论文部分内容阅读
永磁涡流耦合器是基于永磁驱动技术的一种机械动力传递装置,通过导体盘与永磁体盘之间的非刚性接触式相对运动,在导体盘上产生感应电流,感应电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩,实现源动机与负载之间软联接传动的机电能量转换。永磁涡流耦合器具有结构简单、维修方便、节能防爆、对中要求低、运行平稳、无接触连接、无环境污染、震动幅度小、使用寿命长的特点,非常适合应用于煤矿井下生产中要求防爆、环境恶劣的工况条件,具有良好的发展前景。目前,永磁涡流耦合器的核心技术仍然处于技术封锁状态,国内关于永磁涡流耦合器的相关研究也处于起步阶段,具有自主知识产权的矿用永磁涡流耦合器产品也极为缺乏。因此,开展永磁涡流耦合器关键技术的研究,不仅具有重要的学术价值,而且对提高国内永磁驱动技术以及推动我国煤炭行业安全高效生产都具有重要意义。在此背景下,结合当前国内外在矿用永磁涡流耦合器方面的研究现状,采用理论分析、有限元求解和试验测试相结合的方法对矿用永磁涡流耦合器的解析模型、电磁场、机械特性和温度场展开了系统深入的研究工作。具体体现在以下几个方面。矿用永磁涡流耦合器模型建立方法的研究。采用传统二维线性层理论建立的永磁涡流耦合器数学模型存在一定的不足和局限性,为建立一个能够准确描述结构参数与性能指标之间关系的数学模型,提出基于等效磁路法和能量法以及基于分离变量法的两种解析模型建立方法。将永磁体等效为磁动势,应用等效磁路法获取气隙磁密等相关电磁场量的表达式,运用法拉第电磁感应定律分析计算由磁通变化产生的涡电流,通过能量法建立传递转矩与涡流损耗的关系,进而推导出永磁涡流耦合器的第一种解析模型。另一种模型建立在合理简化永磁涡流耦合器物理模型的基础上,从Maxwell微分方程组出发,引入磁矢位函数描述给定边界的耦合器内部电磁场,将电磁场问题转化为求解泊松方程或拉普拉斯方程的边值问题。应用分离变量法把含磁矢位的偏微分方程分离为几个常微分方程求解得到一般解,并根据边界条件确定其中的待定常数,导出磁矢位函数的解析解。在此基础上推导出二维模型中涡流损耗和传递转矩的解析表达式,考虑二维模型向三维模型转换时存在的边缘效应影响,建立经Russell系数修正后的传递转矩解析模型。为验证上述建立的两种解析模型的正确性以及后续研究需要,搭建由机械传动系统、检测系统和控制系统组成的矿用40KW永磁涡流耦合器传动试验台,制定试验具体方案,模拟实际工况进行试验。将试验测试数据与解析模型计算结果进行比较,分析误差大小及产生原因,完成理论解析模型正确性的验证。结果表明,两种建模方法的简化和假设是合理的,建立的解析模型理论计算值均能较好地逼近试验曲线,并且误差在允许范围内,推导出的解析表达式能够清晰反映永磁涡流耦合器各个结构参数和性能指标之间的关系,证明其模型建立方法可作为永磁涡流耦合器理论研究和初始设计的有力工具。矿用永磁涡流耦合器的电磁场有限元分析。为直观了解永磁涡流耦合器的电磁场分布和变化规律,本文利用有限元方法的分析优势,应用有限元理论和Ansoft Maxwell有限元软件,进一步开展永磁涡流耦合器静瞬态电磁场的数值模拟研究。依据实际结构尺寸和材质属性,考虑背部轭铁磁性的非线性,建立了矿用40KW永磁涡流耦合器的三维有限元分析模型。在三维静态电磁场中,分析得到了永磁涡流耦合器的磁力线路径,证明了等效磁路法解析模型中主磁路和漏磁路分析的正确性,讨论了扇形永磁体下气隙磁场的磁通密度分布以及其轴向分量在铜盘表面处沿周向、径向的分布情况。指出静态场中气隙处磁通密度沿周向呈周期性分布,周向分量在磁体投影中心处取得最大值,在两磁体hm/2间距处取得最小值,周期为2π/p,径向分量则在磁体投影中心处取得最大值,气隙层的磁阻较大,到达铜盘处的磁通密度跟气隙的厚度负相关。在三维瞬态电磁场中,仿真分析气隙磁通密度的变化情况,得到铜盘感应涡电流的整体分布规律以及涡电流的大小位置和相对转速之间的对应关系,进一步讨论了涡电流分布沿周向、径向的分布情况。仿真结果表明,涡电流的区域数量与永磁体数量相等,相邻区域涡电流方向相反,每个涡电流中心区域电流较小,四周外沿处相邻两股电流汇集叠加,电流达到最大,涡电流除了自身旋转运动外,还会以转差ωs的速度跟随主动盘转动方向作同向运动,涡电流大小与转差正相关。通过对比磁通密度和涡电流的分布情况,发现涡电流较大的四周外沿处正是磁通密度变化最显著的地方,涡电流较小的中心区域是磁通密度变化最不明显的位置,这种现象与法拉第电磁感应定律所描述的规律一致。矿用永磁涡流耦合器的机械特性及影响因素研究。永磁涡流耦合器的机械特性表征了输出转速与传递转矩之间的对应关系。在试验测得的机械特性曲线基础上,基于传动系统稳定运行的充分必要条件,讨论了矿用永磁涡流耦合器与负载的匹配问题,确定了稳定工作区间。采用有限元仿真和试验研究相结合的方法,选取铜盘厚度、气隙长度、磁极数、永磁体厚度、径向长度和电导率作为影响因素,分析并验证其对矿用永磁涡流耦合器的涡流损耗、最大传递转矩、调速范围等机械特性指标的影响。影响因素的研究结果表明,磁极数(p≤12)、电导率、永磁体厚度和径向长度与传递转矩呈正相关比例关系,磁极数(p≥12)、铜盘厚度、气隙长度与传递转矩呈反比例关系,磁极对数的增加会缩小稳定运行时的可调速范围,电导率的减小则会使可调速范围变宽。基于气隙长度显著影响矿用永磁涡流耦合器机械特性的研究结论,阐述了通过改变气隙实现调速功能的原理,设计了一套由伺服电机控制蜗轮蜗杆、丝杠和轴套传递轴向滑移、齿轮齿条完成同步调整的、可在耦合器运行过程中控制气隙的调节机构。为解决传统阀门控制法造成的水泵工作效率低,动力能大量浪费的问题,分析了气隙可调式矿用永磁涡流耦合器应用在泵类负载转速控制上的可行性,探讨了所能达到的调速节能效果。开槽式导体盘结构的矿用永磁涡流耦合器研究。首先阐述了无槽导体盘中径向路径的涡电流对转矩传递起主要作用的事实,提出一种将导体盘开槽、开槽处填充轭铁的矿用永磁涡流耦合器结构,旨在进一步提高传动性能。然后采用分离变量法对开槽式导体盘结构的永磁涡流耦合器解析模型进行分析计算,求解得到气隙磁场、涡电流和传递转矩的解析表达式。将解析表达式计算结果与有限元仿真结果进行比较,其变化规律一致,吻合度较高,误差较小,验证了解析模型的有效性。接着通过与无槽时的分析结果相比,讨论了气隙磁场的磁感应强度、涡电流分布大小及机械特性的变化情况,结果表明轭铁凸台表面位置的磁感应强度明显增大,气隙和铜质辐条之间的磁场得到了加强,开槽后涡电流较多地集中在径向路径上流动,中心区域涡电流进一步减小,导体盘开槽、开槽处轭铁凸台填充的这种结构比无槽导体盘结构获得的传递转矩要大。最后进一步分析了开槽数量Q对最大传递转矩的影响以及辐条弧与槽间距之比β的最优值问题,其仿真结果指出在辐条总面积不变的情况下,开槽数量的增加会使永磁涡流耦合器传递更大的转矩,此外,输出转速不变,辐条弧与槽间距之比β=0.77时,传递转矩达到极大值,β<0.77时传递转矩随β单调递增,β>0.77时传递转矩随β单调递减。矿用永磁涡流耦合器的温度场研究。永磁涡流耦合器运行过程中必然发生的涡流损耗,会引起耦合器部件的温度升高,极易导致永磁体的磁化性能降低、材料机械强度减弱、结构件热变形以及增加制造成本。以传热学理论为基础,忽略热辐射,描述了矿用永磁涡流耦合器各部件之间以及部件与空气之间的热能传递方式,在ANSYS Workbench有限元分析软件中建立了永磁涡流耦合器的温度场物理模型,确定了各个边界条件。根据热流密度的定义将铜盘涡流损耗作为热源,引入有效导热系数描述了气隙中空气的热交换能力,运用萘升华技术和热质比拟原理实验测定了旋转圆盘端面的对流换热特性,采用流体相似理论确定了旋转圆盘内外圆周的表面散热系数。仿真分析得到正常工况下永磁涡流耦合器的温度场分布情况,指出永磁体盘温度分布是不均匀的,磁体中心的温度较高,盘外径边缘温度较低。讨论了有限元模型下的气隙长度、铜盘厚度以及永磁体厚度的变化对永磁体温升的影响,分析了与实验所测数据之间的误差原因,以Br的温度系数为系数对仿真结果进行修正,修正后的仿真结果与实测数据有很好的一致性。通过仿真分析得知,过载工况下的永磁涡流耦合器温升很快,经过约45s钕铁硼永磁体的温度达到居里温度,背部轭铁在60s时温度达到了96.4℃。关于温度场的研究表明,在保证满足传动性能要求的前提下,矿用永磁涡流耦合器的设计需要考虑温升因素带来的不利影响。