自勵式電磁渦流聯軸器調速性能研究

梅欣鑫 葉樂志 李德勝 劉玉朋

北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京，100124

自勵式電磁渦流聯軸器調速性能研究

梅欣鑫 葉樂志 李德勝 劉玉朋

北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京，100124

針對永磁渦流聯軸器調速結構復雜的問題，結合自勵發電和渦流傳動技術，提出一種新型自勵式電磁渦流聯軸器結構。通過建立自勵發電和電渦流傳動兩部分的電磁場有限元數值模型，研究了自勵式電磁渦流聯軸器的發電特性和傳動特性。通過對轉速差、導體層和氣隙長度對傳動力矩影響的分析可以看出：轉速差較小時，導體層選擇電導率高的材料可以得到較大的力矩；銅層厚度由1 mm增大到9 mm時，傳動力矩先增大后減小，在銅層厚度為5 mm時達到最大；傳動力矩隨氣隙長度增大而減小。

渦流聯軸器；自勵式發電；調速特性；傳動力矩

0 引言

無接觸式渦流聯軸器是一種利用渦流傳動原理的磁力傳動裝置，該聯軸器具有過載保護、節能環保和傳動平穩等優點。渦流聯軸器已廣泛應用在水泵和風機等設備上，市場上常見的是永磁渦流聯軸器[1-2]，永磁渦流聯軸器在結構上分為盤式和筒式。盤式永磁渦流聯軸器通過改變氣隙長度來實現調速，而筒式永磁渦流聯軸器的調速方式是改變嚙合面積[3-4]。

國內外學者對永磁渦流聯軸器進行了大量研究。萬援[5]基于盤式永磁渦流聯軸器三維有限元模型，研究了傳動力矩、軸向力及效率與轉速差的關系；周麗萍[6]提出一種筒式永磁渦流聯軸器，并對其輸出功率、傳動力矩和軸向力隨嚙合面積和轉差率的變化規律進行了深入研究。KATSUMI等[7]利用三維有限元方法研究了盤式永磁渦流聯軸器產生的渦流損耗，并將估算值與實驗測量值、理論計算值進行了對比。

本文針對永磁渦流聯軸器調速結構復雜、永磁體高溫失磁、力矩調節精度低等問題，提出一種新型自勵式電磁渦流聯軸器。該新型聯軸器無機械運動，通過改變發電系統勵磁線圈中的勵磁電流大小即可實現調速，進而實現高精度力矩調節；通過電磁鐵代替永磁體，解決了永磁體失磁問題；自帶發電系統，滿足節能的要求。

1 新型調速器結構與工作原理

如圖1所示，盤式永磁渦流聯軸器的結構主要是由永磁盤和導體盤構成的。永磁盤由永磁體和軛鐵組成，與負載軸相連；導體盤由導體層和導磁體組成，與驅動軸相連。當驅動軸旋轉時，導體盤隨驅動軸以固定轉速旋轉，與靜止的永磁盤之間產生轉速差，導體層在交替變化的磁場中產生渦電流，渦電流感應的磁場又與原磁場進行耦合作用產生傳動力矩，進而帶動永磁盤隨導體盤同向轉動。通過驅動裝置調節永磁盤和導體盤之間的氣隙大小，改變磁場的強度，從而能實現對負載的調速。

圖1 永磁渦流聯軸器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of permanent magnet eddy current coupling

新型自勵式電磁渦流聯軸器主要由傳動系統、發電系統和控制模塊組成，其結構如圖2所示。傳動系統包括渦流線圈、電磁鐵芯、鐵芯保持架、導體層和導磁體，若干個渦流線圈纏繞在電磁鐵芯上，電磁鐵芯均勻分布在鐵芯保持架上；發電系統包括發電系統電樞繞組、發電系統勵磁線圈、發電系統硅鋼片和發電系統勵磁磁極，發電系統硅鋼片固定在鐵芯保持架內側作為發電系統的轉子，發電系統電樞繞組與渦流線圈相連，控制模塊用于調節勵磁電流的大小。工作時，通過控制模塊使發電系統勵磁線圈通電，旋轉的電樞繞組中產生感應電動勢，該電動勢為渦流線圈提供電壓，渦流線圈中產生電流，電磁鐵芯產生磁力線，導體層切割鐵芯保持架上由電磁鐵芯發出的磁力線,在導體層內表面產生渦流電勢，從而產生傳動力矩，帶動負載軸旋轉。通過控制模塊調節發電系統勵磁線圈中電流大小可對負載調速。

圖2 自勵式電磁渦流聯軸器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of self-excited electromagnetic eddy current coupling

2 聯軸器設計

自勵式電磁渦流聯軸器設計分為傳動部分和發電部分，具體包括對傳動系統電磁場、傳動力矩以及發電系統發電特性進行分析。

2.1傳動系統設計

2.1.1磁路設計

自勵式電磁渦流聯軸器是以渦流線圈作為磁源的，為防止磁路達到飽和，需要對其磁路進行分析，得出氣隙磁通密度的影響因素，為優化磁路提供理論依據。傳動系統電磁鐵芯設計成交錯分布式的，為了便于分析和計算，可以將相鄰兩電磁鐵芯的磁路等效為如圖3a所示的情況。電磁鐵芯發出磁力線，在鐵芯、導體層、導磁體、兩個氣隙δ和鐵芯保持架之間形成一個閉合的磁路。為了簡化分析過程，對漏磁通忽略不計，可將磁路圖簡化為圖3b所示的等效電路。

根據磁路基爾霍夫第一定律有

Φ0=Φ1+Φ1

(1)

式中，Φi(i=0，1)為各支路磁通。

對于任一閉合磁路，根據磁路基爾霍夫第二定律可知

2kNI=Φ0(R1+R2)+Φ1R1+Φ1(R0+R0)+Φ1R3

(2)

(3)

(a)磁路模型

(b)等效電路圖3 傳動系統等效磁路模型Fig.3 Equivalent magnetic circuit model of transmission system

式中,N為渦流線圈的匝數，I為渦流線圈中的電流；μi、Si、li、Ri(i=1,2,3)分別為內轉子、鐵芯和外轉子的磁導率、磁通面積、磁路長度以及磁阻;R0為磁路中的一個氣隙磁阻。

根據式(1)～式(3)可得氣隙磁通密度B0為

(4)

2.1.2有限元分析

為了分析聯軸器傳動特性，需對聯軸器傳動系統進行有限元仿真。圖4所示為傳動系統分析模型。

圖4 傳動系統分析模型Fig.4 The analysis model of transmission system

鐵芯保持架和導磁體材料為10鋼，導體層材料為銅，渦流線圈為銅線，模型主要參數如表1所示。

在分析電磁場模型時，作出以下假設：①忽略曲率和位移電流密度；②忽略磁路的遲滯損耗和雜散損耗；③忽略溫升對材料特性的影響[8]。在模型仿真分析時，設定渦流線圈中勵磁電流為20 A，輸入轉速為1500 r/min，轉差率為0.05。傳動系統磁通密度分布如圖5所示。對磁通密度分布分析的目的是得出模型的飽和程度,避免達到設計要求之前出現飽和[9]。可以看出，最可能出現飽和的位置在由渦流線圈包圍的電磁鐵芯處。

表1 傳動系統主要參數Tab.1 Main parameter of transmission system

圖5 傳動系統磁通密度Fig.5 Magnetic flux density of transmission system

圖6 傳動力矩隨轉速差變化曲線Fig.6 Variation curve of driving torque with speed

2.2發電系統設計

2.2.1參數選型

發電系統額定數據是按傳動系統的傳動力矩為750 N·m時設定的，傳動系統共有12個渦流線圈，采用4串3并的連接方式，總電阻為1.89 Ω，每個渦流線圈需20 A勵磁電流，需要發電系統提供總勵磁電流60 A,輸入轉速為1500 r/min，因此可以將發電系統的額定功率設為6.8 kW，整流電壓為110 V。發電系統額定數據見表2。

表2 發電系統額定數據Tab.2 Rating data of power generation systems

2.2.2電磁設計與仿真分析

對發電系統部分取模型的1/12進行分析，邊界條件采用反對稱周期邊界。圖7所示為發電系統有限元分析模型。

圖7 發電系統有限元分析模型Fig.7 Finite element analysis model of power generation system

發電系統勵磁磁極由硅鋼片疊成，勵磁線圈和電樞繞組均為銅線。發電系統主要參數見表3。

表3 發電系統主要參數Tab.3 Main parameters of power generation system

圖8所示為發電系統有限元分析外部電路。由于發電系統的外部負載就是傳動系統的渦流線圈，在外部電路中把負載簡化為電阻值為1.89 Ω的電阻，電流表A測量負載電流Id,電壓表V1、V2的差值即是負載的端電壓。發電系統發出的三相交流電需要經過整流器整流成直流電后，再提供給傳動系統渦流線圈。

真正走近東滸村這棵千年古樟后，我才看到了它身上的兩道傷疤：一處是被“斷臂”后的傷口，另一處是被剝皮后的“毀容”。

圖8 發電系統有限元分析外部電路Fig.8 External circuit for finite element analysis of power generation systems

設定轉速n=1500 r/min，分別對空載和負載工況進行瞬態仿真，得到發電系統磁通密度分布云圖見圖9，發電系統內部磁場分布均勻，無飽和現象，驗證了發電系統主體設計符合工作要求。

圖10給出了發電系統在轉速n=1500 r/min時，空載工況下仿真得到的氣隙磁通密度分布曲線，從圖中可以看出氣隙磁通密度分布曲線接近正弦。

(a)空載

(b)負載圖9 發電系統磁場分布云圖Fig.9 Magnetic distribution of power generation system

圖10 發電系統氣隙磁通密度分布曲線Fig.10 Air gap flux density distribution of power generation system

當轉速為1000 r/min和1500 r/min時，在不同勵磁電流下對發電系統進行2D瞬態場路耦合仿真，從圖11中可以看出，當勵磁電流大于2 A時，空載電壓變化緩慢，發電系統磁路出現飽和。

圖11 發電系統空載特性曲線Fig.11 No-load characteristic curve of power generation system

在不同負載電阻RL下對發電系統進行仿真分析，對發電系統的電磁特性匹配設計有重要意義。圖12為轉速n=1500 r/min時擬合得到不同發電系統勵磁電流下負載電阻RL與負載電流Id之間的關系曲線。

圖12 1500 r/min時不同勵磁電流下的RL-Id曲線Fig.12 RL-Id curves under different exciting currents at 1500 r/min

從圖12可以看出，當負載電阻RL=1.89 Ω,發電系統勵磁電流I=2.5 A時，負載電流Id=60 A，傳動系統渦流線圈采用的是4串3并的連接方式，每個渦流線圈的勵磁電流為20 A，滿足傳動系統的傳動力矩達到750 N·m所需的勵磁電流。

3 傳動力矩特性分析

3.1轉速差的影響

為了考察電磁渦流聯軸器轉速差對傳動力矩大小的影響，下面分析轉速差在0～300 r/min范圍內傳動力矩的變化情況。

轉速差與傳動力矩的關系見圖13，當轉速差在0～300 r/min變化時，傳動力矩先增大后減小，這是因為導體層內表面渦流密度隨著轉速差增大而增大；低速時，由于渦流密度較小，渦流產生的反磁場小，磁勢與磁通變化不大，傳動力矩隨轉速差的增大而增大；當轉速差進一步增大時，渦流產生的反磁場變大，總磁勢與磁通減小，傳動力矩減小。調速范圍選在轉速差為0～150 r/min時，渦流損失小，效率較高，可根據此曲線的傳動力矩和轉速差選擇相應的電機轉速。

圖13 傳動力矩隨轉速差變化的關系曲線Fig.13 Relation curve of driving torque with speed

3.2導體層的影響

先考察導體層電導率的影響。保持電磁渦流聯軸器工作氣隙2 mm不變，分別選用不同電導率的導體層進行仿真。圖14中，γ1、γ2、γ3代表導體層三種不同材料的電導率，其中γ1為銅層的電導率。圖中可以看出在低轉速差條件下，導體層選擇電導率高的材料能得到更大的傳動力矩。

圖14 不同電導率的導體層下傳動力矩隨轉速差變化的關系曲線Fig.14 The relationship between driving torque and speed for conductor layer with different conductivities

再考察當導體層材料為銅時，銅層厚度的影響。銅層厚度從1 mm增大到9 mm，數據結果如圖15所示。從圖15中可以看出：轉速差不變時，隨著銅層厚度的增大，傳動力矩先增大后減小，在銅層厚度為5 mm時達到最大值，這是因為銅的電導率較高，有利于電渦流的形成，因此傳動力矩隨著銅層厚度的增大而逐步變大，但是由于銅的磁導率非常低，當銅層厚度大于5 mm時，銅層表面磁場強度逐漸減小，最終導致傳動力矩變小。

圖15 傳動力矩隨銅層厚度變化的關系曲線Fig.15 The relationship between the driving torque and the thickness of copper layer

3.3氣隙長度的影響

由于氣隙中的磁阻要比導體中的磁阻大得多，所以磁勢主要消耗在氣隙中，當氣隙長度增大時，氣隙磁感應強度B減小，從而導致傳動力矩T減小，如圖16所示。

圖16 傳動力矩隨氣隙長度變化的關系曲線Fig.16 The relationship between the driving torque and the length of air gap

4 結論

(1)提出了一種新型的自勵式電磁渦流聯軸器，設計了發電系統和傳動系統磁路結構，運用有限元法對自勵式電磁渦流聯軸器的發電系統和傳動系統的電磁場進行了分析。

(2)建立電磁渦流聯軸器電磁場模型，并應用電磁場仿真軟件，對模型進行了數值模擬分析，研究了轉速差、導體層和氣隙長度對傳動力矩的影響。

(3)轉速差較小時，導體層選擇電導率高的材料可以得到較大的傳動力矩；傳動力矩隨著銅層厚度的增大先增后減，綜合考慮成本和體積因素，銅層厚度一般在5 mm；氣隙長度越大，氣隙磁感應強度越小，傳動力矩也越小。

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(編輯王艷麗)

ResearchonSpeedRegulationPerformanceofSelf-excitedElectromagneticEddyCurrentCouplings

MEI Xinxin YE Lezhi LI Desheng LIU Yupeng

College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing，100124

Due to the complex structures of a permanent magnet eddy current coupling, this paper presented a novel structure of self-excited electromagnetic eddy current couplings, which combined the technology of excitation power generation and eddy current drive. The generating characteristics and the drive characteristics were studied on the self-excited electromagnetic eddy current couplings by establishing the finite element numerical model of the electromagnetic fields for excitation power generation and eddy current drive. The influences of rotational speed differences, conductor layers and air gap lengths on the driving torque were analyzed, then draw a conclusion that when the materials with high conductivity are used for the conductor layers, a larger torque at a low rotational speed differences may be obtained; when the thicknesses of copper layers increase from 1 mm to 9 mm, the driving torque increases first and then decreases, and the maximum of the driving torque is reached at thickness of 5 mm. The driving torque reduces along with the increments of the air gap lengths.

eddy current coupling; self-excited generator; speed regulation characteristics; driving torque

2016-11-07

北京市科技新星計劃資助項目(Z151100000315079)

TH133.4

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.17.010

梅欣鑫，男，1992年生。北京工業大學機械工程與應用電子技術學院碩士研究生。主要研究方向為電磁渦流傳動。葉樂志(通信作者)，男，1982年生。北京工業大學機械工程與應用電子技術學院博士、講師。E-mail:yelezhi@bjut.edu.cn。李德勝，男，1962年生。北京工業大學機械工程與應用電子技術學院教授、博士研究生導師。劉玉朋，男，1994年生。北京工業大學機械工程與應用電子技術學院碩士研究生。