（机械设计及理论专业论文）可调整同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析.pdf

学位论文版权使用授权书 rlfr i fl lll ll l rrrl lli jf y 18 9 4 5 2 9 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 年月日 指导教师签名： 年月日 分类号! 丛! 兰2 ud c 丝曼 密级： 编号： 亘q 2 幽墨鲤q 塾 江蒜大擎 学位论文 可调速同轴式异步磁力 联轴器的设计及性能分析 d e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc o a x i a l a s y n c h r o n o u sa d j u s t a b l es p e e dm a g n e t i cc o u p l i n g 姓名昙堑踢 申请学位级别亟专业方向扭缝遮i 盈理诠 论文提交日期 学位授予单位和日期 论文答辩日期 答辩委员会主席 评阅人 江苏大学硕士学位论文 摘要 恶劣工况下如何实现电机低负荷启动和满负荷运行即软启动成为 拖动技术的重要研究课题。本文提出一种新型可调速同轴式异步磁力 联轴器的整体设计方案，这套装置不仅具有异步磁力联轴器可以输送 高温介质这一优点，而且可以实现电机的软启动，有效解决电机负载 启动时电机发热及失效问题，实现负载波动以及不同负载下的高效率 传动，拓展磁力联轴器的应用范围。 新型可调速同轴式异步磁力联轴器的整体设计主要分为主体结构 设计和操纵机构设计两部分，通过在联轴器主动轴上设计一个操纵机 构使外转子沿着轴向往复移动来改变内外转子之间气隙接触面积实现 磁力联轴器的可调速。对联轴器的主体结构材料进行了选择，内转子 采用深槽鼠笼结构，初步确定联轴器各结构参数的取值范围。通过机 构选型和组合，对联轴器操纵机构进行了设计，并提出相应的结构设 计原则，为可调速同轴式异步磁力联轴器整体设计提供基础。 根据磁路原理和联轴器工作模式，运用等效磁路法对磁力联轴器 的主磁路、漏磁路、漏磁系数进行分析。通过一定的假设条件，建立 联轴器磁场求解模型，推导了瞬态下联轴器内部磁场、电磁转矩、内 转子鼠笼感应电流、功率损耗的解析表达式，了解了磁力联轴器工作 原理及性能。使用电磁场有限元分析软件对磁力联轴器的主体结构进 行优化设计，结果表明：气隙过大会降低输出扭矩值；在一定范围内 永磁体厚度越大输出扭矩越大，当永磁体厚度增加到一定程度时，输 出扭矩值增加变慢直至不增反降；在一定范围内，加大内转子槽的深 度，输出扭矩变大。得出一组较优的结构参数保证磁力联轴器结构紧 凑且输出扭矩达到一定的要求。建立联轴器三维模型对可调速同轴式 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 异步磁力联轴器进行静态和瞬态仿真分析，得出了瞬态下磁力联轴器 内部磁感应强度和内转子鼠笼感应电流分布状况。通过调节操纵机构， 得出磁力联轴器的输出扭矩、功率损耗随时问的变化曲线，分析结果 表明：电机输出功率不变时，转差率越大，鼠笼感应电流值也越大； 外转子越远离内转子，输出扭矩与功率损耗值越小，达到输出速度的 可调性。分析结果为此类磁力联轴器的进一步研究提供基础。 关键词：同轴式异步磁力联轴器，磁场，感应电流，扭矩， 有限元分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o wt oa c h i e v et h ee l e c t r o m o t o rl o wl o a ds t a r ta n df u l ll o a do p e r a t i o ni np o o r c o n d i t i o nb e c a m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i co nd r i v et e c h n o l o g y an e wc o a x i a l 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 gd e s i g nw a sp r e s e n t e d i n t h i s p a p e r ，n o to n l y e l e c t r o m o t o rs o f ts t a r t i n gc a nb er e a l i z e d ，a n de l e c t r o m o t o rh e a t i n ga n df a i l u r ep r o b l e m s c o u l de f f e c t i v e l yb es o l v e db yt h i sd e v i c e ，b u ta l s ot h el o a df l u c t u a t i o n sa n dh i g h e f f i c i e n c yc o u l db ea c h i e v e du n d e rd i f f e r e n tl o a dt r a n s m i s s i o n ，t h ea p p l i c a t i o no f m a g n e t i cc o u p l i n gw a se x p a n d e dm o r es c o p e an e w a d j u s t a b l es p e e dc o a x i a la 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 n c l u d e dm a i n l y t h ed e s i g no ft h em a i ns t r u c t u r ea n dc o n t r o lm e c h a n i s mo ft w op a r t s ac o n t r o l m e c h a n i s mw a si n s t a l l e do nd r i v i n gs h a f to ft h ec o u p l i n gt om a k et h eo u t e rr o t o rm o v e b a c ka n df o n ha x i a l l ya l o n gi no r d e rt oc h a n g et h ec o n t a c ta r e ao ft h ea i rg a pb e t w e e n t h ei n n e rr o t o ra n dt h eo u t e rr o t o r ，a n dt oa c h i e v es p e e dc o n t r o lo fm a g n e t i c c o u p l i n g t h em a i ns t r u c t u r em a t e r i a lo ft h ec o u p l i n gw a sc h o o s e d ，a n dt h ed e e p g r o o v e ss q u i r r e lc a g ew a sa d o p t e do ns t r u c t u r eo ft h ei n n e rr o t o r ，t h ep r e l i m i n a r yv a l u e r a n g eo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ec o u p l i n gw a sd e t e r m i n e d t h r o u g ht h e m e c h a n i s ms e l e c t i o na n dc o m b i n a t i o n ，t h ec o n t r o lm e c h a n i s mo fc o u p l i n gw a s d e s i g n e d ，a n dt h ep r i n c i p l e so fs t r u c t u r a ld e s i g nw a sp r o p o s e d ，a n dt h eb a s i so ft h e o v e r a l ld e s i g no fa d j u s t a b l es p e e dc o a x i a la s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n gw a s p r o v i d e d a c c o r d i n gt o t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm a g n e t i cc o u p l i n ga n dt h em o d eo f o p e r a t i o n ，t h ee q u i v a l e n tm a g n e t i c c i r c u i tm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z et h em a i n m a g n e t i cc i r c u i t ，m a g n e t i cl e a k a g e ，m a g n e t i c f l u x l e a k a g ef a c t o r o fm a g n e t i c c o u p l i n g b yc e r t a i na s s u m p t i o n s ，t h es o l v i n gm o d e lo fm a g n e t i cf i e l do fm a g n e t i c c o u p l i n gw a se s t a b l i s h e d u n d e rt r a n s i e n tc o n d i t i o n ，t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no f i n t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ， e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e ， i n d u c e dc u r r e n ti nt h er o t o rc a g ea n d p o w e rl o s so ft h ec o u p l i n gw e r ed e r i v e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm a g n e t i cc o u p l i n g a n dp e r f o r m a n c ew e r eu n d e r s t o o d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew a su s e dt oc a r r y o u to p t i m a ld e s i g no ft h em a i ns t r u c t u r eo fm a g n e t i cc o u p l i n g ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 1 1 1 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 i n c r e a s i n gt h ea i rg a pr e d u c e dt h eo u t p u tt o r q u ev a l u e ；w i t h i na c e r t a i nr a n g e ，t h eg r e a t e r t h eo u t p u tt o r q u ew a s ，t h eg r e a t e rt h et h i c k n e s so fp e r m a n e n tm a g n e tw a s ，w 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 tr e a c h e dac e r t a i ne x t e n t ，t h eo u t p u tt o r q u ew a si n c r e a s e d s l o w l yu n t i lt h ef a l li n s t e a do fr i s i n g ；w i t h i na c e r t a i nr a n g e ，i n c r e a s i n gt h ed e p t ho ft h e r o t o rs l o t ，t h eo u t p u tt o r q u eb e c a m el a r g e r as e to fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw a so b t a i n e d t oe n s u r ec o m p a c ts t r u c t u r eo fm a g n e t i cc o u p l i n ga n dt h a tt h eo u t p u tt o r q u er e a c h e d c e r t a i nv a l u e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fm a g n e t i cc o u p l i n gw a se s t a b l i s h e d ，t h e s i m u l a t i o na n a l y s i so fs t a t i ca n dt r a n s i e n tw a sc a r d e do u t t h ed i s t r i b u t i o ns t a t e so f i n d u c t i o nc u r r e n to ft h ei n n e rr o t o rs q u i r r e lc a g ea n dm a g n e t i cf l u xd e n s i t yw e r e o b t a i n e du n d e rt r a n s i e n tc o n d i t i o n w h e nt h ec o n t r o lm e c h a n i s mo fm a g n e t i cc o u p l i n g w a sa d j u s t e d ，t h ec h a n g ec u r v eb e t w e e np o w e rl o s sa n dt i m ew a sd r a w n ，t h ec h a n g e c u r v eb e t w e e nt h eo u t p u tt o r q u ea n dt i m ew a sd r a w n ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nt h e m o t o ro u t p u tp o w e rw a sc o n s t a n t ，t h eg r e a t e rt h es l i pw a s ，t h el a r g e rt h ei n d u c t i o n c u r r e n to fc a g e ；t h em o r ef a rt h eo u t e rr o t o rw a sa w a yf r o mt h ei n n e rr o t o r ，t h es m a l l e r t h eo u t p u tt o r q u ea n dp o w e rl o s sv a l u ew e r e ，a d j u s t a b l eo u t p u ts p e e dw a sr e a c h e d a b a s i sf o rs u c hm a g n e t i cc o u p l i n gw a sp r o v i d e db yt h er e s u l t sf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c o a x i a la 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 ，m a g n e t i cf i e l d ，i n d u c e dc u r r e n t ， t o r q u e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 磁力联轴器概述1 1 1 1同步式磁力联轴器2 1 1 2 异步式磁力联轴器3 1 2 磁力联轴器的发展及研究状况6 1 3 可调速同轴式异步磁力联轴器研究的关键问题1 0 1 3 1 联轴器主体结构设计问题1 0 1 3 2 操纵机构的设计问题1 0 1 4 本文研究的目的和意义1 0 1 5 本课题研究的主要内容1 1 1 6 本章小结1 2 第二章可调速同轴异步磁力联轴器设计。 2 1 可调速同轴异步磁力联轴器结构1 3 2 1 1 结构简介1 3 2 1 2 操纵机构设计步骤1 4 2 2 可调速同轴异步磁力联轴器主体结构设计1 6 2 3 永磁材料的选择1 6 2 4 永磁体的设计1 7 2 4 1 永磁体形状选择1 7 2 4 2 永磁体几何尺寸设计1 8 2 4 3 永磁体最佳工作点确定。1 8 2 5 外磁轭厚度设计1 9 2 6 气隙长度的确定2 0 2 7 内转子的设计2 0 2 8 本章小结2 1 第三章可调速同轴式异步磁力联轴器磁路及电磁分析2 2 3 1 磁力联轴器的磁路构成2 2 3 2 永磁体的等效2 2 3 3 磁力联轴器外磁路的等效磁路分析2 3 3 3 1 磁力联轴器空载磁路分析2 3 3 3 2 磁力联轴器负载磁路分析2 3 v 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 3 3 3 漏磁系数设计2 4 3 4 可调速同轴异步磁力联轴器磁场分析2 5 3 5 磁力联轴器内转子鼠笼感应电流计算2 9 3 6 电磁转矩的电磁场数值计算3 1 3 7 本章小结3 2 第四章磁力联轴器的主体结构磁路优化设计。3 3 4 1 瞬态磁场理论分析3 4 4 2 瞬态磁场模拟分析3 4 4 3 影响负载气隙磁场因素分析3 6 4 3 1 永磁体磁极数3 6 4 3 2 永磁体厚度。3 7 4 3 3气隙长度3 7 4 3 4 内转子槽参数3 8 4 4 模拟结果与实验分析4 0 4 5 本章小结4 1 第五章可调速同轴式异步磁力联轴器三维有限元分析。4 2 5 1 磁力联轴器电磁场分析理论基础4 2 5 2 电磁场有限元分析的基本原理4 3 5 3 有限元分析软件a n s o f t 简介4 3 5 3 1 有限元分析软件a n s o f t 分析基本步骤4 4 5 4 磁力联轴器模型建立4 5 5 5 静态磁场分析4 5 5 6 瞬态性能分析4 7 5 6 1内外转子完全啮合时瞬态分析4 7 5 6 2 可操纵机构对磁力联轴器瞬态性能的分析5 3 5 7 本章小结5 6 第六章总结与展望5 7 6 1 本文工作总结5 7 6 2 本文工作展望5 8 参考文献6 0 致谢6 4 攻读硕士学位期间发表的论文及参与研究课题6 5 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 磁力驱动是应用永磁材料所产生的磁力作用，来实现力或转矩无接触传递的 一种新技术，实现这一技术的装置称为磁力驱动器，磁力联轴器就是其中一种。 其发展目的为了解决化工等一些行业在输送危险性介质而研制的，最大的特点在 没有机械接触的情况下，通过磁力联轴器中气隙磁场传递能量来实现无接触式传 动，将以往机械式传动的动密封转换为隔离套与机体的静密封，实现零泄漏。目 前使用的磁力联轴器大多为同步式结构，其主要特点就是通过内外转子上的永磁 体产生的磁力的相互作用来传递扭矩，缺点在于内转子上的永磁体受到高温易退 磁从而影响其工作性能。受电磁感应原理的影响，借鉴永磁电机设计原理，本文 提出一种新型可调速同轴式异步磁力联轴器，其设计主要由主体结构设计和操纵 机构设计两部分构成。主体结构设计主要特点是在内转子沿铁心圆周方向均匀开 多个深槽，在深槽内嵌入铜条，形成深槽鼠笼结构。铜条在外磁转子转动下处于 交变的磁场中产生感应电流，感应电流在磁场中受力驱动内转子转动，可以解决 了同步式磁力联轴器内转子上存在永磁体受高温易退磁的问题。磁力联轴器主动 轴上设计安装一操纵机构来调节主动轴上的外转子沿轴线往复运动，从而改变内 外转子之间气隙接触面积来改变输出扭矩和输出功率的大小，实现磁力联轴器的 可调速性。可调速同轴异步式磁力联轴器的主要优点在于：首先实现高温介质输 送；其次在恶劣工作条件能够实现电机软启动，提高传动机械效率。因此此类联 轴器可以用在化工，矿山开采等领域，拓展了磁力联轴器的应用范围以及研究领 域。 1 1 磁力联轴器概述 联轴器就是将不同部件的两根轴连接起来，以达到传递动力的目的，传统的 联轴器都为接触式，可分为刚性联轴器和弹性联轴器。磁力联轴器属于非接触式， 主要f l j # t - 磁转子、内磁转子、隔离套构成。外转子与驱动轴相连，内转子与从动 轴相连，通过气隙磁场来传递扭矩，实现非接触传动，主要特点在于把内转子与 被动件完全密封起来，将动密封变为静密封，基于此优点，磁力联轴器被广泛应 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 用在石油、化工、医药等行业，以减小污染与泄漏。磁力联轴器主要分两大类， 类似永磁电机原理【1 1 ，可以分为同步式和异步式两种。 1 1 1同步式磁力联轴器 同步式磁力联轴器的研究已经取得了很大的成果，其工作原理遵循磁的库仑 定律，即两个相隔一定距离的磁体，由于磁场感应效应，它们不需要任何传统机 械构件，通过磁体的耦合力，就能把功率从一个磁体传递到另外一个磁体，构成 一个非接触传递扭矩机构。工作时通过电机带动外部永磁体进行转动，同时耦合 驱动封闭在隔离套内的另一组永磁体及转子作同步旋转，从而无接触、无摩擦地 将外部动力传送到内部转子。研制出的产品机械效率达到8 0 9 0 。主要分为圆 筒式和平盘式两种。 1 圆筒式同步永磁联轴器 圆筒式同步永磁联轴器【2 】结构示意图如下1 1 所示，内外转子同轴地套在一 起，轴向对齐。外转子外壳是一只钢质圆筒，其内表面上沿周向布置着偶数块的 瓦型永磁体，n 、s 极相间。内转子也是一只钢质圆筒，其外表面上沿周向布置 与外转子上磁瓦数目相同的永磁磁瓦，n 、s 极相间。内外转子上的相邻磁瓦可 以相连，也可以留有间隔。 ( 1 ) 外转子( 2 ) 水磁体( 3 ) 内转子 图1 1 圆筒式同步永磁联轴器结构示意图 2 平盘式同步磁力联轴器 平盘式同步磁力联轴器【2 】结构如图1 2 所示，是一对构造完全相同的相面向 的永磁磁盘构成。每个磁盘都有一块钢质圆盘，其一侧的圆形表面上沿周向布置 有偶数块磁块，n 、s 极相问。相邻磁块排列可以相连，也可以有间隔。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 主动盘( 2 ) 永磁体( 3 ) 从动盘 图1 2 平盘式同步磁力联轴器结构示意图 1 1 2 异步式磁力联轴器 异步式磁力联轴器与同步式的区别在于内转子上没有永磁体分布，利用电磁 感应原理实现扭矩传递，解决了同步式磁力联轴器内转子上存在永磁体的问题， 这种新型耐高温磁力联轴器能够实现高温介质的输送。主要工作原理是外磁转子 转动形成交变磁场在内转子上产生感应电流，感应电流与永磁体产生的磁场相互 作用形成电磁转矩带动输出轴旋转。由于驱动轴与从动轴必须存在一个转速差才 能产生电磁感应现象，所以称其为异步式。异步式也分为圆筒式和平盘式两种。 1 圆筒式异步磁力联轴器 圆筒式异步磁力联轴器根据其内转子构造的不同主要分为以下几种t 1 1 实心转子异步磁力联轴器 实心转子异步磁力联轴器结构【3 】示意图如图1 3 所示，其内转子主要有实心 的圆柱铁心构成，内转子铁心在外转子旋转产生的交变磁场下形成感应电流，感 ( 1 ) 内转子实心铁心( 2 ) 隔离套( 3 ) 永磁体( 4 ) 外转子磁轭( 5 ) 气隙 图1 3 实心转子异步磁力联轴器 应电流呈涡流状分布，由于集肤效应，感应电流主要分布在内转子表面，感应电 3 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 流在磁场作用下产生洛仑磁力，从而驱动内转子转动。这种结构的联轴器主要结 构简单、耐高温、运行可靠，主要缺点输出扭矩低、功率损耗大导致磁力联轴器 效率低，其性能有待提高。 2 ) 双层实心转子异步磁力联轴器 双层实心转子异步磁力联轴器结构1 4 】示意图如图1 4 所示。同实心转子区别 在于在实心铁心上包裹一层厚度均匀的导体如铜、铝等，形成双圆柱体结构。其 工作原理与实心转子式相同，由于导体电导率大于铁，故能在铜层上形成较大的 感应电流，在同样结构模型尺寸下，双层实心异步磁力联轴器的输出扭矩比实心 转子异步式磁力联轴器大的多。 ( 1 ) 内转子铁心( 2 ) 隔离套( 3 ) 内转子铜环( 4 ) 外转子磁轭( 5 ) 永磁体( 6 ) 气隙 图1 4 双层实心转子异步磁力联轴器 3 ) 深槽鼠笼转子异步磁力联轴器 深槽鼠笼转子异步磁力联轴器结构【5 】示意图如图1 5 所示。深槽鼠笼结构主 ( 1 ) 内转子基体( 2 ) 隔离套( 3 ) 鼠笼铜条( 4 ) 外转子磁轭( 5 ) 永磁体 图1 5 深槽鼠笼转子异步磁力联轴器 要借鉴异步感应电机的设计原理设计而成，主要特点主动转子结构不变，内转子 沿周向均匀分布深槽，槽内放置鼠笼。深槽结构特点在负载运行时即转差率较大 4 江苏大学硕士学位论文 时，鼠笼铜条集肤效应明显，电流集中分布在铜条上部，内转子电阻较大，转子 漏抗减小，从而使得输出转矩有了很大提高。 2 平盘式异步磁力联轴器 平盘式异步磁力联轴器主要利用导体圆盘与永磁体磁钢盘的相对运动产生 涡流，涡流产生感应磁场与永磁体产生的磁场相互作用，从而实现扭矩的传递。 1 1 气隙固定平盘式异步磁力联轴器 气隙固定平盘式异步磁力联轴器其结构【6 】示意图如图1 6 所示。导体圆盘与 永磁体钢盘之间的距离保持不变，在泵、空气压缩机等的应用中，联轴器表现良 好的隔振效果，能够适应很难达到或保持对中性场合。电机转动过程中，铜盘转 子处于旋转的交变磁场中，在铜盘上产生感应电流，感应电流受到磁场作用从而 驱动轴转动，实现电机与负载之间的扭矩传递。其主要特点是运行成本低、允许 较大的径向偏离于轴向角度偏离、实行电机的软启动、能够有效地消除电机与负 载之间振动传递、电机峰值电流降低，实现电机过载保护。 ( 1 ) 主动轴( 2 ) 永磁体( 3 ) 从动轴( 4 ) 铜盘转子 图1 6 气隙固定平盘式异步磁力联轴斟6 】 劲调速平盘式异步磁力联轴器 调速平盘式异步磁力联轴器结构f 7 】示意图如图1 7 所示。主要由三部分构成， 一是与电机相连的永磁体钢盘。二是与负载相连的导磁铜盘，永磁体钢盘和导磁 铜盘之间有一定的空气气隙。三是控制装置，主要有手动控制和自动控制。通过 控制永磁体钢盘和导磁铜盘之间的空气气隙的大小来实现输出扭矩与输出转速 调节。电机输入到联轴器的扭矩与联轴器输入到负载的扭矩是相等的。通过实际 5 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 运行过程中负载扭矩的大小来调整电机的输出扭矩。负载要求扭矩小，电机输出 扭矩小，相应输出功率也小。由于该磁力联轴器应用电磁感应原理，所以其电机 输入速度和负载端的输出速度不一样，输出速度要小于输入速度，即存在转速差。 通过安装在输出轴上的传感器，如扭矩传感器、速度传感器传递的输出端的扭矩 和速度给控制器，控制器对信号进行识别和转换后，产生机械操作指令，来调节 主从转子之间的气隙大小，从而根据适时的负载输入扭矩的要求，不断调节电机 的输出功率的大小，实现电机的节能和提高电机的工作效率。 3 ( 1 ) 驱动电机( 2 ) 主动轴( 3 ) 永磁体钢盘( 4 ) 磁钢导磁铜盘( 5 ) 从动轴 图1 7 调速平盘式异步磁力联轴器【7 】 1 2 磁力联轴器的发展及研究状况 在国外对磁力联轴器研究起步较早，主要是应用在磁力泵中，1 9 4 0 年英国人 c h a r l e s 和g e o f f r e yh w w a r d 首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题，解决 的方法是用磁力驱动泵。英国h o w a r d 机械发展有限公司m m d ) 从1 9 4 6 年就致力 于无密封泵的制造，至今在全世界3 7 个国家已销售近7 万台，每年销售额达2 8 0 万英镑，a n s i m a g 公司生产的k 1 5 1 6 系列磁传动泵，自1 9 9 3 年投入运行( 每天操 作4 8 小时每年3 6 5 天) 至1 9 9 8 年还在运行。几年后前西德也研发成功，由b a y e r 化学公司使用【8 - 9 】。国外的磁力泵已经走向标准化、系列化、大型化【1 0 1 。 美国m a g n a d r i v e 公司生产的可调速平盘异步式磁力驱动装置实物图如图1 8 所示，且拥有此类磁力联轴器的专利技术，该项技术突破速度控制技术领域的瓶 颈，其优点主要能根据负载变化实现对输出速度控制，降低整个装置维护和经营 成本，提高动力系统的运行安全可靠性。最理想的运用场所是在泵、风机应用中， 发动机动力设备至输出轴之间传递扭矩没有刚性连接。能够减少振动延长密封轴 6 江苏大学硕士学位论文 承寿命。应用目前受益于使用m a g n a d r i v e 技术领域主要包括：泵、风机、离心 机、散装搬运设备。工业上包括：供水和水处理、纸浆和造纸制造、发电、石油 和天然气加工、水泥、矿业、化工和食品加工、灌溉、海事、h v a c 系统。 图1 8 可调速平盘异步式磁力驱动装置实物图1 1 2 】 目前为止美国m a g n a d r i v e 公司已经成功开发研制多种可调速式磁力联轴器， 国内吉林大学对此类磁力联轴器进行一定的研究【1 1 】，主要分为三种类型： 1 标准型磁力联轴器 标准型磁力联轴器的结构【1 2 】如图1 9 所示。其主从动盘之间的气隙是固定的， 主动轴端1 与带有铜转子2 的转动体连接由原动机驱动。输出轴3 与带有永磁体 的转子4 连接。主动轴选择，铜转子切割磁力线产生电磁感应原理驱动输出轴旋 转。此类联轴器的优点是降低运行低总成本、减小维护费用、扭矩传递时能够接 受主从动轴之间的对中较大偏差、消除电机振动、增加密封轴承的使用寿命、允 1 主动轴2 铜盘转子3 输出轴4 永磁体 图1 9 标准型磁力联轴器结构示意图0 2 】 许冲击加载、便于安装、可以实现电机的软启动。 2 延迟型磁力联轴器 7 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 延迟型磁力联轴器结构【1 2 j 如图1 1 0 所示。与标准型磁力联轴器相比在从动轴 端多了一个永磁刚盘，两个永磁盘之间通过一个调节装置相连，铜盘转子只能转 动，通过两个永磁盘相对靠近或远离来改变铜盘与永磁盘之间的间隙，可以实现 传递扭矩的不断变化。其主要工作原理为，电机启动时，主动轴上的铜盘转子瞬 间达到电机额定转速，永磁盘静止，这时铜盘转子与永磁盘相对转速差最大，铜 盘上感应电流值最大，感应电流产生的磁场与永磁体产生磁场相互作用，使得两 个永磁盘相对靠近，铜盘转子与永磁盘之间气隙变大，传递的扭矩较小，可以是 电机在较小的负载下启动，实现电机软启动。随着输出轴速度慢慢变大，铜盘转 子与永磁盘相对转速差慢慢变小，铜盘上感应电流值变小，永磁盘慢慢向铜盘靠 近，铜盘转子与永磁盘之间气隙变小，输出扭矩变大。当铜盘转子永磁盘与永磁 盘相对转速差达到稳定时，联轴器开始进入j 下常运转。此类联轴器的主要特点是 可以延迟负载与电机之间扭矩传递，根据负载变化自动调节铜盘转子与永磁盘之 间气隙变化，实现输出扭矩不断变化。当负载过大时，永磁盘与永磁盘产生排斥 而减小输出扭矩。从而能够满足恶劣条件下磁力联轴器和电机的正常工作。 1 主动轴2 永磁体3 从动轴4 铜盘 图1 1 0 延迟型磁力联轴器结构示意图【1 2 】 3 扭矩限制型磁力联轴器 扭矩限制型磁力联轴器结构【1 2 】如图1 1 1 所示。其结构与延迟型磁力联轴器类 似，主要特点是铜盘转子与永磁盘之间气隙变化的范围值更大，当负载过大时， 铜盘转子与永磁刚盘之间气隙值达到最大，输出的扭矩值几乎为零。具有过载下 完全分离的特性，实现过载时系统保护功能，电机停机后可自动复位。 8 江苏大学硕士学位论文 1 主动轴2 永磁体3 从动轴4 铜盘 图1 1 1 扭矩限制型磁力联轴器结构示意图【1 2 】 国内对磁力联轴器的研究起步较晚，在上世纪8 0 年代，国内开始致力于磁 力联轴器的研究工作，但近十年发展很快，从提出磁力传动的拉推磁路到现在， 以研制出十多种结构，上百种规格的磁力联轴器，尤其是磁性材料的提高为磁力 联轴器应用提供条件。我国最早开展磁力驱动泵研制的是甘肃省科学院磁性器件 研究所，已经先后成功地试制了稀土钴驱动器和磁力驱动泵的系列产品，其技术 水平在某些方面己达到国际先进水平，所生产的磁力驱动泵的功率达到1 8 5 k w 。 国内一些泵生产企业也在搞磁力驱动泵的试生产和工业应用。主要产品为小功率 泵，用于中小型化工等工业部门。江苏大学成功研制0 7 5 k w - 1 6 0 k w 同步磁力联 轴器，其性能方面的研究处于国内领先水平，并在磁力泵上得到成功应用。国内 外许多学者对磁力联轴器涡流计算【1 3 1 6 1 、磁转矩【1 7 - 2 5 】计算等方面做了深入研究， 并积累了大量的经验。形成多种磁转矩计算方法，如等效磁荷法、麦克斯维应力 法、静磁能理论转矩求解法、气隙数值法、转矩有限元计算法等。对磁力联轴器 的内部磁场进行深入分析研究，形成多种磁场计算方法【捌，为了输送高温液体， 磁力联轴器从已有的耦合磁极式同步磁力联轴器发展到现在的电磁感应式【弘3 1 】 磁力联轴器，进而发展到调速式的异步磁力联轴器【3 2 】。从上世纪9 0 年代开始， 一种连接电机和负载的高效率磁力联轴器处于开发和研究中【3 3 - 3 4 1 。其工作原理就 是利用导体圆盘与永磁体磁钢圆盘的相对运动产生涡流，涡流产生感应磁场与永 磁场相互作用来实现扭矩的传递。气隙固定的磁力联轴器得到了广泛的应用。近 几年，永磁磁力联轴器耦的开发工作着重于可调速式这一类型的研究【3 5 3 9 1 。 9 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能分析 1 3 可调速同轴式异步磁力联轴器研究的关键问题 可调速同轴异步式磁力联轴器主要有主体结构和操纵机构两部分构成，首先 进行主体结构的优化设计，使联轴器具有一组较优的结构参数，保证联轴器结构 紧凑，输出扭矩达到期望值。其次进行操纵机构设计，保证机构设计紧凑，机构 执行运动良好，操纵方便。 1 3 1 联轴器主体结构设计问题 运用电磁场理论知识对联轴器内部磁场、感应电流、电磁转矩进行分析，初 步确定联轴器各个结构参数值，包括永磁体形状、尺寸、外转子磁轭厚度、气隙 长度、内转子槽型槽数、内转子半径以及轴向长度。通过专业电磁场有限元分析 软件进行模拟分析确定磁力联轴器一组最优结构参数值。 1 3 2 操纵机构的设计问题 通过仿真分析得出磁力联轴器主体结构设计的最优方案，在此基础上主要研 究操纵机构的设计问题。要求操纵机构的运行平稳自如且易于控制。根据负载端 输出扭矩的变化精确的控制内外转子轴向相对位移量，从而根据适时的负载输出 扭矩的要求，不断调节电机的输出功率的大小，实现电机的节能和提高电机的工 作效率。 1 4 本文研究的目的和意义 联轴器广泛应用于机械传动系统中，在矿山、冶金、航空、兵器、水电、化 工、轻纺及交通运输部门，都起着重要的作用。但机械式联轴器是刚性联接、靠 机械力传递转矩，因而安装时的轴向偏移将产生恢复力和力矩，这些力和力矩增 加了邻近部件( 轴、轴承) 的载荷；径向和角向偏移将产生交变载荷而引起震动， 轻则降低联轴器寿命，重则影响到设备的j 下常运行，且主动轴与从动轴工作在需 要相互隔离的两种不同介质中式，必须使用密封元件进行密封，这样就存在要么 加大旋转阻力来保证密封可靠，要么密封不严产生泄漏。另外随着密封元件的磨 损、老化会加剧泄漏。尤其在有害的气体或液体存在的系统中发生泄漏会污染环 境，甚至危及生命。磁力联轴器就是在这种背景下应运而生的，它是一种非接触 性的联轴器，通过内外转子之间的起气隙磁场传递能量从而驱动从动轴转动。在 1 n 江苏大学硕士学位论文 机械传动系统中，实现无接触式传动，改变了以往机械式联轴器接触式传动方式。 本文提出了一种可调速同轴式异步磁力联轴器，内转子借鉴电机设计原理采用深 槽鼠笼结构。首先可以解决同步式磁力联轴器内转子存在永磁体受高温易退磁问 题。其次在主动轴上安装一个操纵机构，使外转子沿轴向往复运动，从而改变内 外转子之间气隙接触面积来改变输出扭矩的大小。由于电机在负载启动时，由于 电机的旋转磁场在瞬间即达到了同步转速，而转子转速则要带动负载从零逐渐加 速达到额定转速，在转子转速较低时，转子中会感应出一个较大的转子电流而使 电机迅速发热，严重时可能烧坏线圈。如何实现电机低负荷启动、满负荷运行即 软启动，成为拖动技术的重要研究课题。这套装置不仅可以实现电机的软启动， 有效的解决了电机负载启动时电机发热及失效问题，而且可以实现负载波动以及 不同负载下的高效率传动，拓展磁力联轴器的应用范围。 1 5 本课题研究的主要内容 本文对可调速同轴异步式磁力联轴器进行整体结构设计及磁场、内转子鼠笼 感应电流、输出扭矩及功率损耗进行分析，主要内容为： 1 ) 可调速同轴式异步磁力联轴器整体结构设计 可调速同轴式异步磁力联轴器整体结构设计分主体结构设计和操纵机构设 计两部分，首先对主体结构进行初步设计，包括内外转子的设计，外转子永磁体 材料选择、尺寸大小、工作点确定，以及永磁体放置，外磁轭厚度、内转子槽型 与槽数确定。其次进行操纵机构设计，操纵机构安装在联轴器主动轴端，可以调 节外转子轴向往复移动，内转子只能转动，不能移动。包括机构选型以及机构组 合方式。最后给出联轴器整体结构设计三维模型图、结构示意图以及操纵机构运 动简图。 2 ) 利用场化路法对可调速同轴式异步磁力联轴器的空载和负载情况下的等 效磁路进行分析。 3 ) 可调速同轴式异步磁力联轴器磁场、内转子鼠笼感应电流损耗、电磁转 矩理论分析。 可调速同轴式异步磁力联轴器瞬态条件下其磁场计算相当复杂，准确计算内 部不断变化的三维磁场十分困难，本文忽略了联轴器磁场端部效应，利用电磁场 可调速同轴异步磁力联轴器的设计及性能