（机械电子工程专业论文）调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 调磁式异步磁力联轴器是基于磁场调制原理和电磁感应原理而 设计的新型磁力传动机构，因其结构设计采用调磁装置，使得从动鼠 笼转子气隙磁场转速得以改变，因而在其低速运行时更易启动，也实 现内外转子转速变换的作用。调磁式异步磁力联轴器拓展了传统感应 式磁力联轴器的结构形式与使用功能，可广泛用于医药、化工、风电、 煤矿、核能等行业的动力传递系统中，1 因此具有较好的理论研究意义3 和工程实用价值。 首先提出了一种调磁式异步磁力联轴器的结构方案，对机构零部 件结构、材料选用、永磁材料磁化及排布方式进行设计。运用磁路分 析法，研究分析调磁式异步联轴器空载和负载两种状态下的磁路结 构，对不同结构的磁路进行磁路计算，得到磁路中主磁通与漏磁之间 的关系，为磁路分析设计提供理论基础。利用磁场调制原理，总结联 轴器气隙磁场磁密分析计算公式，并设计了联轴器的传动比。定量分 析静态气隙磁场影响因素对机构气隙磁场的影响关系，为后续机构瞬 态分析提供基础。 着重分析鼠笼转子负载下的电磁关系，通过一定假设条件以分层 理论建立转子导条感应电势的数学模型，求解出转子感应电流的理论 表达式，并探讨了联轴器各种损耗及转矩的计算方法，为研究调磁式 异步磁力联轴器负载工作提供理论分析基础。利用有限元分析软件 a n s o f l 构建联轴器二维瞬态分析模型，得到磁力联轴器瞬态磁场分布 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 情况、鼠笼转子导条上感应电流分布特点、联轴器的瞬时转矩曲线及 损耗曲线，瞬态分析结果反映调磁式异步磁力联轴器启动及正常工作 的传动特性及负载能力。 分析影响联轴器转矩性能的相关因素，其结果表明：增加永磁体 厚度可提升输出转矩，但厚度增加过多对转矩提升无明显效果；调磁 极片长度越小则转矩输出越高，但调磁装置结构强度有所下降；槽宽 比变化使得转矩出现变化，当槽宽比为1 时转矩输出达到最佳；在一 定转速差范围内联轴器转矩随转速差增加而增大，但较高转速差会使 转子输出转矩能力下降。研究结果为调磁式异步磁力联轴器的后续优 化提供重要依据。 关键词：异步磁力联轴器；磁场调制；磁路；电磁场有限元；转矩； 瞬态 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t af i e l dm o d u l a t e da s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n gi san e wt y p eo fm a g n e 北 t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，w h i c hi sb a s e d o nt h ep r i n c i p l e so fm a g n e t i cf i e l d m o d u l a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n m a g n e t i cf i e l ds p e e di nt h ea i rg a po f i n n e rc a g er o t o rs i d ec o u l db ec h a n g e d ，o na c c o u n to ft h ef i e l dm o d u l a t e dd e v i c ei ni t s p o p u l a t i o ns t r u c t u r a ld e s i g n ，t h e r e f o r e ，t h ec o u p l i n gc a l l l a u n c he a s i e ra tl o ws p e e d ， a n dt h eo b j e c t i v et h a ti n n e ra n do u t e rr o t o rs p e e dt r a n s f o r m a t i o ni sa c h i e v e d f i e l d m o d u l a t e da s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n ge x t e n d st h es t r u c t u r ef o r m sa n df u n c t i o n s o ft h et r a d i t i o n a li n d u c t i v em a g n e t i cc o u p l i n g , w h i c hc a nb ew i d e l yu s e di nt h ep o w e r t r a n s f e rs y s t e mo fm a n yf i e l d s ，s u c ha sm e d i c i n e ，c h e m i c a l ，w i n dp o w e r ，c o a l ，n u c l e a r p o w e ri n d u s t r y ，s oi t h a sg o o dt h e o r yr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u ei n e n g m e e n n g - f i r s t l y ，as t r u c t u r a lc o n c e p to ft h ef i e l d m o d u l a t e da s y n c h r o n o u sm a g n e t i c c o u p l i n gw a sp u tf o r w a r d ，a n ds o m ed e s i g nw o r k ，s u c ha sm e c h a n i s ms t r u c t u r e ， m a t e r i a ls e l e c t i o n ，p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a lm a g n e t i z i n ga n da r r a n g e m e n tw e r e d o n e t h em a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r e su n d e rn o - l o a da n dl o a ds t a t ea r er e s e a r c h e da n d c a l c u l a t e dw i t hm a g n e t i cc i r c u i ta n a l y s i s ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i n m a g n e t i cc i r c u i tm a g n e t i cf l u xa n dm a g n e t i cf l u xl e a k a g ei n t h et w os t a t e sw e r e o b t a i n e d t h er e s u l t so fm a g n e t i cc i r c u i ta n a l y s i sc a np r o v i d e t h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nt od e s i g n t h ec o m p u t a t i o n a lf o r m u l ao ft h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yi nt h e a i rg a pw a ss u m m a r i z e dt h r o u g ht h em a g n e t i cf i e l dm o d u l a t i o np r i n c i p l e ；i nt h em e a n t i m et h et r a n s m i s s i o nr a t i oo ft h em a g n e t i cc o u p l i n gw a sd e s i g n e d t h ew o r kt h a t q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt h es t a t i ca i r g a pm a g n e t i cf i e l di n f l u e n c ef a c t o r so f t h e m e c h a n i s ma n dt h ea i r g a pm a g n e t i cf i e l dw a sd o n e ，w h i c ha l s op r o v i d e s t h e r e f e r e n c ef o rt h es u b s e q u e n ti n s t i t u t i o n st r a n s i e n ta n a l y s i s t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o no ft h ec a g er o t o ru n d e rl o a ds t a t ew a sa n a l y z e d p a r t i c u l a r l y ，a n df u r t h e r m o r e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c e dp o t e n t i a li n r o t o r c o n d u c t i n gb a r ，t h r o u g hs o m e a s s u m e dc o n d i t i o n s ，w a sb u i l tw i t ht h e o r yo fs h e a v e ss o ! i i 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 t h a tt h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao fr o t o ri n d u c t i o nc u r r e n tw a ss o l v e d t h ea n a l y s i sw o r k d i s c u s s e dt h ec o u p l i n gv a r i o u sl o s s e sc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt o r q u ee x p r e s s i o n t h e 2 dt r a n s i e n ta n a l y s i sm o d e lo fc o u p l i n gw a sc o n s t r u c t e di nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s o f t ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h et r a n s i e n tm a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o no fm a g n e t i c c o u p l i n g , c a g er o t o r i n d u c t i o nc u r r e n td i s t r i b u t i o no n c o n d u c t i n gb a r ，t h ei n s t a n t a n e o u st o r q u ec u r v e s a n dl o s sc u r v e so fs h a f tc o u p l i n g t r a n s i e n ta n a l y s i sr e s u l t sr e f l e c t e dt h ef i e l dm o d u l a t e dc o u p l i n gs t a r t - u pa n dn o r m a l w o r ko ft h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dl o a dc a p a c i t y t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fc o u p l i n gt o r q u ep e r f o r m a n c ea l ea n a l y z e d ，a n dt h e a n a l y t i c a lr e s u l ti n d i c a t e st h a t ：i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so fp e r m a n e n tm a g n e tc a n p r o m o t et h eo u t p u tt o r q u e ，b u tt h eo u t p u tt o r q u ec o u l d n ti n c r e a s eh i g h e rw h e nt h e t h i c k n e s so fp e r m a n e n tm a g n e ti st o ot h i c k ；t h es m a l l e rt h el e n g t ho fm a g n e t i cp o l e si s ， t h eh i g h e rt h et o r q u eo u t p u ti s ，b u tt h em a g n e t i cd e v i c es t r u c t u r es t r e n g t hi sd e c r e a s e d ； g r o o v ew i d t hr a t i o sc h a n g ec a l lm a d et o r q u ea l t e r n a t e ，b u tt o r q u eo u t p u tc a n b eb e s t w h e ng r o o v ew i d t hr a t i oe q u a l st o1 ；i nac e r t a i ns p e e dr a n g e ，c o u p l i n gt o r q u e i n c r e a s e sw i t ht h er o t a t i o ns p e e dd i f f e r e n c e ，b u th i g h e rr o t a t i o ns p e e dd i f f e r e n c ew i l l m a k et h er o t o ro u t p u tt o r q u ea b i l i t yd o w n t h ec o n s e q u e n c e sp r o v i d et h ei m p o r t a n t i n f o r m a t i o nt ot h ef o l l o w - u po p t i m i z a t i o no ff i e l dm o d u l a t e da s y n c h r o n o u sm a g n e t i c c o u p l i n g k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g s ：f i e l dm o d u l a t i o n ；m a g n e t i cc i r c u i t ： i v e l e c t r o m a g n e t i cf i e l df i n i t ee l e m e n t ：t o r q u e ：t r a n s i e n t 江苏大学硕士学位论文。 1 1引言 第一章绪论 在工业领域中，传动作为一种机械工业化过程中必不可少的环节，服务人类 生产、生活已若干年。在近百年工业高速发展的过程中，传动领域逐渐形成了以 机械传动、流体传动和电气传动三大类的主要传动形式。这些传动形式在工业领 域里发挥着各自独特的优势，机械传动作为一种应用范围比较广的传动形式，通 常利用机械零件的直接接触实现运动与动力的传递。而流体传动是以液体或者气 体为工作介质，其中以液体为工作介质的传动可分为依靠液体静压力作用的液压 传动和依靠液体动力作用的液力传动两种形式，流体传动具有传动尺寸小、动态 性能较好、传动距离较短等特点。电气传动是利用电机将电能转变为机械能，驱 动机器的工作单元，电气传动功率范围较大，所以易于实现自动控制及远距离传 递动力。 传统的传动形式虽能很好地解决常规的传动问题，但却处理不了一些特殊场 合下的传动问题，例如医药、化工、石油、电化学、核能等行业中，在输送剧毒、 易燃易爆、强腐蚀性、放射性等物质的过程中，传统传动形式无法很好地解决“跑、 冒、滴、漏”等问题【l 】，而且像机械传动中摩擦磨损也使得机器需要经常维护。 因此在面对这些特殊行业的问题时，一种新型的磁力传动从它诞生开始就发挥了 巨大的作用，弥补了传统传动领域的不足与空白，获得了良好的社会效益与经济 效益。磁力传动利用现代电磁场学的基本理论，通过电磁铁或永磁材料产生磁力 作用，实现运动与动力的无接触传递。实现磁力驱动的装置一般称为磁力驱动器、 磁性耦合器、磁力传动器等等【1 1 。磁力传动技术从二十世纪四十年代逐步发展， 开创性地运用静密封代替动密封，彻底解决了传统动密封中的泄露难题。磁力传 动技术不但解决了特殊行业传动过程中的泄露问题，还具备一些传统传动形式所 没有的独特优点。磁力驱动器的主、从动件之间无刚性连接，因此主、从动件在 运行过程中的振动与突变不会互相影响，这样确保机器的负载平稳工作，避免了 振动与突变的互相传递；在磁力驱动器运行过程中若出现从动件部分过载，则主 动件与从动件滑脱，为机器工作部分提供过载保护，同时也起到保护电机的作用； 磁力驱动器具有简单的机械结构，零部件数量也较少，便于调试、装卸和维修， 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 提高了机器设备的工作效率；主、从动件之间的相互运动形式比较丰富，既有直 线运动、旋转运动，也有直线运动与旋转运动结合的复合运动，这些丰富的运动 形式又可以与不同的机械结构结合，达到空间上的有规则运动。 近，l 十年来，伴随着环境、能源问题矛盾的同益突出，磁力传动技术受到了 越来越多的关注。与此同时，永磁材料、电磁场实验仿真分析、先进制造t 艺等 各种凶素的彳i 断发展，促使磁力传动技术得到较快发展，取得较多的研究成果， 应用范围也拓展得更加广阔。磁力传动技术在未来的发展中有着更加广阔的空 间，也会为1 ：业生产提供更多的便捷。 1 2 磁力传动的国内外现状 磁力传动技术早在上世纪if j 年代就已被一些国外学者提出，但由于当时研 究手段的缺乏加之永磁材料性能的制约，在相当长的4 段时间内研究末取得较快 的进展。后来随着现代化工业的发展，人们开始对工业生产的环保性、安全性提 出更高的要求，因此也开始寻找一些新的技术、新的产品。在这样的背景下，磁 力传动技术获得各国科技人员的重视，得到了进一步的发展，磁力驱动泵便是一 个典型的应用案例【2 1 。磁力驱动泵的产生与发展逐渐形成了一种传动装置磁力 联轴器( 也称磁性联轴器、永磁联轴器) ，磁力联轴器的作用类似于机械传动中 的联轴器，由于其结构设计采用静密封，解决了动密封下的泄漏问题，因此磁力 联轴器也成为目前研究磁力传动技术的重要研究方向。 图1 1 磁力泵结构 f i 9 1 1s t r u c t u r eo fm a g n e t i cp u m p 在磁力传动技术被提出后的不久，美国的h t f a u s 提出了磁力齿轮【4 】的设 想，其主要思想就足利用永磁体作为传递能量的媒介，设计了一种拓扑结构，其 2 江苏大学硕士学位论文 作用类似机械齿轮能改变转速并传递动力。但由于其拓扑结构中永磁体的利用率 较低，造成传递扭矩能力较差。 图1 2 传统磁力齿轮 f i 9 1 2t r a d i t i o n a lm a g n e t i cg e a r 2 0 0 1 年英国k a t a l l a h 和d h o w e 研制了一种高性能同轴式磁力齿轮【5 】，提 高了永磁体的利用效率与动力传递能力。而后一些国家的学者也开始了对磁力齿 轮的研究，形成了磁力传动技术的第二个重要研究分支。磁力传动技术的快速发 展，也逐渐细化出一些研究分支，例如磁力轴承、磁传动搅拌反应釜、工业用永 磁传动阀、调速式磁力联轴器等等【2 1 ，这些都将促使磁力传动技术更好地发展。 1 2 1磁力联轴器国内外的发展情况 磁力联轴器起初是用于磁力泵中，在1 9 4 6 年英国霍华德机械发展有限公司 ( h m d ) 的霍华德兄弟发明了世界上第一台磁力泵【6 】，而后西德也研制成功，由 于起初磁力泵的研制技术并不完备、效率不高、价格不菲等原因，造成磁力泵的 发展处于停滞状态。在1 9 7 0 年以后，随着西方发达资本主义国家的工业转型， 环境保护的呼声变高以及稀土永磁材料的出现，磁力泵的研究进入了快速发展阶 段。国外设计生产磁力泵的企业较多，主要有美国s u n d y n e 集团的下属三家子公 司( 英国h m d 、美国a n s i m a g 、意大利c a s t e r ) ，德国k l a u su n i o n 、a l l w e i l e r 、 d i c k o w ，日本l w a h 等，其中美国s u n d y n e 集团生产的磁力泵系列产品技术领 先、覆盖面最广，成为行业的领军产品。磁力泵历经几十年的发展，其设计方法、 材料工艺、结构类型都有较大的改进，例如改进叶轮轴的设计，改变泵壳、隔离 套、内磁钢保护壳的材料，采用氟聚合物等非金属材料替代原有金属材料，利用 一些传感元件实时监控磁力联轴器的运行状况等同。磁力泵的发展已从最初常温 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 下低压小功率泵逐步向高温、高压、大功率、标准化、系列化的方向转变。 国内对于磁力传动技术的探索起源于对磁力泵的研究，相比国外起步较晚。 甘肃省科学院磁性器件研究所是国内最早研究磁力泵的单位之一【2 】，积累了较多 的研制与生产的资料，现有多种系列的磁力泵投入使用。2 0 0 1 年美国汉胜公司 在上海成立汉胜工业设备( 上海) 有限公司，在中国国内进行磁力泵的研发与生 产，从而将较为先进的磁力泵技术引入中国【羽。全国大约有四十家企业生产磁力 泵产品，功率在1 8 k w 以下的磁力泵性能较为稳定，而大功率的磁力泵的研制相 对较少，甘肃科学院的研制了功率1 8 5 k w 的磁力泵，为大功率磁力泵的研制进 行积极地探索，烟台水泵厂也研制了7 5 。1 5 0 k w 的磁力泵【2 】。 从二十世纪九十年代，江苏大学蒋生发教授、杨超君教授等开展磁力传动装 置的研究工作，在其研究过程中形成了同步式磁力联轴器的一套设计方法，成功 设计出功率范围在0 7 5 k w 一1 6 0 k w 系列同步式磁力联轴器，并且已运用于磁力泵 中【8 。1 0 1 。在1 9 9 7 年前后，江苏大学蒋生发教授、杨超君教授利用反求设计技术【1 1 】， 根据鼠笼异步电动机的工作原理，开创性提出非接触式永磁感应磁力传动机理 1 1 2 1 ，成功设计出相关磁力装置：耐高温实心转子磁力联轴器、耐高温涡流式双层 实心转子磁力联轴器、深槽式鼠笼转子异步磁力联轴器等，并获得了国家专利的 授权【1 3 , 1 4 ，同时进行了物理样机制作与实验性能分析。这些磁力传动装置的研制 解决了同步式磁力联轴器输送高温介质时内转子磁钢发生退磁的难题，提高了磁 力泵介质输送的工作温度，可以广泛应用于磁力泵、磁力搅拌釜、磁力阀及其它 器械的传动系统中。而后几年，江苏大学杨超君教授等利用创新设计的思想，在 耐高温异步磁力联轴器的研究基础上，自主设计了一种调速式盘式异步磁力联轴 器，并在此基础上提出了具有新型结构的可调速磁力联轴器【1 5 】、远程自动控制可 调速盘式磁力联轴器f 1 6 1 、一种楔形圆盘可调速磁力联轴器【1 7 1 ，并申请国家发明 专利，其中具有新型结构的可调速磁力联轴器和远程自动控制可调速盘式磁力联 轴器己获授权。近几年来，江苏大学杨超君教授提出了一种磁场调制的高性能耐 高温异步磁力联轴器【1 8 1 ，其创新之处在于异步磁力联轴器结构中引入调磁装置， 利用调磁装置调制永磁体磁场，改善联轴器启动性能并实现转速变换功能，基于 这一设计思想的异步磁力联轴器也获得国家发明专利授权，本课题将重点研究这 一类型的异步磁力联轴器。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 磁力齿轮国内外的发展情况 磁力齿轮( 也称磁性齿轮) 是磁力传动技术的重要研究分支，它的出现丰富 了磁力传动技术的种类形式，为工业生产提供了更多的传动方案。磁力齿轮不但 具有磁力传动隔振、过载保护、减低摩擦磨损等优点外，还能像机械传动中的齿 轮一样改变转速和转向，同时减小变速环节的空间体积，提高系统的稳定性。上 世纪四十年代，美国人h t f a u s 4 】提出关于磁力齿轮的设想并得到美国专利授权， 该设想就是在两个直径不同，厚度相同的圆盘圆周表面贴装不同数量的永磁体， 其结构相当于机械传动中的直齿圆柱齿轮。由于这种传动结构中永磁体的利用率 较低以及当时永磁体材料性能较差，造成磁力齿轮的扭矩传递能力不高。直到 1 9 8 0 年钕铁硼稀土永磁材料出现以后，传统磁力齿轮才有新的发展，磁力齿轮 扭矩传递能力得到一定的提升。2 0 0 1 年英国k a t a l l a h 和d h o w e 1 9 - 2 0 提出了一 种高性能磁力齿轮的拓扑结构，相比传统磁力齿轮而言，其永磁体的利用率最高， 扭矩传递能力大幅提升。随后k a t a l l a h 和d h o w e 又提出了高性能线性磁力齿 轮【1 9 - 2 0 1 和高性能轴向磁化磁力齿轮f 刎的结构方案，这两种结构设计拓宽了磁力齿 轮的结构形式与应用领域。在此基础上，k a t a l l a h 和j j r e n s 于2 0 0 7 年研发了 融合磁力齿轮结构的复合电机1 2 1 1 ，将磁力齿轮与传统电机合二为一，相比传统传 动方案而言可以节省空间布局，适用于直接驱动的场合。此外，英国j r e n s 等 设计了谐波磁力齿轮【2 2 彩】，该种磁力齿轮结构类似机械传动中的谐波齿轮，不同 之处在机械齿轮靠轮齿啮合传动，谐波磁力齿轮依靠永磁材料之间的磁力传动。 近些年，国内也开始研究高性能磁力齿轮，上海大学江建中教授和香港大学 的学者邹国棠等对磁力齿轮进行相关研究，共同设计了磁力齿轮直流永磁无刷电 机 2 4 - 2 6 1 ，此种电机可以应用于电动车与风力发电机中。浙江大学j x s h e n 、 l l w a n g 等人开发了一种磁力齿轮外转式永磁无刷电机【刎，该型电机采用三相 交流绕组产生旋转磁场，减少永磁材料的使用，适合一些低转速负载场合。台湾 成功大学的学者c h e n g c h ih u a n g 等人研究分析了行星磁力齿轮【冽的传动机理 与实验性能。江苏大学杨超君教授等对高性能同轴式磁力齿轮也进行了相关研 究，提出了一种应用鼠笼式调磁装置的同心磁力齿轮【搠，鼠笼式结构的调磁装置 不但保证了调磁装置的结构强度，还具备优良的机加工性，在此基础上设计出三 种磁力齿轮传动方案，获得国家专利授权。而后杨超君教授等将高性能同轴式磁 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 力齿轮与异步磁力联轴器进行结合，并将其应用于耐高温高速磁力泵【媳3 1 】中，此 项设计也获得国家专利授权。 1 3 磁力传动的应用分类 磁力传动技术发展至今，形成了诸多类型的磁力传动设备，这些传动设备所 运用的磁力传动的机理也不尽相同。文献f 1 1 中针对磁力泵用磁力联轴器的结构 进行了一些分类，同时也从磁力联轴器的永磁材料排布，磁力耦合机理等角度进 行了归类，但没有从磁力传动这一层面进行分类。本文在对目前国内外研究的磁 力传动技术及其工业应用产品充分调研的基础上，梳理了磁力传动设备的运动机 理，按照设备传动的机理进行了一些归纳。 1 3 1 永磁耦合型 在目前磁力传动设备中，利用永磁材料的耦合作用传递运动与动力的机械结 构较多，永磁磁力联轴器就是一类运用较为成功的典型结构，也正因为是由永磁 材料之间的耦合力保证主、从动件之间动力的传递，使得利用永磁耦合原理设计 的磁力驱动设备传动效率达到8 0 甚至更高【2 】。 1 3 1 1 永磁磁力联轴器 ( 1 ) 径向同步磁力联轴器 径向同步磁力联轴器的结构型式见图1 3 ，该型磁力联轴器的内外转子均装 有一定数量的永磁体，永磁体采用径向充磁并按n 、s 交替排列。当主动转子随 驱动电机转动时，主动转子上的永磁体通过与从动转子表面的永磁体耦合，从而 带动从动转子一起运动。主从动转子以同步转速运动，但有一定的转角差。 ( 2 ) 轴向同步磁力联轴器 轴向同步磁力联轴器的主要结构图见图1 4 ，此型同步磁力联轴器的主、从 转子的结构为圆盘形，又称盘式磁力联轴器，主从动转子上的永磁体采用轴向充 磁并按n 、s 交替排列。当主动转子作旋转运动时，主动转子上永磁体对从动转 子上永磁体产生切向磁力，从而带动从动转子运动。与径向式联轴器相同，主从 动转子以同步转速运动，但也保持一定的转角差。 上述两种类型的同步磁力联轴器都是利用磁场力的作用进行运动与动力传 输，此类型动力传输由于结构设计中可以采用隔离套，将动密封转化为静密封， 6 江苏大学硕士学位论文 从而具有无泄漏、无轴封等优点，目前已广泛应用于磁力泵中。但从动转子属于 过流部件，由于永磁体材料为钕铁硼，其材料的居里点温度低，遇到输送高温介 质时易发生永磁体退磁，这样就限制了磁力联轴器的使用范围。 1 外转子2 永磁体3 隔离套4 内转子 图1 3 径向同步磁力联轴器 f i 9 1 3r a d i a ls y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g 1 外转子2 永磁体3 隔离套4 内转子 图1 4 轴向同步磁力联轴器 f i 9 1 4a x i a ls y n c h r o n o u sm a g n e t i co o u p l i n g 1 3 1 2 磁场调制型磁力齿轮 ( 1 ) 径向磁场调制型磁力齿轮 径向磁场调制型磁力齿轮的结构图见图1 5 ，该型磁力齿轮采用了同轴式的 结构布置，内外转了上排布定磁极对数的永磁体，永磁体采用径向充磁，其内 外转子中自j 部分布置一定数量的调磁极片，调磁极片的数量一，与内外转予磁极 对数p l 、p 2 2 _ f s j 存在一定的数量关系，即w _ p 1 坳。当磁力齿轮的内转子运动后， 调磁极片将内转子上永磁体的磁密谐波调制后，与外转子永磁体磁密谐波等磁极 7 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 耦合，从而外转子以调制后的磁密谐波转速转动，这样就实现变速的目的，反之 亦然。 s n s s n s 1 外转子轭铁2 水磁体3 调磁极片4 内转子 图1 5 径向磁场调制型磁力齿轮 f i 9 1 5r a d i a lf i e l dm o d u l a t i o nm a g n e t i cg e a r ( 2 ) 轴向磁场调制型磁力齿轮 轴向磁场调制型磁力齿轮的结构图见图1 6 。此种磁力齿轮的磁场调制机理 与径向磁场调制磁力齿轮相类似，不同之处在于后者是从直径方向调磁，而前者 是从轴向方向进行调磁。因此轴向磁力齿轮的永磁体均为轴向充磁，某一运动转 子通过调磁极片调制磁场，与另一转子进行耦合传动，同样达到变速的功能。 1214 8 3 1 主动转子2 永磁体3 调磁极片4 从动转子 5 高速转轴6 低速转轴7 高速转子支持板8 低速转子支持板 图1 6 轴向磁场调制型磁力齿轮2 ： f i 9 1 6a x i a lf i e l dm o d u l a t i o nm a g n e t i cg e a r 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 电磁感应型 由于同步磁力联轴器很难满足高温场合的使用，江苏大学许士芬( 香港) 联 合研究所首次提出设计了耐高温异步磁力联轴器，该种磁力联轴器利用电磁感应 原理实现传动，由于内转子无需永磁材料，解决了以往高温介质引发永磁体退磁 的问题。 1 3 2 1 异步磁力联轴器 ( 1 ) 实心转子异步磁力联轴器 实心转子异步磁力联轴器【1 4 ，3 3 】的结构图见图1 7 ，与径向同步磁力联轴器不 同之处在于：该型磁力联轴器的内转子无需永磁材料，运动时主要依靠内转子在 外部永磁体产生的旋转磁场作用下，内转子表面由集肤效应产生涡流状分布的感 应电流，感应电流产生的磁场与外部永磁体耦合作用，从而驱动内转子转动。此 类型联轴器结构简单、永磁体用量较少、耐高温且运行可靠，但机械特性软、过 载能力较低，性能有待提高。 1 外转子2 水磁体3 隔离套4 内转子 图1 7 实心转子异步磁力联轴器 f i 9 1 7s o f i dr o t o ra s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g ( 2 ) 鼠笼转子异步磁力联轴器 鼠笼转子异步磁力联轴器【1 2 , 3 5 , 4 1 】结构见图1 8 ，此种异步磁力联轴器的特点 在于将内转子表面加工出若干矩形槽，再填入铜条或者铝条等导电材料，矩形槽 中的导体材料与端环结合形成类似鼠笼的结构。当外转子永磁体运动形成旋转磁 场后，内转子鼠笼导条切割磁感应线后产生感应电动势，导条中形成感应电流， 感应电流产生的磁场与外部旋转磁场耦合作用，从而驱动内转子运动，反之亦然。 9 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 文献【3 4 】研究了一种深槽式鼠笼转子异步磁力联轴器，对深槽式鼠笼异步磁力联 轴器的电磁特性进行深入分析，并总结了该型磁力联轴器的设计方法。 1 外转子2 水磁体3 隔离套4 端环5 铜条6 内转子 图1 8 鼠笼转子异步磁力联轴器 f i 9 1 8s q u i r r e lc a g er o t o ra s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g 1 3 2 2 磁场调制磁力联轴器 磁场调制磁力联轴器结构图见图1 9 ，这是本文重点研究的磁力传动装置， 内转子的结构与鼠笼异步磁力联轴器内转子有相通之处，此种磁力耦合器利用了 永磁磁力齿轮的调磁原理，通过调磁极片调制外转子永磁体的磁密谐波，使得内 转子表面气隙磁场磁密谐波的磁极对数和转速得到改变。内转子利用电磁感应原 理，通过内转子上的铜条切割经调制的气隙磁场磁感应线，铜条内产生感应电流， 感应电流产生的磁场与内转子表面气隙磁场耦合，实现内转子的转动。内转子旋 转的转速与其表面气隙磁场强弱、转速相关，而内气隙磁场与外转子永磁体磁场 应满足永磁磁力齿轮磁场调制的规律。 l o i i li ll i 1 外转子2 永磁体3 调磁极片4 铜条5 端环6 内转子 图1 9 磁场调制磁力联轴器 f i 9 1 9f i e l dm o d u l a t i o na s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g 江苏大学硕士学位论文 磁场调制复合磁力耦合器的特点在于利用内外转子之间的调磁极片结构实 现磁场调制，并实现内外转子的转速调节。文献【1 8 】这种授权的发明专利涉及到 这种磁力装置的结构设想，但目前未有这种磁力装置的研究报道。因此本文将重 点分析研究此种磁力装置的磁场、传递转矩等性能。 1 4 磁力传动中的设计与研究方法 磁力传动技术发展至今，形成了较多的分支学科，其中磁力机械融合磁场学 科、机械学科、电磁学科等多学科的技术，因此磁力传动设计应包含多学科的设 计方法与理念，其目的就是要在以设定的运动与动力学指标要求下，设计出合理 的机械与电磁结构，实现机械能与磁能的转化。 目前在磁力机械的设计原理与方法中，常用的一些研究方法有磁路法、图解 法、解析法及近似解析法、实验法、数值计算法等，而数值计算法是建立在现代 数学和力学的理论基础上，以计算机为求解工具，也细化出几种分析方法，即有 限差分法、有限元法、边界元与边界点发 3 6 - 3 剐。磁路法将“场”的概念转化为“路 ， 是目前磁场分析中使用较多的方法之一，由于实际磁力机械中磁场较为复杂，磁 路法需要将求解的问题进行一些简化，因此简化的模型还是较为粗糙，文献 1 3 9 4 0 1 中提到利用场路结创删并考虑耦合的设计思想，在传统磁路法完成模型分 析后，再考虑“场 的影响因素，对于磁路法忽略与简化的因素进行分析，融入 耦合效应，完善分析模型使之与实际情况更加接近。场路结合的设计思想对于改 进磁路分析法，提高分析准确性等具有较强的指导意义与实际应用价值。 1 5 主要研究内容及意义 1 5 1课题意义 随着工业社会的发展，传统的传动形式无法解决特殊行业的传动问题，加之 目前国家对于稀土开采的宏观调控，导致稀土永磁材料价格上升，传统永磁同步 磁力联轴器和永磁齿轮的生产成本相应升高，因此研发设计永磁感应式磁力传动 装置有着很高的学术价值和经济价值。传统异步磁力联轴器已广泛应用于工业生 产各部门，如医药、化工、石油等行业，并取得一定的经济效益，而传统异步磁 力联轴器只能依靠永磁体磁场旋转来产生力矩传递运动，因此在电机启动时永磁 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 体的旋转磁场转速逐步提升，磁力联轴器转矩小启动较慢。调磁式异步磁力联轴 器利用调磁装置将永磁体磁场的转速与分布进行调制，形成的调制磁场由于具有 与原磁场不同的转速与分布，因此使得联轴器在传动中具有变速功能，因而可以 满足对负载转速有特定要求的特殊工况，并且可通过一定的滑差率提高装置的扭 矩输出能力，这些优点弥补以往异步磁力联轴器的不足，拓展了联轴器的应用范 围，因此研究调磁式异步磁力联轴器有着重要的学术意义与社会意义。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 调磁式异步磁力联轴器结构设计方案。主要设计：鼠笼内转子槽数及 槽形结构设计，永磁材料选用、磁化方式及排布形式，调磁装置的设计等。 ( 2 ) 运用磁路分析法，研究调磁式异步磁力联轴器空载及负载两种状态下 的磁路结构，分析机构在不同状态下主磁通与漏磁通的关系。对静态气隙磁场影 响因素进行定量分析，得出这些影响因素与机构气隙磁场径向磁密的影响关系。 ( 3 ) 对调磁式异步磁力联轴器转矩、损耗进行理论分析。由于联轴器瞬态 负载下的电磁关系较为复杂，因此建立机构的二维计算模型，求解内转子感应电 流，继而分析计算联轴器的转矩与损耗。 ( 4 ) 通过有限元分析软件a n s o f t 构建二维瞬态分析模型，对机构瞬时传动 特性进行有限元数值模拟，分析磁力联轴器瞬态磁场分布情况、鼠笼转子导条上 感应电流分布特点等。研究影响机构瞬态性能的关键因素对输出转矩的影响。 1 6 本章小结 本章首先梳理了工业中传动领域的发展历史，指出传统传动形式的不足，分 析了目前磁力传动的国内外现状，从磁力传动设备的运动机理出发，介绍了永磁 耦合与电磁感应两种类型的磁力传动装置结构，提出调磁式异步磁力联轴器的设 计思想。归纳总结目前磁力传动的设计方法与研究手段，提出本文的主要研究内 容及研究意义。 本论文课题支撑 国家自然科学基金项目( 编号：5 1 0 7 5 1 8 9 ) ，“高性能调磁式异步磁力联轴器 的设计理论与方法研究 。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第二章调磁式异步磁力联轴器结构设计 调磁式异步磁力联轴器的结构包含鼠笼内转子、调磁装置，外磁转子等几部 分，结构设计的主要工作包括各部分零部件的结构公差尺寸、材料特性、以及永 磁体的磁路设计等内容。本章将重点对上述设计内容进行分析研究，并提出合理 的设计方案。 2 1 联轴器结构总体设计 调磁式异步磁力联轴器的主要结构兼有径向异步磁力联轴器特征，其结构方 案见图2 1 。外磁转子1 内部填充的永磁材料2 采用紧密排布的磁路设计，其外 层以一定厚度的轭铁包络形成磁通回路。内转子6 圆周表面开槽，槽内镶嵌有鼠 笼结构的导体材料( 铜条) 4 ，其结构类似于鼠笼异步磁力联轴器【3 4 】的内转子， 调磁极片3 均匀分布于内外转子气隙层中。 此种磁力耦合器利用永磁磁力齿轮的调磁机理，通过调磁极片3 调制外转子 永磁体2 的磁密谐波，使得在内转子6 表面气隙磁场磁密谐波的磁极对数和转速 得到改变。内转子6 在电磁感应原理作用下，通过其表面镶嵌的导体4 切割经调 制的气隙磁场磁感应线，导体4 内部产生感应电流，感应电流产生的磁场与内转 子表面气隙磁场耦合，实现内转子的转动。此调磁极片装置3 结构设计在一些特 定场合下可以代替传统异步磁力联轴器中的隔离套，使调磁极片与隔离套合二为 一，不仅可以起到磁场调制功能，还能起到密封的作用，下文有详细说明。 _ l li 1 外转子2 永磁体3 调磁极片4 铜条5 端环6 内转子 ( a ) 二维图 1 3 调磁式异步磁力联轴器结构设计及电磁场分析 1 2 3 4 5 6 1 机座2 支架3 调磁装置4 永磁体 5 外转子轭铁6 轴连接器7 转子端盖8 内转子 ( b ) 三维图 图2 1 调磁式异步磁力联轴器结构图 f i 9 2 1s t r u c t u r eo ff i e l dm o d u l a t i o na s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g 内转子6 旋转速度与其表面气隙磁场强弱、转速相关