（机械电子工程专业论文）盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 盘式异步磁力联轴器是基于电磁感应原理研制的新型磁力传动装置，除具有 传统磁力联轴器减振、无接触传递功率和转矩等特性外，还可实现电机软启动、 过载保护及在线调节负载转速转矩功能，已出现逐渐取代变频调速器的趋势。盘 式异步磁力联轴器的大转矩和高功率输出是其发展的必然趋势，但是在高速高功 率的场合中联轴器存在大量的功率损耗，这些损耗一方面降低了传递效率，另一 方面转化为热量使得整个装置的温度升高，影响永磁体的性能，从而降低或破坏 联轴器的传递性能。本文在对三维气隙磁场分析的基础上，利用有限元模拟和试 验方法对盘式异步磁力联轴器的转矩和温升两大特性进行了系统研究。主要研究 工作及成果如下： 1 根据等效面电流法理论，建立了气隙磁场的三维数学模型，推导出了气 隙处任意场点的磁感应强度计算公式，并利用m a t l a b 编程定量得出了磁感应 强度沿轴向、径向及周向三个方向的空间分布，之后利用三维磁场测量装置进行 三维静态磁场测量，所得结果与理论计算值具有很好地一致性。同时采用有限元 模拟和试验测量研究了联轴器真实运行工况下的三维瞬态气隙磁场，并重点探讨 了气隙厚度与转差率对轴向磁密的影响。 2 基于麦克斯韦方程组及多层理论建立了联轴器铜损的二维数学模型，并 通过分离变量法和m a t l a b 软件推导出了铜损的解析表达式。利用m a x w e l l 软件分析了铜盘上的感应电流密度、电流走向、集肤效应及功率损耗，并探讨了 不同工作参数对铜盘上感应电流密度和铜损的影响，为联轴器的三维温升计算奠 定基础。 3 根据经验公式计算出联轴器各部件的散热系数和导热系数后，利用 a n s y s 软件模拟特定工况下的稳态温升，得出了联轴器整体及各部件的三维温 度分布，并探讨了永磁体上最高温度与工作转速及工作负载的关系。在同样的工 况下通过红外线测温仪进行联轴器的温升试验，试验结果与仿真结果比较吻合， 两者都表明永磁体上温度在工作温度允许范围内，可以正常安全地工作。 4 以层理论模型为指导，得出了盘式异步磁力联轴器的转矩计算公式。采 用了有限元模拟的方法分析了不同工作参数对转矩特性的影响。考虑到结构参数 盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究 间交叉作用对转矩的影响，本文建立了以减少材料成本和提高转矩性能为双目标 的数学优化模型，并利用遗传算法求解得出了结构参数的最佳组合，使联轴器成 本降低了1 6 9 8 的同时转矩提高了1 2 8 2 ，达到较高的转矩密度。 5 试验研究了联轴器的传动特性，包括转矩特性及效率两方面。试验结果 表明，工作负载及工作转速的增大，转矩值都会增大；气隙厚度增加时转矩下降； 工作负载增加时效率出现了先上升后下降的趋势，并且在转差率为3 时，效率 达到了最大值9 5 7 ；当转差率为6 不变时，输入功率增大时，效率值始终保 持在9 4 左右，验证了转差率和效率相加之和为1 的规律；当输出转矩为 2 5 6 2 n m 一4 8 n m 时，效率始终保持在9 5 左右，对应的转差率范围为2 。6 ， 表明此类联轴器在一定负载工况下能够保持高效运行。 关键词：盘式异步磁力联轴器，三维气隙磁场，三维磁场测量，感应电流分布， 铜损，温升，转矩，优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a x i a la s y n c h r o n o u sp e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n g ( a a p m c ) i san e wt y p eo fm a g n e t i c t r a n s m i s s i o nd e v i c eb ye l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np r i n c i p l e i tc a nb eu s e dt os o l v et h ev i b r a t i o n p r o b l e m , t r a n s m i s s i o np o w e ra n dt o r q u ei nac o n t a c t l e s sm a n n e rs i m i l a rt ot r a d i t i o n a lm a g n e t i c c o u p l i n g s b e s i d e s ，i t c a l l r e a l i z es o f ts t a r t , o v e r l o a d p r o t e c t i o no f m o t o r sa n da d j u s t t ot h el o a ds p e e da n dt o r q u eo n l i n e ，w i t ht h e s es p e c i a lf e a t u r e sa a p m cw i l lr e p l a c et h ev a r i a b l e f r e q u e n c yc o n v e r t e r sg r a d u a l l yi nt h ef u t u r e t h eh i g ho u t p u tt o r q u ea n dp o w e ra g et h ei n e v i t a b l e d e v e l o p m e n tt r e n do fa a p m c b u tt h e r ei sm u c hp o w e rl o s si nt h ei i i g h s p e e do rl l i g h p o w e r s i t u a t i o n s t h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fa a p m cd e c r e a s e sb e c a u s eo ft h ep o w e rl o s sc a u s e d b yt h ei n d u c e dc u r r e n ti nt h ec o p p e rd i s c ，a n dt h ep r o p e r t yo fm a g n e t si nt h ed r i v i n gd i s cw i l lb e a f f e c t e db yt h et r a n s f e r r e dh e a tf r o mt h ep o w e rl o s s b a s e do nt h ea n a l y s i so f3 d a i r g a pm a g n e t i c f i e l d ，t w om a j o rc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gt o r q u ea n dt e m p e r a t u r er i s eo fa a p m ca r es t u d i e db y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lm e t h o d m a j o rr e s e a r c hw o r k sa n d a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao fa i r g a pm a g n e t i cf i e l db a s e do i lt h e3 dm o d e lo fa a p m cw a s d e d u c e db ye q u i v a l e n ts u r f a c ec u r r e n tm o d e l ，a n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf l u x d e n s i t ya l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o n , r a d i a ld i r e c t i o na n dc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o nw a so b t a i n e db y m a t l a b p r o g r a m m i n g t h es t a t i cm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t sw e r et e s t e db y3 dg a u s sm e t e r , a n dt h er e s u l t so ft e s ta n do fc a l c u l a t i o na g r e e df a i r l yc l o s e l y m e a n w h i l e ，3 dt r a n s i e n tm a g n e t i c f i e l dw a sr e s e a r c h e dt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ti n t h er e a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h ea x i a lm a g n e t i cf l u x d e n s i t ye f f e c t e db ya l r g a pt h i c k n e s s a n d s l i pw a sd i s c u s s e dc h i e f l y 2 b a s e do nt h es i m u l t a n e o u se q u a t i o n so fm a x w e l la n dt h em u l t i l a y e r e dt h e o r y , 2 d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o p p e rl o s sw a gb u i l t , a n dt h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao fc o p p e rl o s sw a g d e r i v e db ys e p a r a t i o no fv a r i a b l e sa n dm a t i a bs o f t w a r e t h ei n d u c e dc u r r e n td e n s i t y , i n d u c e d c u r r e n tf l o w , s k i ne f f e c ta n dp o w e rl o s si nt h ec o p p e rd i s co fa a p m cw e r ea n a l y z e db y m a x w e l lt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o p p e rl o s sa n dw o r k i n gp a r a m e t e r sw a g a n a l y z e d ，w h i c h l a i dt h ef o u n d a t i o nf o r3 dt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s 3 t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dh e a tc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n to fe v e r yp a r to fa a p m c w e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ee m p i r i cf o r m u l a s ，t h es t e a d ys t a t eo ft e m p e r a t u r er i s ei na s p e c i f i c w o r k i n gc o n d i t i o nw a sa n a l y z e db ya n s y s ，a n dt h e3 dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nu n i t ya n d p a r t sw e r eo b t a i n e d t h ec h a n g e so ft h em a x i m a lt e m p e r a t u r eo nt h ep e r m a n e n tm a g n e te f f e c t e d b yt h ew o r k i n gs p e e da n dt h ew o r k i n gl o a dw e r ed i s c u s s e d t h et e m p e r a t u r er i s ee x p e r i m e n to f a a p m cw a sm e a s u r e db yt h ei n f r a r e dt h e r m o m e t e ri nt h es a m ew o r k i n gc o n d i t i o n t e s t r e s u l t sa g ec o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，b e t ho ft h e ms h o wt h a tt h et e m p e r a t u r eo nt h e s u r f a c eo fp e r m a n e n tm a g n e t si si nt h ea l l o w a b l et e m p e r a t u r er a n g ea n dt h ew h o l ed e v i c ec a l l i i i 盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究 0 p e r a t es a f e l y 4 r e f e r r i n gt o t h el a y e r e dt h e o r y , t h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao ft o r q u ew a so b t a i n e d t h e i n f l u e n c eo fw o r k i n gp a r a m e t e r so nt o r q u ew a ss t u d i e db yf i n i t ec l e m e n tm o d e f i n ga n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n c o n s i d e r i n g t h em u t u a li n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h et o r q u e ， t h em a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e l ，a i m i n ga tr e d u c i n gm a t e r i a lc o s ta n di m p r o v i n gt o r q u e p e r f o r m a n c e ，w a sb u i l t a d d i t i o n a l l y , b a s e do nt h eb e s tg r o u po fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw h i c hw a s w o r k e do u tw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m , t h ec o s tw a sc u tb y1 6 9 8 ，a n dt h et o r q u ei n c r e a s e db y 1 2 8 2 t oh i g h e rt o r q u ed e n s i t y 5 t 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 so fa a p m ci n c l u d i n gt o r q u ec h a r a c t e r i s t i c sa n de f f i c i e n c y w e r es t u d i e dw i t he x p e r i m e n t s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h et o r q u ei n c r e a s e sw h e nt h ew o r k i n g l o a da n di n p u ts p e e di n c r e a s er e s p e e f i v e l y ，t h et o r q u ed e c r e a s e sw h i l et h ea i r g a pt h i c k n e s s i n c r e a s e s ；t h et r e n do ft r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e ss l i g h t l ya f t e ra l li n c r e a s ea st h ew o r k i n g l o a di n c r e a s e s ，a n dt h ee f f i c i e n c yc a nr e a c ht h em a x i m u mv a l u e9 5 7 w h e nt h es a pi s3 ；t h e e f f i c i e n c yv a l u ei sk e p ta b o u t9 4 w i t ht h ei n c r e a s eo fi n p u tp o w e rw h e nt h es u pi s6 ，w h i c h c a l lv e r i f yt h el a wo ft h es u m m a t i o no fs l i pa n de f f i c i e n c yi sc o n s t a n t1 ；t h ee f f i c i e n c yv a l u ei s k e p ta b o u t9 5 a n dt h es h pi sb e t w e e n2 t o6 w h e nt h et o r q u ei sb e t w e e n2 5 6 2 n ma n d 4 8 n m t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta a p m cc o u l dh a v ee x c e f i e n tt 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 d l l i g he f f i c i e n c yi nt h eh e a v yl o a dw o r k i n gc o n d i t i o n k e yw o r d s ：a x i a la s y n c h r o n o u sp e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n g ( a a p m c ) ，3 da i r g a p m a g n e t i cf i e l d ，3 dm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t , i n d u c e dc u r r e n td i s t r i b u t i o n , c o p p e rl o s s ，t e m p e r a t u r er i s e ，t o r q u e ，o p t i m i z a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 。1 研究背景与意义 第一章绪论 联轴器是机械传动系统中常用部件，主要用于联接轴与轴( 或其他回转零 件) ，使其共同旋转并传递扭矩和运动的机械装置。传统联轴器均为接触式联轴 器，根据对各种相对位移有无补偿能力，可分为刚性联轴器与挠性联轴器。刚性 联轴器要求被联接的两轴中线严格对中，最多只允许少量的位移和偏斜【1 】，否则 在运行过程中会产生装配应力，使设备产生振动，并发出很大的噪音。有弹性元 件的挠性联轴器内装有弹性元件，虽然具有缓冲和减振功能，但弹性元件强度和 承载能力较低，寿命短，拆卸不方便【。实际工作中随着联轴器两端轴的轴向偏 移量增加、相对转角增大，扭转变形增大而产生附加轴向载荷，从而轻则使轴、 轴承等零件负载加大而降低寿命，重则使设备受到振动冲击、磨损，影响工作性 能乃至系统瘫痪。 随着科学技术的不断发展，联轴器已广泛应用于机械加工、交通运输、航空 航天、船舶制造等领域，不同的应用场合对联轴器提出的性能要求也越来越高。 一些场合下若采用传统联轴器去输送危险性介质( 剧毒、强腐蚀、易燃易爆等介 质) ，则易出现介质泄露问题；尤其在高真空、高压、高温、高速运动、强腐蚀 等苛刻工况下，危险介质的泄漏问题往往更严重，易引发工程事故【】。为解决 泄漏问题，对密封技术提出了要求，其中难度最大的是动密封技术。目前已有的 动密封装置都存在一定程度的泄漏和磨损，泄漏会导致环境污染和资源浪费，甚 至危及生命安全【2 】：磨损给密封材料提出更高的要求，密封件的维修也变得更加 频繁。因而，为满足环保、节能、安全和健康等方面的要求，研究一种新的密封 ( 尤其动密封) 的方法和装置显得尤为重要。 另一方面，电机在规定的交流电源供电时，能较好地满足各项性能指标。当 电源电压低于额定电压时，电动机的定子电流和转子电流都将比正常时大【4 】。尤 其在重载启动和频繁启动的使用场合下，电源电压过低，会引起起动转矩迅速下 降，导致起动时间延长，严重时甚至不能启动而烧坏电机定子绕组【4 】。在生产中， 当负载过大、设备发生卡死现象时，若电机保护器失灵，也经常会造成电机的烧 毁。因而对电机的拖动技术和过载保护技术的研究也已成为工业生产运用中的重 盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究 要研究方向。 随着磁力驱动技术研究的不断深入和新型高性能磁性材料的不断涌现，磁力 联轴器采用磁驱动技术与机械传动机构相结合的形式，已经成为了一种新型的传 动机构【5 1 。磁力联轴器能够较好的解决上述问题，较理想地满足传动要求。磁力 联轴器的突出特点有【6 】：( 1 ) 可避免振动传递，实现转矩的平稳传递，可靠性高； ( 2 ) 从动件受到的负载突然增加超载时，主从动件之间发生滑脱，从而有效地保 护电机；( 3 ) 以静密封代替动密封，实现动力的零泄漏传递，安全生产，节能环 保；( 4 ) 机械磨损少，传动效率高，安装维修方便、使用寿命长。所以磁力联轴 器必将具有广阔的发展前景及广泛的应用前景。 磁力联轴器按其结构形式分为筒式磁力联轴器和盘式磁力联轴器。本课题主 要针对一种速度可调式的盘式异步磁力联轴器，此联轴器是一个创新性的概念， 无论在设计思想还是结构工艺等方面，都具有特殊性，符合当代联轴器发展的潮 流，但其进一步发展应用也面临着许多挑战。提高磁力联轴器的转矩和效率是未 来联轴器发展的必然趋势。与传统联轴器相比，盘式异步磁力联轴器是采用钕铁 硼永磁材料作为励磁源，若单一的提高永磁材料的用量和增大磁力联轴器的体 积，固然可使联轴器的传递转矩和效率均有极大提高。然而钕铁硼价格相对高昂， 使得磁力联轴器的制造成本也较高。故需缩小磁力联轴器体积，尽量采用较少的 永磁材料的同时也可传递较大的转矩，提高单位体积内传递的转矩值( 即转矩密 度) ，对其优化与研发具有重要的意义。 但在提高转矩密度的同时必须要保证磁力联轴器的寿命和运行可靠性。当盘 式异步磁力联轴器运转工作时，主从动盘之间存在速度差，进而在从动转子盘表 面就会产生环形的感应电流。感应电流一方面产生感应磁场与永磁体磁场相互作 用传递转矩；另一方面感应电流也导致了电流损耗，会以热量的形式释放，造成 一定的功率损失，使传动效率降低；同时由于主从动盘之间的空气间隙狭小，致 使整个联轴器的工作环境温度升高，然而永磁材料的工作温度过高会出现不可逆 的退磁现象，影响磁力联轴器的寿命和运行可靠性。因此，有必要分析盘式异步 磁力联轴器的功率损耗及温度场分布规律，使此类联轴器在高速、大功率、大转 矩的场合下能正常工作成为可能，同时对磁力联轴器的性能优化和改善散热装置 等提供了指导意义。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 盘式磁力联轴器的分类与应用 1 2 1 盘式磁力联轴器的概述 磁力联轴器以电磁学理论为基础，通过永磁材料产生的磁力作用将运动传递 到与工作轴相连接的从动轴上，从而达到动力传递的目的。目前国内外对磁力联 轴器的分类有很多形式，按结构不同、充磁形式不同，分为两大类：筒式( 径向 式嫩力联轴器和盘式( 轴向式) 磁力联轴器。其中根据工作原理不同，又可将盘式 磁力联轴器主要分为盘式同步磁力联轴器和盘式异步磁力联轴器，本文主要针对 盘式异步磁力联轴器，对其进行研究探讨。 盘式同步磁力联轴器沁i a ls y n c h r o n o u sp e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n g ，简称 a s p m c ) 是指主、从动盘上均为磁转子，而且充磁方向均为轴向，耦合磁极成轴 向配置的磁力联轴器，通过磁极同性相斥、异性相吸的原理工作的，具体结构形 式如图1 1 所示。 永磁体 永磁体导电体 轭铁 图1 1 盘式同步磁力联轴器结构示意图 轭铁 图1 2 盘式异步磁力联轴器结构示意图 f i 9 1 1s t r u c t u r eo fa s p m cf i 9 1 2s t r u c t u r eo fa a p m c 盘式异步磁力联轴器( a x i a la s y n c h r o n o u sp e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n g ，简称 a a p m c ，下同) ，也称涡流耦合驱动器，主动盘为磁转子且充磁方向为轴向，从 动盘上为电导率不等于零的导电体，通过电磁感应原理实现电机与负载之间的动 力无接触传递，具体结构如图1 2 所示。 比较盘式磁力联轴器的两种结构形式，可得出两者有如下的区别：( 1 ) 结构 形式不同；( 2 ) i 作原理不同；( 3 ) 传递最大转矩不同：盘式同步磁力联轴器传递 的扭矩大小与圆盘面积有关，受圆盘尺寸的限制，经常用在某些微型隔离传动方 面，传递扭矩一般都在1 0 n i n 以下；盘式异步磁力联轴器由于有变速装置的存 3 盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究 在，传递的最大扭矩可达剑6 0 0 0 n m 左右【7 1 。( 4 ) 应用场合彳i i n ：盘式同步磁力 联轴器：i ：作时安装有隔离套，故而比较适合密封要求高的场合，但刁i 适合于输送 高温介质的场合，盘式异步磁力联轴器从动盘上无永磁材料，可输送温度较高的 介质，但主从动盘不同步，故只能应用于转速要求不严格的传动中。 1 2 2 盘式异步磁力联轴器的类型及应用 与其它磁力联轴器相比，盘式异步磁力联轴器的出现相对较晚。上世纪9 0 年代中期，为解决旋转负载系统的对中、软启动、减震等问题，美国一些学者首 次提出盘式异步磁力联轴器并对其性能进行了研究。此后几年内，对此种联轴器 的研究不断进行并在工业上得到了广泛的应用。根据不同的方式对主从动盘之间 的气隙进行控制，可将盘式异步磁力联轴器分为几种类型吼标准型、延迟型、 限矩型及调速型。本文主要针对调速型的盘式异步磁力联轴器进行研究。 调速型盘式异步磁力联轴器一般由三个部分组成n 具体结构如图1 3 所示， 一是和电机连接的铜盘转子，二是与负载连接的永磁转子，这两个盘之间有一定 的气隙，三是一个调速装置，调速装置有手动控制和信号控制两种。通过控制器 调节气隙的大小，实现不同转矩的输出，实现负载输出速度的可调性。 4 冒 1 水磁体转子2 导体转子3 气隙4 轮毂5 驱动手柄 图1 3 调速型磁力联轴器结构示意图1 7 1 f i 9 1 3s t r u c t u r eo fs p e e d - a d j u s t a b l ep e r m a n e n t m a g n e tc o u p l i n g s 调速型联轴器主要具有以下的技术优势：允许较大的轴校准误差；无线变速 运行，高效节能，降低总体运行成本：无需外接电源，可在潮湿、易燃等恶劣环 境下工作；无需控制阀等复杂的控制设备，对各种负载可以实现精确控制与调节； 实现电机软启动停止，可减小电机与负载之间振动传递。另外与变频器相比， 江苏大学硕士学位论文 变频器在低电压场合下可能无法工作；在低速工况下可能降低散热风扇的效率， 造成电机过热；并且工作过程中易受到电机的谐波干扰，从而影响工作效率。而 盘式异步磁力联轴器则能解决上述问题，其适用场合更加广泛，未来有可能完全 替代变频调速器。基于以上优点，近几年研究与应用的重点集中于调速型盘式异 步磁力联轴器，相信其有更加广泛的应用领域和更加美好的发展前景。 在国外，1 9 9 9 年美国m a g n a d f i v e 公司【7 】对盘式异步磁力联轴器实现了革命 性地突破，实现了对风机水泵旋转负载进行调速，并增加了电机过载保护的功能， 联轴器传递的功率和效率也大大提高，开辟了更为广泛的应用领域【8 1 。目前在美 国m a g n a d f i v e 公司的产品已大量应用于钢铁冶金、石化、石油和天然气开采、 矿山和煤炭开采、发电热电、造纸和纸浆、船舶制造业、污水处理等行业。 国内对盘式异步磁力联轴器的研究资料少有报道，从上世纪9 0 年代开始江 苏大学的蒋生发教授、杨超君教授等对磁力传动装置的发展进行了探索，并先后 成功研制出了0 7 5 k w 1 6 0 k w 的同步磁力联轴器，并在磁力泵上得到了应用【9 1 1 】； 而后为解决高温及密封场合，研制出了耐高温双层实心转子异步磁力联轴器【1 2 , 1 3 】 和耐高温鼠笼转子异步磁力联轴器【1 6 】；近些年为实现电机的软启动、过载保护 及负载端在线调速等功能，并考虑到设计成本和运行效率，在耐高温鼠笼转子异 步磁力联轴器研究的基础上，自主研发出了一种调速式盘式异步磁力联轴器【1 刀， 创新性地将从动转子结构由单一的圆盘结构变为深槽结构，极大地提高了运行转 矩和效率。可见，上述研究与前述美国m a g n a d f i v e 公司提出的涡流式永磁磁力 联轴器有明显的异曲同工之处。2 0 0 7 年吉林大掣1 8 】对盘式永磁磁力耦合器做了 一定的跟踪研究，2 0 1 0 年东南大学【1 9 】一些学者对永磁涡流联轴器的输出功率和 转矩进行了理论和仿真研究。 图1 4 盘式异步磁力联轴器应用实例图 2 1 1 f i 9 1 4a na p p l i c a t i o ne x a m p l eo f a a p m c 盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究 在盘式异步磁力联轴器的产品应用方面，国内至今只有为数不多的几个企业 引进了m a g n a d r i v e 公司的专利产品，其巾中达电通作为美国m a g n a d r i v e 公司在 中国的独家代理商，目前已将盘式异步磁力联轴器成功运用到某些企q b t 2 0 , 2 1 】。 如图1 4 所示的浙江嘉兴电厂的应用实例，为同类型泵与风机的调速驱动提供了 成功范例，既保证和改善了工艺，又达到节能降耗的目的和效果。 还有其它大型企业集团如山东海化热电厂，包头东华电厂，南京华能电厂， 燕i jj 石化，鞍钢东鞍山烧结j1 等也逐渐开始引进和应用此类联轴器，并且收到了 良好的效果。国内此产品主要用于各种不同类型的负载，如水泵、风机、物料运 输机、斗式提升机、球磨机、卷扬机、破碎机、搅拌机等机械设备【2 2 1 。 1 3 盘式异步磁力联轴器国内外研究现状 1 3 1 国外研究状况 七世纪9 0 年代中期，为解决传统联轴器对中性差、转矩密度小、应用场合 受限等问题，1 9 9 4 年t h o m a sw n e h l 等人提出涡流连接器【2 3 】，即为盘式异步磁 力联轴器的最初模型，由。个永磁转子和一个导体转子组成，两者轴向有一定的 空气间隙，具体结构如图1 5 所示。 。一 m a g n e tm o t i o n 图1 5 盘式异步磁力联轴器的最初模型 f i 9 1 5o r i g i n a lm o d e lo f a a p m c 文中利用二维有限元和试验分析的方法研究了涡流连接器，并给出了麦克斯 韦应力张量法和涡流损耗法的转矩计算公式【2 3 】。1 9 9 5 年美国俄勒冈州立大学 a w a l l a c e 教授等人首次研究并提出了高效高能的永磁联轴器，并实现电机软启 动、过载保护等功能，为现代盘式异步磁力联轴器的研究奠定了基础。文中针对 单盘结构和双盘结构分别进行了试验研究，并且随两盘中心间有一定的径向偏移 江苏大学硕士学位论文 量时的情况也进行了试验l 矧，结果表明该类联轴器有较好的隔振效果、能允许两 轴心一定范围内的对中性偏移量及扭转角、传递效率高等特点。 1 9 9 7 年b r u n ol e q u e s n e 等人发表了一篇名为带有永磁体和实心导体转子的 涡流驱动装置，在涡流连接器的研究基础上，更为深入地讨论了实心导体转子的 材料和结构尺寸、磁极对数、永磁体厚度等因素对转矩特性的影响【2 5 1 。1 9 9 9 年 a c s m i t h 等人提出一种磁力驱动联轴器，新颖性地提出了适合于盘式异步磁力 联轴器转矩及轴向力计算的层理论方法，并研究了滑差率与转矩、轴向力之间的 关系【2 6 加。同年j e a n f r e d e f i cc h a r p e n t i e r 等人改变了筒式异步磁力联轴器的传统 结构，将内外转子的结构改为分散的矩形块结构，非圆柱结构，并对其分别进行 径向、周向和混合方向充磁，研究其转矩特性，之后利用非线性优化算法得出了 转矩最大、体积最小的结构优化参数f 捌。 2 0 0 0 年至2 0 0 2 年a w m l a c e 等人提出了一种调速型永磁涡流联轴器，如图 1 6 所示，先后发表4 篇论文，将盘式异步磁力联轴器的发展向前迈了一大步【2 9 。3 2 l 。 文中将调速型永磁涡流联轴器与变频驱动器通过在水泵、风机叶片上的应用试 验，如图1 7 所示。对两者的性能进行了比较，结果表明调速型永磁涡流联轴器 优于变频驱动器：能节省6 0 的能源；无振动传递；不会产生谐波分量干扰电机 的运行；不需提供额外的工作空间，安装调试方便等。他们同时还研究了调速型 永磁涡流联轴器的动态特性，给出了气隙、滑差率、速度对输出转矩的影响。2 0 0 2 年w i l l i a md c h v m a 等人从应用的角度( 如安装成本、能源消耗、维护成本等) 将 调速型磁力联轴器与变频驱动器、能量回馈驱动器等装置进行了试验比较【3 3 1 。 图1 6 调速型永磁涡流联轴器结构图【刈图1 7 试验装置图 m l f i 9 1 6s t m c t l l r eo fs p e e d a d j u s t a b l ee d d yc u r r e n tc o u p l i n g sn 9 1 7e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s 盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究 2 0 0 5 年h o o s h a n gg h o l i z a d 等人提出利用等效电路方法，即通过磁路和标量 磁位法精确地分析金属导体中的动涡流，而后通过二维有限元模拟验证了该方法 的正确性，为运动导体的动态涡流分析提供了指导【蚓。2 0 0 6 年h a m i d e hkr a z a v i 等人提出了轴向磁通涡流联轴器的新型结构，主动盘的结构变为圆柱状的永磁块 嵌于铝导体转子内部，同时为分析转矩和轴向力等电磁场特性，针对该结构进行 了数学模型的建立，之后进行了二维有限元的模拟和试验研究【3 5 l 。2 0 0 8 年 h y u n r o kc h a 等人采用径向充磁、平行充磁、h a l b a c h 充磁、水平充磁的充磁方 式对圆筒形异步磁力联轴器的磁场特性、转矩速度特性分别进行了二维有限元 模拟计算，结果表明平行充磁方式可获得更佳的性能效果【3 6 1 。 2 0 0 9 年f a b r i z i om a d g n e t t i 等人分析了一种轴向磁通同步永磁装置的温度特 性，该装置的铁芯部位采用软磁复合材料。本文利用温度与流体的动态耦合的方 法进行二维有限元模拟分析，获得了整个模型的温度分布情况，并通过试验验证 了仿真数据，该研究方法为盘式异步磁力联轴器的温度特性分析提供了指导【3 7 1 。 2 0 1 0 年j a l e x a n d r o v a 等人对永磁同步电机在高速运转时永磁转子上的涡流损耗 进行了理论和仿真模拟的分析，为盘式异步磁力联轴器的涡流损耗的研究提供了 基础【3 8 1 。2 0 1 0 年j o a q u i m 等人分别利用集中参数系统法和有限元法给出涡流联 轴器的轴向力和转矩公式，并且两种方法得出的结果具有很好的吻合度【3 9 】。 1 3 2 国内研究状况 在国内，虽然磁力联轴器研究已有数年，但是对盘式异步磁力联轴器的研究 资料很少，很分散，更谈不上对此类联轴器的研究状况进行系统分类。即使国内 目前已有一部分企业已应用此产品，其产品大都为美国进口，市场所占份额很小， 加之企业用户对它缺乏认识，造成国内目前的研究水平仍然处于理论研究和模型 试验研究阶段，相关的研究论文和专利很有限，相关的研发处于起步阶段。 通过查阅相关文献可了解到，江苏大学许士芬( 香港) 研究所蒋生发、杨超 君等于1 9 9 7 年前后根据鼠笼式异步电机工作原理，通过反求设计方法创新性提 出了非接触式永磁感应磁力传动机理1 4 0 , 4 1 】，并先后成功研制出了同轴式永磁感应 异步磁力传动装置系列：实心转子异步磁力联轴器、耐高温双层实心转子异步磁 力联轴器及耐高温鼠笼转子异步磁力联轴器等，其相关研究成果分别于2 0 0 4 年、 8 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 6 年申请了相关专利，并已获授权【1 1 , 1 2 , 1 4 1 ，同时也进行了不同的样机试制和试 验性能分析。近些年在耐高温鼠笼转子异步磁力联轴器研究的基础上，自主研发 出了一种调速式盘式异步磁力联轴器，其从动转子结构采用了深槽结构，极大地 提高了输出转矩和效率，同时可实现电机软启动、过载保护及负载端在线调速等 功能。 2 0 0 7 到2 0 1 1 年江苏大学杨超君教授等先后提出了一种具有新型结构的可调 速式磁感应联轴器【1 刀、远程自动控制可调速式盘式磁力联轴器【4 2 】及一种楔形圆 盘可调速磁力联轴器【4 3 1 ，并申请了发明专利，前两种联轴器的从动盘导体皆采用 深槽齿形结构，但调速方式不同，第三种联轴器的从动盘结构和调速装置皆发生 了改变，使转矩转速的控制变得更为精确方便。2 0 1 1 年江苏大学杨超君教授等 人对可调速异步盘式磁力联轴器结构与主磁路特点进行了分析，其后利用三维瞬 态有限元模拟分析，获得了该磁力联轴器的磁场分布、电流分布情况、轴向力和 转矩等参数随时间变化的曲线m 。 2 0 0 7 年吉林大学张宏刚等人对永磁磁力耦合器进行一些跟踪研究，对耦合 器的涡流进行理论计算和二维有限元模拟分析，之后又利用有限元法对一块永磁 体上8 个节点的温度进行了理论计算，最后借鉴层理论模型给出了轴向力和转矩 的计算公式【1 8 1 。同年中石化金陵分公司与南京艾凌节能技术公司将永磁调速器用 在电厂灰浆泵系统中，并将应用效果与高压变频器做了比较，结果发现节电率达 3 0 8 6 ，振动降低6 0 - - - 8 5 ，起到了良好的节能环保效果1 2 2 1 。2 0 0 9 年中石化 天津分公司将永磁调速器用于鼓风机上，并对其节能原理和节能效率进行了相关 数据的统计，结果表明安装永磁调速器后每年可节约电能9 0 9 万k w h ，节省电 费4 6 3 万元【4 5 1 。2 0 1 0 年东南大学李桃等人发表了一篇关于永磁涡流联轴器的论 文，文中应用三维有限元分析法对输出功率和转矩进行理论和仿真研究，并分析 了永磁体占空比、永磁体厚度和铜盘厚度等尺寸参数对输出功率的影响，得到了 永磁涡流联轴器的初步优化方案【1 9 】。目前国内也有少量企业如南京艾凌节能技术 有限公司、青岛华辰杰磁力驱动科技有限公司等在引进国外产品的同时，进行了 一些此类产品的专利申请工作。 综合国内外对盘式异步磁力联轴器的研究，国内外一些学者经过多年来坚持 不懈的努力，已取得了一些研究成果，但现今盘式异步磁力联轴器仍主要存在以 9 盘式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场性能研究 下问题：永磁材料的开发；结构设计与磁路优化；联轴器产品的温度分析及传递 性能的试验分析等。总的来说，盘式异步磁力联轴器从产生到现在，由于其自身 的特点及和经济实用性，越来越被人们所重视。在国内推