永磁渦流聯(lián)軸器模型結(jié)構(gòu)合理性的試驗(yàn)驗(yàn)證

李延民，朱永建，胡 鋇

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

1 引言

永磁渦流聯(lián)軸器是一項(xiàng)新近開發(fā)的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)軸不接觸達(dá)到轉(zhuǎn)矩傳遞的目的，易于實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、過載保護(hù)，同時(shí)極大的減小了整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，有助于提高傳動(dòng)的可靠性，提高系統(tǒng)的使用壽命［1］。

國(guó)內(nèi)對(duì)永磁聯(lián)軸器的研究起步較晚，并且多偏向于理論仿真研究，而對(duì)實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。本文簡(jiǎn)述永磁渦流聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及理論分析［3-4］，運(yùn)用Ansoft［5］軟件對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，最后通過試驗(yàn)臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證模型結(jié)構(gòu)的合理性。同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速差進(jìn)行試驗(yàn)［6-7］，得出滿足輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速差的范圍。

2 工作原理

永磁渦流聯(lián)軸器由主動(dòng)端和從動(dòng)端構(gòu)成，主動(dòng)端包括導(dǎo)磁盤和銅盤為主，從動(dòng)端包括導(dǎo)磁盤、鋁盤、永磁體。永磁體成環(huán)形N、S極相互交錯(cuò)內(nèi)嵌于鋁盤體內(nèi)?；窘Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 永磁渦流聯(lián)軸器的基本結(jié)構(gòu).Fig.1 Basic Structure of Permanent Magnet Eddy Current Coupling

工作原理：銅盤隨著電機(jī)的啟動(dòng)而快速旋轉(zhuǎn)，銅盤因切割的磁感線，在銅盤表面形成圓周分布的渦電流，渦電流會(huì)形成反感磁場(chǎng)，并且與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

3 轉(zhuǎn)矩計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

永磁聯(lián)軸器的模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，δ-氣隙（mm），H-導(dǎo)磁鐵厚度（mm），HC-銅盤厚度（mm），HW-永磁體厚度（mm），R1-永磁體外徑（mm），R2-永磁體內(nèi)徑（mm）。

圖2 永磁渦流聯(lián)軸器一側(cè)分析模型Fig.2 The Analysis Model of the Permanent Magnet Eddy-current Coupling

計(jì)算時(shí)記Ω-整個(gè)求解域?yàn)?，?-模型的內(nèi)外側(cè)面，Г2-不同介質(zhì)交界面，為Г3-導(dǎo)體盤沿從動(dòng)轉(zhuǎn)子半徑方向的側(cè)面，在Ω內(nèi)求解磁矢位B：

式中：β—磁阻率，n-Г2、Г3的法向量。μ0—空氣磁導(dǎo)率，釹鐵硼N35材料取β≈1/1.099μ0。由磁矢位A可得磁感應(yīng)強(qiáng)度B：

根據(jù)式（2）求得場(chǎng)強(qiáng)B，從而得到永磁渦流聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為：

式中：V—?dú)庀兜捏w積（mm3）；R1—導(dǎo)體盤的外半徑（mm），R2—導(dǎo)體盤的內(nèi)半徑（mm）。

3 仿真模型的建立與研究

圖3為仿真模型基本結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的永磁渦流聯(lián)軸器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此仿真時(shí)對(duì)單面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到一半時(shí)即可滿足傳遞需求。

圖3 永磁渦流聯(lián)軸器仿真模型Fig.3 Simulation Model of Permanent Magnet Eddy-current Coupling

進(jìn)行系列化參數(shù)研究時(shí)，仿真過程中設(shè)定的常參數(shù)，如表1所示：

表格1分析模型基本參數(shù)Tab 1 Analysis Model Basic Parameters

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)裝置

為永磁渦流聯(lián)軸器的試驗(yàn)平臺(tái)，為便于試驗(yàn)，樣機(jī)采用的依舊是單面結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)時(shí)Y132三相異步電機(jī)為樣機(jī)提供動(dòng)力，CZ5磁粉制動(dòng)器通過調(diào)節(jié)張力控制儀為樣機(jī)提供負(fù)載。利用ZH07轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器可測(cè)量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。利用此試驗(yàn)平臺(tái)達(dá)到以下試驗(yàn)的目的，如圖4所示。

圖4 永磁渦流聯(lián)軸器的試驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Test Platform of Permanent Magnet Eddy Current Coupling

（1）結(jié)構(gòu)合理性的試驗(yàn)驗(yàn)證

（2）轉(zhuǎn)速差的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2 結(jié)構(gòu)合理性的試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前，為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需檢驗(yàn)傳感器的零點(diǎn)是否發(fā)生漂移，否則要進(jìn)行歸零設(shè)置。試驗(yàn)開始時(shí)，通過磁粉制動(dòng)器張力控制儀調(diào)節(jié)直流大小，進(jìn)行負(fù)載的調(diào)控，使得永磁渦流聯(lián)軸器負(fù)載端達(dá)到所需轉(zhuǎn)速。通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器記錄不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值。為了更加直觀對(duì)比分析仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)用origin軟件對(duì)二者進(jìn)行處理，如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)合理性仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of Structural Rationality Simulation and Experimental Results

如圖所示，兩條曲線基本吻合，試驗(yàn)值和仿真值具有很好的一致性，表明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到傳遞轉(zhuǎn)矩的要求。但是從圖中可看出試驗(yàn)和仿真存在一定的誤差，兩者之間的最大誤差5.97%，兩條曲線沒有完全擬合的主要原因是試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在機(jī)械摩擦，同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)銅盤上的渦流會(huì)產(chǎn)生熱損耗。其次氣隙調(diào)節(jié)存在一定誤差，永磁渦流聯(lián)軸器之間氣隙是手動(dòng)調(diào)節(jié)，很難精確保持3mm，因此會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量產(chǎn)生一定影響。

4.3 轉(zhuǎn)速差的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.3.1 試驗(yàn)方案

轉(zhuǎn)速差直接影響著傳遞轉(zhuǎn)矩的效率。試驗(yàn)開始時(shí)，通過張力控制儀調(diào)節(jié)負(fù)載，依次增大轉(zhuǎn)速差。通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器記錄不同轉(zhuǎn)速差對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，與相對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器記錄不同轉(zhuǎn)速差對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，與相對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速差仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析Fig.6 Comparison and Simulation of Speed Difference Simulation and Test

由圖可知，兩條曲線有相同的變化趨勢(shì)，均隨轉(zhuǎn)速差的增加，轉(zhuǎn)矩先增大后減小，先增大后減小。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速差增大時(shí)，輸出的功率增大，轉(zhuǎn)矩增大，直到輸出功率達(dá)到峰值，轉(zhuǎn)矩不再增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速差持續(xù)增加，在銅盤上產(chǎn)生的感應(yīng)電流增大，銅盤上的功率損失增大，故而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩減小由圖可知。在滿足輸出轉(zhuǎn)矩的要求，轉(zhuǎn)速差可在140-180rpm選取。

雖然轉(zhuǎn)速差的仿真值與試驗(yàn)值兩條曲線變化趨勢(shì)基本吻合，但還是存在誤差。導(dǎo)致誤差的原因是機(jī)械摩擦、渦流損耗、操作誤差。操作誤差主要是控制儀的調(diào)節(jié)誤差，手動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小從而調(diào)節(jié)負(fù)載軸的轉(zhuǎn)速，因此在調(diào)節(jié)過程有一定的誤差。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)與7.5KW、4極電機(jī)相匹配的永磁渦流聯(lián)軸器的樣機(jī)進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)，驗(yàn)證樣機(jī)可達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩的要求，驗(yàn)證模型結(jié)構(gòu)的合理性。同時(shí)通過轉(zhuǎn)速差的試驗(yàn)得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速差可在140-180rpm時(shí)，均可滿足轉(zhuǎn)矩傳遞的需求。