開(kāi)槽導(dǎo)體盤式礦用永磁耦合器的研究

點(diǎn)擊量：2862   日期：2019-03-12

    摘要

    礦用永磁耦合器的銅導(dǎo)體盤結(jié)構(gòu)通常是無(wú)槽的,從無(wú)槽導(dǎo)體盤中徑向路徑的渦電流對(duì)轉(zhuǎn)矩傳遞起主導(dǎo)作用的事實(shí)出發(fā),文章提出一種將導(dǎo)體盤開(kāi)槽、開(kāi)槽處填充軛鐵的新型耦合器結(jié)構(gòu),旨在進(jìn)一步提高傳動(dòng)性能。在原有40kW永磁耦合器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將導(dǎo)體盤結(jié)構(gòu)做開(kāi)槽處理,通過(guò)AnsoftMaxwell建模并仿真,發(fā)現(xiàn)軛鐵位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增大,氣隙之間的磁場(chǎng)得到了加強(qiáng)。進(jìn)一步針對(duì)不同的開(kāi)槽角度、開(kāi)槽數(shù)量、槽長(zhǎng)度來(lái)得到相應(yīng)條件下的磁通密度、渦流分布、渦流損耗密度圖,得出槽尺寸大小與傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,最終得出導(dǎo)體盤開(kāi)槽、并在開(kāi)槽處填充軛鐵的結(jié)構(gòu)比無(wú)槽導(dǎo)體盤結(jié)構(gòu)獲得的傳遞轉(zhuǎn)矩較大。

    關(guān)鍵詞：開(kāi)槽導(dǎo)體盤;電磁場(chǎng)分析;槽尺寸;機(jī)械特性;

    礦用永磁耦合器，以永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)導(dǎo)體和永磁體之間或者是兩對(duì)永磁體之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸聯(lián)接的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而完成了主、從動(dòng)件間力及轉(zhuǎn)矩的傳遞。在傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等各方面都有著良好的優(yōu)越性，更加適合煤礦井下的惡劣生產(chǎn)環(huán)境，銅盤是渦流產(chǎn)生的主要場(chǎng)所，因而銅盤結(jié)構(gòu)的變化也是影響永磁耦合器傳動(dòng)性能的重要因素。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于永磁耦合器的研究很多，但是對(duì)導(dǎo)體盤結(jié)構(gòu)的研究非常少，也沒(méi)有對(duì)槽的結(jié)構(gòu)尺寸:如開(kāi)槽角度大小、槽數(shù)、槽長(zhǎng)度做進(jìn)一步的研究。因此，對(duì)開(kāi)槽導(dǎo)體盤式結(jié)構(gòu)的礦用永磁耦合器的研究具有重要的理論和實(shí)際工程意義。

    永磁耦合器的工作原理
    主動(dòng)盤與從動(dòng)盤是永磁耦合器結(jié)構(gòu)中最為重要的組成原件，工作時(shí)這兩個(gè)盤子并不需要直接接觸。它可以利用磁場(chǎng)穿過(guò)磁路工作氣隙進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞，并可以通過(guò)主、從動(dòng)體之間氣隙的調(diào)整控制傳遞轉(zhuǎn)矩和負(fù)載速度［3－5］。

工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)連接主動(dòng)盤(銅盤)，從動(dòng)盤(永磁體盤)與負(fù)載軸相連接。啟動(dòng)電機(jī)后，主動(dòng)盤隨電機(jī)而運(yùn)動(dòng)，與從動(dòng)盤存在一個(gè)轉(zhuǎn)差，銅盤便切割永磁體而在主動(dòng)盤上產(chǎn)生渦流，進(jìn)而帶動(dòng)從動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)盤處在不斷交替變化的磁場(chǎng)中，轉(zhuǎn)差越來(lái)越小，最后保持一個(gè)穩(wěn)定的值，根據(jù)楞次定律，主動(dòng)盤上產(chǎn)生的渦流也會(huì)產(chǎn)生新的感應(yīng)磁場(chǎng)，與磁盤上嵌套著的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，不斷使得磁盤沿著與主動(dòng)盤相同的方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。

    開(kāi)槽導(dǎo)體盤結(jié)構(gòu)的提出
    通常情況下，永磁耦合器的主動(dòng)盤多選擇電導(dǎo)率較高的銅盤，本文選擇將銅盤開(kāi)槽，并在開(kāi)槽位置加相應(yīng)的軛鐵與槽結(jié)構(gòu)相嵌套的方法，對(duì)銅盤結(jié)構(gòu)加以設(shè)計(jì)，從動(dòng)盤(磁盤)也是由開(kāi)槽鋁盤及鑲嵌在槽中的永磁體塊組成，該耦合器的全部磁路由永磁體作為磁源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，本文是在原有40kW結(jié)構(gòu)下，對(duì)導(dǎo)體盤展開(kāi)研究，所研究的永磁耦合器的材料屬性和結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

    對(duì)于銅盤上所開(kāi)的槽，其結(jié)構(gòu)與永磁體塊相同，均為扇形塊狀結(jié)構(gòu)，具體將從槽長(zhǎng)度、開(kāi)槽角度(扇形角度)、槽個(gè)數(shù)三個(gè)因素對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響而展開(kāi)研究。
永磁耦合器的電磁場(chǎng)分析目前應(yīng)用非常廣泛的有限元分析軟件是ANSYS，其功能特別強(qiáng)大，在電、磁、熱、結(jié)構(gòu)、流體及聲學(xué)方面都有巨大的應(yīng)用價(jià)值，適用于各個(gè)物理場(chǎng)。其中AnsoftMaxwell模塊，是對(duì)模型進(jìn)行電磁場(chǎng)分析的重要軟件，根據(jù)實(shí)際得到的物理模型。
    研究開(kāi)槽結(jié)構(gòu)變化對(duì)磁場(chǎng)分析參數(shù)的影響，從而得到各種數(shù)量圖和矢量圖。取主動(dòng)盤6mm厚度，開(kāi)槽銅盤的氣隙大小為4mm，永磁體個(gè)數(shù)取10個(gè)，永磁體厚度為35mm，轉(zhuǎn)差為50r/min為例，對(duì)比開(kāi)槽結(jié)構(gòu)、未開(kāi)槽結(jié)構(gòu)下的電磁性能。

    3.1未開(kāi)槽銅盤結(jié)構(gòu)在AnsoftMaxwell中對(duì)未開(kāi)槽銅盤電磁性能展開(kāi)研究，得到未開(kāi)槽銅盤結(jié)構(gòu)下的磁通密度、渦流密度、渦流損耗如圖3所示。對(duì)比開(kāi)槽銅盤結(jié)構(gòu)下相應(yīng)參數(shù)的變化，得出槽結(jié)構(gòu)對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。開(kāi)槽銅盤結(jié)構(gòu)下的磁通密度、渦流密度、渦流損耗密度。

    3.2開(kāi)槽銅盤結(jié)構(gòu)對(duì)比開(kāi)槽與否參數(shù)下的磁場(chǎng)性質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn):銅盤上位于各磁極兩端的投影位置所形成的渦流密度最強(qiáng)，渦電流的中心位置在相鄰的兩個(gè)永磁體塊磁極的中部，主動(dòng)盤上的渦電流既可以沿自身軸線旋轉(zhuǎn)形成回路，也可以和銅盤結(jié)構(gòu)整體一起隨主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng);未開(kāi)槽銅盤結(jié)構(gòu)渦電流密度最大為4.21×107A/m2，開(kāi)槽銅盤結(jié)構(gòu)渦電流密度最大為6.84×107A/m2，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開(kāi)槽加軛鐵的結(jié)構(gòu)可獲得較大的渦流密度。

    結(jié)論
    本文基于電磁學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)理論、材料技術(shù)、磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，并參照煤礦井下安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，及傳動(dòng)系統(tǒng)工況要求，在原有40KW礦用永磁耦合器基礎(chǔ)上，提出一種將導(dǎo)體盤開(kāi)槽、開(kāi)槽處填充軛鐵的新型耦合器結(jié)構(gòu)，對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)的礦用永磁耦合器的解析模型、電磁場(chǎng)和機(jī)械特性展開(kāi)系統(tǒng)深入的研究工作，得出如下結(jié)論:
    1)在銅盤開(kāi)槽處填充軛鐵結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使得軛鐵所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增大，氣隙和銅質(zhì)輻條間的磁場(chǎng)得到了加強(qiáng)，開(kāi)槽后的渦電流較多地集中在徑向路徑流動(dòng)，中心區(qū)域的渦電流進(jìn)一步減小，傳遞轉(zhuǎn)矩得到提高。
    2)其他條件相同時(shí)，銅盤開(kāi)槽角度在0°～9°時(shí)，每改變1°得到一個(gè)轉(zhuǎn)矩變化值，隨著開(kāi)槽角度的增大，傳遞的轉(zhuǎn)矩呈線性變化，在2°時(shí)得到最大轉(zhuǎn)矩;在1°～2°之間，每改變0.1°得到一個(gè)轉(zhuǎn)矩值，可以發(fā)現(xiàn)在1.4°時(shí)有最大轉(zhuǎn)矩，說(shuō)明在該模型下開(kāi)槽角度取1.4°×20=28°為最佳角度。

    3)其他條件不變，保持28°的開(kāi)槽角度，改變槽數(shù)和每個(gè)槽的開(kāi)槽角度，發(fā)現(xiàn)隨著槽數(shù)增多，轉(zhuǎn)矩反而變小;仍保持28°的開(kāi)槽角度，改變所開(kāi)槽的長(zhǎng)度，可以發(fā)現(xiàn)隨著槽長(zhǎng)度的改變，轉(zhuǎn)矩成線性變化，而且在85mm時(shí)，可以得到最大轉(zhuǎn)矩。

    本文所研究的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)中，開(kāi)槽處所填充的軛鐵磁導(dǎo)率較高，引起氣隙磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分布發(fā)生變化，磁力線從永磁體出發(fā)，經(jīng)過(guò)氣隙，大部分的磁力線由軛鐵進(jìn)入外鋼盤構(gòu)成閉合主磁路，使導(dǎo)體盤和氣隙間的磁場(chǎng)得到加強(qiáng)，有利于產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。

    因此，開(kāi)槽導(dǎo)體盤結(jié)構(gòu)比未開(kāi)槽導(dǎo)體盤結(jié)構(gòu)對(duì)永磁耦合器的轉(zhuǎn)矩性能有較大提升，可以通過(guò)改變槽參數(shù)來(lái)得到合適的轉(zhuǎn)矩。

本文由 永磁耦合器 整理編輯。