大气隙外笼型转子磁力耦合器设计及性能研究

采用Halbach单侧聚磁特性,设计出了一种大气隙外笼型转子磁力耦合器(Long Air Gap External-cage Rotor Magnetic Coupler,LAEMC),并分析了其运行特性、调速特性及散热特性,推导出LAEMC电磁转矩解析表达式,据此分析了结构参数对电磁转矩的影响,得出了不同磁化比的Halbach结构对LAEMC电磁转矩的影响规律;根据LAEMC的运行特性,分析了其在离心式负载、恒功率负载及恒转矩负载的调速特性,表明其仅适合离心式负载调速并具有良好的节能效果;在离心式负载转差率为33%处的最大功率损耗点对LAEMC进行热仿真计算,得到永磁体工作温度约为60℃,而通过气隙与之相隔的笼条温度约为360℃,两者温度差达300℃以上,表明所提出的大气隙外笼型转子磁力耦合器———LAEMC在离心式负载上既具有良好的运行特性也具有良好的隔热效果。

开槽盘式磁力耦合器电磁转矩理论分析

对于开槽盘式磁力耦合器输出转矩的求解,提出了一种能够考虑磁路中各支路差异性以及相互作用的等效磁路法。导体转子采用的开槽形式,使得磁路中永磁体对应的气隙、导体和齿槽组成的支路并不相同,各支路的具体形式和内外转子相对位置有关;所提方法考虑各永磁体块所对应不同支路对电磁转矩的影响,并把整个磁路作为一个整体进行求解,考虑了各支路间的相互作用,提高了开槽盘式磁力耦合器输出转矩的计算精度。最后,利用所提方法对磁力耦合器不同滑差率、不同极弧系数和不同开槽比下的输出转矩进行了预测,并通过三维有限元分析和实验进行理论验证。经验证,所提方法能够满足工程应用的准确性要求。

温度影响下的开槽盘式磁力耦合器调速特性

针对温度影响下盘式磁力耦合器调速问题,以一台6对极16槽的开槽盘式磁力耦合器为研究对象,基于矢量磁位法,结合修正三维端部效应的卡特系数并考虑温度对永磁体剩磁的影响,依据磁力耦合器轴向介质不同与导体盘轭铁和铜导体交替排列的结构,推导出其整体的电磁转矩公式。再分别建立恒转矩负载、二次方率负载和恒功率负载工况下的调速关系解析模型。通过有限元模拟分析,确定了不同温度、不同气隙下的开槽盘式磁力耦合器在3种不同负载工况下的调速范围与调速特性。最后,搭建试验平台进行调速性能试验,将不同负载工况下磁力耦合器电磁转矩与输出转速的理论、仿真、实验值三者进行对比,结果表明理论模型有较高的准确性,为开槽型磁力耦合器在调速系统中的智能调控提供了理论依据。

盘式实心磁力耦合器气隙磁场分布及转矩分析

针对一台9对极盘式实心磁力耦合器,为研究其气隙磁场分布及转矩,引入层理论模型,将磁力耦合器划分为非导电区域和导电区域两部分,推导二维标量磁位法,求解非导电区域的标量磁位和导电区域的磁场强度,同时引入卡特系数进行校正,推导出盘式实心磁力耦合器的气隙磁密和输出转矩公式;然后,通过有限元软件模拟得到磁力耦合器的三维气隙磁场分布、涡流分布和输出转矩,并分析了不同工作参数对输出转矩的影响;最后,搭建三维气隙磁场测量试验平台和传动试验平台进行三维气隙磁场和转矩的试验,所得试验结果与理论计算结果、仿真结果基本吻合。结果表明,推导的气隙磁密和输出转矩公式具有较高的准确性,为进一步研究盘式实心磁力耦合器的传动特性提供参考。

变面积式磁力耦合器结构设计与转矩分析

针对传统盘式永磁磁力耦合器调速的弊端,设计了一种变面积调速的磁力耦合器。详细分析了其工作方式与调速原理,并介绍了设计思路。为研究此种新型磁力耦合器的可行性,采用有限元分析与试验验证相结合的方法。首先,建立三维有限元物理模型,采用3D有限元分析法对其进行静态磁场与瞬态场分析,得到了其耦合面积与输出转矩的仿真关系曲线。最后,通过制造样机与搭建试验平台进行了试验验证。结果表明样机的试验数据与仿真分析数据具有很好的吻合性,最大相对误差仅为3.52%,验证了该调速方式的可行性与先进性,增加了调速方式的种类与调速范围,为大功率变面积式磁力耦合器的研制提供了参考。

外笼型转子磁力耦合器散热翅片研究与设计

针对外笼型转子磁力耦合器调速状态产生热功耗从而产生较大的温升问题,在其外转子外部加装散热翅片以达到减小温升的目的。磁力耦合器工作时转速较大,对传统直翅片翅根底部强度要求较高,结合磁力耦合器工作原理提出了一种斜翅片,以增大轴向空气的流量,提高散热效率。分别从材料、倾斜角度及翅片间隔等方面进行研究设计,结果表明,在确定加工尺寸的前提下,散热面积相同时,斜翅片所需加工材料较直翅片少,最佳散热效率的翅片角度为60°且永磁体温度降低约12.75℃;通过改变翅片间距(即改变总散热面积),得出最佳翅片间距为6 mm,散热能力较其他间距提升约10%。理论计算值与仿真值对比相差约为6.34%,符合设计预期。

开槽盘式磁力耦合器径向不对中时传动性能分析

为了研究开槽盘式磁力耦合器径向不对中时的传动性能,以等效磁荷理论为基础,将运动中切割磁力线产生磁场的铜导体涡流区域等效成永磁体,结合库伦定律,建立开槽盘式磁力耦合器径向不对中时的输出转矩计算模型;通过有限元软件对开槽盘式磁力耦合器径向不对中时的磁感应强度、铜层功率损耗、输出转矩进行有限元分析,确定了耦合器径向不对中量所允许的最大值。研究结果表明,随着径向不对中量的增大,磁力耦合器工作过程中的感应磁场减小,从而引起耦合器最大磁感应强度增大,铜层功率损耗以及输出转矩逐渐减小;同时,二者随时间变化的曲线波动也越来越显著,当径向不对中量不超过6 mm时,开槽盘式磁力耦合器工作过程中依然能够保证较为准确地输出转矩,其转矩波动也相对稳定。

外笼型转子磁力耦合器温度场分析

针对现有笼型转子散热条件差,永磁体易退磁等缺点,提出一种外笼型转子磁力耦合器(OSRMC)。基于OSRMC组成结构及运行原理,给出其热分析模型及损耗原理,并依此论证了OSRMC在转差为33.3%时,其所产生的热功耗最大(为4/27倍的额定功率)。基于传热学原理,给出了OSRMC两种主要的热量交换方式及导热微分方程,并基于集群解析法与区域剖分法得到了OSRMC的有限元法仿真结果。结果表明:OSRMC的主要换热方式为热对流,其主要温升位于笼条与永磁体的耦合处并沿轴向逐渐降低;集群解析法与区域剖分法计算精度相当,但区域剖分法计算速度较快,网格划分难度较大。

大启动转矩调速型磁力耦合器特性分析

为有效提高调速型磁力耦合器的启动能力,对磁力耦合器的最大启动转矩提升问题进行研究,分析了调速型磁力耦合器的磁路结构,研究了增强气隙磁场的方法;使用三维有限元软件对比解析铜盘开聚磁槽对磁力耦合器启动转矩的影响,并探讨由聚磁槽导致气隙磁场不均匀分布所产生的齿槽转矩;采用不同方法对齿槽转矩进行抑制,分析齿槽数、齿槽形状、齿槽宽度对磁力耦合器运行特性的影响规律。研究结果表明:聚磁槽可有效提高调速型磁力耦合器的启动能力;级槽数之间的最小公倍数对齿槽转矩抑制有明显效果,同时斜槽可在提高磁力耦合器启动转矩的同时维持其额定性能;齿宽则需要综合考虑实际需求后进行选取。

涡轮发电机用磁力耦合器设计

本文以涡轮发电机用磁力耦合器为研究对象,对其进行了设计研究。首先,在磁力耦合器结构基础上,建立了等效计算模型,分析了磁力耦合器的矩角特性。然后,在综合考虑转矩及涡流损耗的条件下,对磁力耦合器的最佳极数、最佳极弧系数进行了选择。在综合考虑涡流损耗及结构强度的条件下,对磁力耦合器隔离套厚度进行了优选。最后,通过试验对计算进行了验证。研究结果可为磁力耦合器设计及性能改进提供参考。

笼型异步磁力耦合器机械特性与试验

为有效解决目前机械传动系统中选用电机时功率裕度过大而普遍存在的能源利用效率较低问题,提出一种基于三相异步电机鼠笼转子的异步磁力耦合器(squirrel cage asynchronous magnetic coupler,SCAMC)。结合SCAMC具体结构特点,采用标量磁位法及二维场边界条件,建立气隙磁场数理模型;在气隙磁通密度中引入时间变量,推导出感生电流随时间变化的表达式;基于电流叠加性,将笼条电流折算到转子表面,并沿圆周方向对感生电流所形成的洛伦兹力进行积分,建立了SCAMC的电磁转矩模型。基于上述理论及技术基础,设计并制造出一台37 k W SCAMC样机,并对其机械特性进行理论计算、仿真验证及试验测试。结果表明:转差率相同时,所得的仿真及试验数据与理论计算值相比,误差不超过5%;SCAMC与同容量的三相异步电机相比,线性工作区更宽,过载能力更强,但其机械特性偏软,可有效缓解负载对电机的冲击。该研究可为磁力耦合器在大惯量、难启动及经常性过载机械设备中的应用提供参考。

可调速型盘式磁力耦合器永磁体温度场研究

针对大功率可调速型盘式磁力耦合器运行时,永磁体温度过高且易失效的问题,采用磁路法对导体转子的涡流损耗进行了理论推导,利用有限元软件对大功率高负载工况下的磁力耦合器永磁体稳态温度场进行了研究。研究结果表明,随着转差增大,磁力耦合器中的永磁体温度呈现出逐步增大的趋势;随着磁力耦合器气隙距离的减小,永磁体的最高温度逐步升高;当磁力耦合器的转差在180r/min以下,气隙不小于18mm时,其永磁体温度将保持在55℃以下,永磁体的最大磁能积和剩磁几乎不受影响,可保证磁力耦合器正常高效工作;当磁力耦合器处于大功率高负载工作状态下,气隙距离对永磁体的温度状态影响显著,当转差为180r/min,气隙小于15mm时,永磁体温度将急剧上升,当气隙减小至3mm时,永磁体的实际最高温度将达到180℃以上,剩磁相比于室温下降接近20%,最大磁能积下降约45%。该研究成果对大功率磁力耦合器温度场研究具有一定的参考意义。

40kW矿用永磁磁力耦合器的结构设计及特性测试

以煤矿井下常用的40 kW刮板输送机为对象,设计了适合煤矿生产的40 kW矿用永磁磁力耦合器,并对其机械特性、软启动特性、效率特性、温升特性进行了测试分析,得出了永磁耦合器是一种高效的动力传递设备,完全具备恒转矩负载驱动能力,且具有明显的过载保护性能和软启动特性。

连续波钻井液脉冲发生器用磁力耦合器设计

为了解决工作在井下高温高压等恶劣环境下转子与定子之间的旋转动密封问题,设计了磁力耦合机构,通过磁场的相互作用来传递动力。内磁钢与轴组成转子,外磁钢与外磁钢套组成定子,转子和定子由隔离套隔离,实现密封,定子、转子通过磁力耦合来传递转矩。通过数值分析来确定耦合器的相关参数,用有限元法计算出不同极对数情况下的转矩特性,并将仿真结果与试验曲线对比,验证了设计的耦合器是合理的,技术指标符合要求,用磁力耦合机构替代动密封,可以简化传动系统。

轴向磁通调速磁力耦合器漏磁系数分析计算与试验研究

针对有限元法求解漏磁系数不易把握、模型的建立和处理耗时等问题,应用区域划分法对磁力耦合器的漏磁导进行计算,进而克服了磁力耦合器漏磁系数难以估计所带来计算结果偏差大的问题。在分析了轴向磁通调速型永磁磁力耦合器结构的基础上,对磁力耦合器的主磁路径及漏磁路径进行划分;采用磁路法全面考虑了磁力耦合器内部三种不同漏磁路径;对磁力耦合器样机漏磁系数及电磁性能进行了计算;采用有限元方法进行了仿真分析,并设计制造了一台样机,最后搭建试验台进行了试验。仿真结果和试验结果都验证了解析计算方法的正确性和可行性,为后期该类产品的设计提供了参考。

复合式磁力耦合器的设计与试验研究

为有效解决硬岩掘进机启动冲击振动较大和经常性过载工作的问题,提出一种基于柔性传动技术的复合式磁力耦合器。根据新型复合式磁力耦合器的结构特点,应用化"场"为"路"的方法,建立了气隙磁场的计算公式;基于电流叠加性,将电流折算到铜导体表面,并沿圆周方向对感生电动势进行积分,建立了空间磁场的电磁扭矩模型。为了验证理论分析的正确性,设计并制造了一台1∶2样机,对其机械性能进行了仿真分析及试验测试。结果表明:当转差率相同时,理论值、仿真值及试验值三者之间的差距小于10%;在同等体积条件下,相较于普通双盘式磁力耦合器,复合式磁力耦合器传递的扭矩增大了30.7%;与配备相同容量异步电机的硬岩掘进机相比,配备复合式磁力耦合器的硬岩掘进机的线性工作区域较宽,机械特性较软,因此过载保护能力更强。此项研究也可为承受大启动冲击和经常性过载的机械设备的设计和应用提供参考。

永磁式异步磁力耦合器漏磁系数计算

针对磁路法、有限元法及磁力线闭合回路法计算永磁式异步磁力耦合器(Permanent Magnetic AsynchronousCoupling,PMAC)漏磁系数的各种缺陷,将积分法与区域划分法相结合,对PMAC进行漏磁系数分析与计算。按PMAC永磁体的漏磁通路径对其进行几何图形划分与归纳,并按几何图形所形成的积分路径建立漏磁导数理模型,保证了漏磁系数计算的完整性及通用性。所提出的方法适于计算机编程,可对PMAC的励磁系统进行结构参数分析与优化。

双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究

为了在双盘式磁力耦合器设计阶段分析振动噪声特性,优化双盘式磁力耦合器设计,提出了一种利用模态叠加原理来分析其振动噪声的方法。双盘式磁力耦合器具有高转矩密度与高效率等优势,因此逐渐发展成为煤矿机械柔性传动装置。由于双盘式磁力耦合内部的转子磁场非正弦分布以及涡电流谐波等因素影响,双盘式磁力耦合器输出转矩中不可避免的存在波动。若根据计算得出的双盘式磁力耦合器的电磁振动噪声特点,在设计时选取振动噪声小的参数进行优化组合,可在实际中降低其电磁振动及噪声,有利于减少制造成本。本文结合双盘式磁力耦合器的结构特征,提出了一种模态叠加响应法计算电磁振动噪声,建立了其电磁径向力的解析模型,并在多物理场耦合作用下分析主要电磁径向力波在工作频率内的谐波响应,最后在额定功率为55 kW双盘式磁力耦合器实验台上进行试验验证。基于麦克斯韦张量法,建立了双盘式磁力耦合器的径向电磁力解析模型,并得出0阶与10阶电磁径向力波是产生振动噪声的最主要原因;利用多物理场耦合分析法进行谐波响应NVH特性分析,结果显示0阶力波的振动加速度与形变量均大于10阶力波的振动加速度与形变量,因此双盘式磁力耦合器的电磁振动主要来源于0阶力波;在额定功率为55 kW,最高转速为1 500 r/min的双盘式磁力耦合器实验台进行振动测试,试验结果显示在1 500 r/min时,试验得出的最大振动峰值及频率约为35 m/s^2和4 950 Hz,与有限元仿真结果的误差对应为6.3%和1.1%;而当变频电机的输入转速依次增大时,振动加速度的理论值、仿真值与试验值的曲线形态较为接近,误差较小;噪声估计值与实测值的最大误差仅为8.9%,基本验证了本文所提出模态叠加法的正确性。

笼型切向式磁力耦合器永磁体尺寸折算及机械特性验证

针对笼型切向式磁力耦合器设计中永磁体宽度与其充磁长度的比值过大,使永磁体径向及轴向磁性能的不均匀度和制造难度增加等缺点,基于磁能积恒定原理,提出永磁体宽度与其充磁方向尺寸的折算方法。以齿槽因数最小为目标,确定笼型切向式磁力耦合器的永磁体磁极对数。利用Maxwell二维场分析理论及其边界条件,结合Ansoft仿真环境对永磁体尺寸折算前后的磁密云图进行对比分析,并通过仿真得到机械特性曲线,验证该方法的有效性及可靠性。通过进一步分析笼型切向式磁力耦合器的电流曲线及瞬时电流云图,证明了其与电励磁异步电动机运行机理一致。

盘式实心异步磁力耦合器的机械特性与调速特性

机械特性与调速特性是调速型磁力耦合器的两项重要特性,通过对这两项特性的深入研究可以使得耦合器更好地实现调速功能。以盘式实心异步磁力耦合器为研究对象,建立其传动转矩的计算公式,从而推导出恒转矩负载与变转矩负载下的调速关系计算模型,并对转矩与调速关系进行了离散化求解。运用有限元法进行了磁力耦合器两种工作特性的模拟分析,获得了机械特性曲线与调速特性曲线,确定了该耦合器在恒转矩、变转矩两种负载下调速的最佳气隙区间;并试验测试了恒转矩负载与变转矩负载下的调速关系,从而验证了理论计算与模拟分析的正确性。