦合時電機的起動時間較長,起動過程較平緩。這是因為,系統使用耦合器時,相當于負載被緩慢地施加在電機上。對比圖9(a)與圖9(c)可以看出,當系統在耦合器的空氣隙長度為3 mm下起動時,電機的起動時間為53 s;系統在耦合器的空氣隙長度為13 mm下起動時,電機的起動時間為48 s。耦合器的空氣隙長度越大,電機需要的起動時間越短。這是由于,耦合器的空氣隙長度越大,主動側和從動側之間的感應力矩越小,電機起動時處于輕載狀態,由電力拖動方程Te-Tl=知,電機的初始加速度較大,電機起動時間會相對縮短。

在實際應用中,如果讓電機直接帶動大慣性負載起動,負載對系統的沖擊較大,不僅會對電機造成機械損傷,而且電機的起動電流也會很大,有可能燒毀電機。現場應用中,該系統多用變頻器來控制電機的起動電流,帶動大慣性負載起動。現場的測量數據,如表2所示。通過調節變頻器,電機能夠平緩地帶動負載,起動時間約為60 s。將使用耦合器時電機的起動情況和實際工況下用變頻器控制電機的起動情況作比較,可以發現,這兩種狀況下,電機的起動效果相似。因此,在此類大慣性負載傳動系統中,耦合器能夠替代變頻器工作,實現電機的軟起動。

表2 現場應用測量結果和仿真結果對比

4 結 語

通過對磁力耦合器的電磁場分析和傳動系統的起動過程仿真,獲得以下結論,可以為大慣性負載特性的永磁耦合器的優化設計提供理論依據。

1)通過對永磁耦合器進行電磁場分析,得出銅盤上的渦流環在圓周方向呈周期性分布,徑向分布不均勻;耦合器的氣隙磁密分布波形近似為周期性的正弦波,隨著主動側和從動側之間轉速差的變大,波形更容易發生畸變。

2)在一定范圍內增大永磁體的厚度,能夠有效提高耦合器的氣隙磁密和輸出轉矩,超出了這個范圍,永磁體的利用率會降低。同時,永磁體的厚度增加,耦合器的軸向力也會隨之變大。所以,綜合考慮,永磁體的厚度設計為16 mm。

3)調節耦合器的空氣隙長度也能夠改變耦合器的氣隙磁密和輸出轉矩。空氣隙越大,耦合器的氣隙磁密、輸出轉矩和軸向力越小。綜合考慮,在系統正常工作時,盡量減小空氣隙長度,有利于提高耦合器傳動能力。本文中,耦合器正常工作時的空氣隙長度為3 mm。

4)在一定范圍內增大耦合器主動側與從動側的轉速差,能夠提高耦合器的輸出轉矩,超過這個范圍,耦合器的輸出轉矩就會逐漸減小。本文中,耦合器正常工作時的轉速差設置為40 r/min。

5)大慣性負載的傳動系統起動時,使用耦合器能夠延長電機的起動時間,減小負載對電機的沖擊。這與實際生產現場中,用變頻器控制電機軟起動的效果是相似的。由此可見,本文所設計的永磁耦合器在大慣性負載的傳動系統中,能夠替代變頻器工作。在電機剛開始起動時,使耦合器的空氣隙長度調到最大,等電機完全起動后再將耦合器的空氣隙長度調小。

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