永磁渦流耦合調(diào)速器銅轉(zhuǎn)子組件振動(dòng)分析與優(yōu)化
點(diǎn)擊量：2666 日期：2019-04-08
永磁調(diào)速器廠家為減少永磁渦流耦合調(diào)速器由于結(jié)構(gòu)共振帶來(lái)的影響，利用模態(tài)有限元仿真計(jì)算方法，重點(diǎn)對(duì)銅轉(zhuǎn)子組件的低階固有頻率進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)比較研究了連接板、銅盤及散熱盤各自對(duì)銅轉(zhuǎn)子組件低階固有頻率的影響，結(jié)果表明：連接板數(shù)量的增加、銅盤的增加和散熱盤的增加均可以提高銅轉(zhuǎn)子組件低階固有頻率值，其中連接板數(shù)量的影響敏感度相對(duì)最強(qiáng)，散熱盤的影響敏感度相對(duì)最弱；其次，連接板的數(shù)量選擇8塊時(shí)，在提高其低階固有頻率的同時(shí)，銅轉(zhuǎn)子組件的力學(xué)變形和溫升情況均可以達(dá)到最優(yōu)化，上述研究結(jié)果可以為永磁渦流耦合傳動(dòng)器的減振降噪設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
今工業(yè)的進(jìn)步與科學(xué)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的新興技術(shù)被應(yīng)用在機(jī)電裝備中，磁力耦合傳動(dòng)技術(shù)就是其中之一。磁力耦合傳動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用在兩大類，一類是永磁推拉式聯(lián)軸器（同步式），另一類是永磁渦流耦合傳動(dòng)器（異步式），磁力耦合傳動(dòng)技術(shù)并非是利用磁體同性相斥、異性相吸的原理，它是傳動(dòng)技術(shù)、材料技術(shù)和制造技術(shù)的集成。永磁渦流耦合傳動(dòng)設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與負(fù)載間柔性連接、非接觸式力矩傳遞，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、過(guò)載保護(hù)、協(xié)調(diào)多機(jī)平衡、控制調(diào)速與節(jié)能等功能，因而可應(yīng)用在各類不同特性的負(fù)載裝置上，如風(fēng)機(jī)、水泵、物料輸送機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、破碎機(jī)、輥壓機(jī)等機(jī)械設(shè)備上。永磁渦流耦合傳動(dòng)器主要由永磁轉(zhuǎn)子、銅轉(zhuǎn)子和氣隙控制器等部分組成，永磁轉(zhuǎn)子（帶永磁材料的鋁制組件）一般與負(fù)載相連，銅轉(zhuǎn)子（帶銅材料的鐵磁性組件）與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間存有氣隙，電機(jī)工作時(shí)，由于異步效應(yīng)與愣次原理，銅轉(zhuǎn)子切割永磁轉(zhuǎn)子的磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)渦電流，永磁盤在兩者即氣隙之間產(chǎn)生磁場(chǎng)，渦電流與磁場(chǎng)的相互耦合作用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的傳遞，通過(guò)氣隙控制器調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子之間的氣隙大小就可以調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。
永磁渦流耦合傳動(dòng)器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯，如今已在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，然而，永磁渦流耦合傳動(dòng)器在實(shí)際工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，因而給生產(chǎn)環(huán)境帶來(lái)一定的噪聲影響，如何降低振動(dòng)噪聲是今后永磁渦流耦合傳動(dòng)器大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要問(wèn)題之一。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)永磁渦流耦合傳動(dòng)器的研究主要集中在其機(jī)理探討與設(shè)計(jì)計(jì)算方面，如文獻(xiàn)[2-6]，對(duì)于永磁渦流耦合傳動(dòng)器在工況運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)噪聲的研究目前較少，參考文獻(xiàn)[7]中對(duì)盤式可調(diào)速永磁聯(lián)軸器的振動(dòng)噪聲做出了相關(guān)方面的研究，但仍需要進(jìn)一步拓展研究。在文獻(xiàn)資料相對(duì)較少的情況，類比眾多學(xué)者對(duì)電機(jī)振動(dòng)及噪聲等方面較為成熟的研究，如文獻(xiàn)[8-11]對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子、汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部、大中型異步電動(dòng)機(jī)定子等振動(dòng)及噪聲方面進(jìn)行了研究。本文將基于前人的研究方法，采用有限元仿真技術(shù)對(duì)永磁渦流耦合傳動(dòng)器的振動(dòng)模態(tài)和固有頻率進(jìn)行研究分析，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度為永磁渦流 耦合傳動(dòng)器的減振降噪提供參考依據(jù)與技術(shù)支持。
為提高銅轉(zhuǎn)子組件的固有頻率，同時(shí)為驗(yàn)證上述有限元仿真計(jì)算結(jié)果，根據(jù)銅轉(zhuǎn)子組件的結(jié)構(gòu)情況和永磁渦流耦合傳動(dòng)器工作機(jī)理，嘗試采用增加連接板數(shù)量來(lái)提高銅轉(zhuǎn)子組件的低階固有頻率值，在增加連接板數(shù)量時(shí)，還需要考慮連接板數(shù)量的增加所帶的結(jié)構(gòu)力學(xué)和熱力學(xué)的影響。結(jié)構(gòu)力學(xué)上，連接板數(shù)量的增加，勢(shì)必會(huì)改變銅轉(zhuǎn)子組件的受力狀態(tài)，銅轉(zhuǎn)子組件在運(yùn)行時(shí)，其受力狀態(tài)將發(fā)生一定改變，因而要考慮連接板數(shù)量增加所帶來(lái)的力學(xué)上的位移變形；其次，連接板數(shù)量的增加會(huì)給銅轉(zhuǎn)子組件的散熱情況帶來(lái)影響，由于永磁渦流耦合傳動(dòng)器的傳動(dòng)機(jī)理，永磁轉(zhuǎn)子和銅轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差會(huì)在銅盤是以熱量的形式來(lái)呈現(xiàn)，銅轉(zhuǎn)子包裹著永磁轉(zhuǎn)子，在此過(guò)程中，必須考慮永磁轉(zhuǎn)子中永磁體受到散熱的影響，永磁體溫度過(guò)高會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象，連接板的增加會(huì)改變銅轉(zhuǎn)子組件的熱交換環(huán)境，因而連接板數(shù)量的增加給銅轉(zhuǎn)子組件帶來(lái)的熱效應(yīng)的變化需要進(jìn)行考慮。綜合以上因素，結(jié)合連接板和鐵磁盤的實(shí)際幾何尺寸等，對(duì)比分析連接板的數(shù)量為4、6、8時(shí)的固有頻率、結(jié)構(gòu)力學(xué)與熱學(xué)特性，進(jìn)而優(yōu)化改進(jìn)連接板的數(shù)量。按照上述模態(tài)有限元仿真計(jì)算方法，獲得不同連接板數(shù)量的模型模態(tài)仿真結(jié)果。
從上述仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)連接板的數(shù)量增加時(shí)，銅轉(zhuǎn)子組件的前2階到5階固有頻率會(huì)增大，并且每階固有頻率的增加幅度 呈減小趨勢(shì)，對(duì)于永磁渦流耦合傳動(dòng)器而言，提高銅轉(zhuǎn)子的低階固有頻率將有助于避免共振帶來(lái)的影響，因而，僅考慮固有頻率而言，選擇連接板數(shù)量為8塊將較為合適。
3.1 力學(xué)仿真計(jì)算
銅轉(zhuǎn)子組件中連接板數(shù)量的增加會(huì)引起結(jié)構(gòu)力學(xué)上的改變。渦流耦合傳動(dòng)器調(diào)速時(shí)是通過(guò)調(diào)節(jié)銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的氣隙距離而實(shí)現(xiàn)的，銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間氣隙最小距離非常微小，銅轉(zhuǎn)子組件若產(chǎn)生力學(xué)上的變形，會(huì)引起銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的干涉與碰撞，這將會(huì)引起運(yùn)行故障，甚至?xí)?lái)安全事故，因而要對(duì)連接板數(shù)量增加所引起的位移變形要進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)連接板數(shù)量的增加帶來(lái)的銅轉(zhuǎn)子組件力學(xué)上位移變形影響，這里僅考慮其靜力學(xué)特性，仿真計(jì)算時(shí)，對(duì)銅轉(zhuǎn)子組件施加徑向上的重力加速度，固定約束一端鐵磁盤輪轂的端面，仿真計(jì)算結(jié)果如下。
從上述仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)連接板數(shù)量增加時(shí)，銅轉(zhuǎn)子組件由于重力所引起的最大位移變形量越來(lái)越小，并且減小的幅度較大，這是由于連接板重力帶來(lái)的影響遠(yuǎn)小于在剛度上帶來(lái)的增強(qiáng)。永磁渦流耦合傳動(dòng)器中的銅轉(zhuǎn)子組件，位移變形量的減小將有利于避免銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的干涉碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生，因而，僅考慮重力引起的位移變形而言，選擇連接板數(shù)量為8較為合適。
3.2 熱學(xué)仿真計(jì)算
連接板數(shù)量的增加會(huì)給銅轉(zhuǎn)子的散熱環(huán)境帶來(lái)影響，一方面會(huì)影響銅轉(zhuǎn)子中的散熱環(huán)境，另一方面連接板的增加會(huì)改善銅轉(zhuǎn)子的整體的散熱面積，因此，對(duì)不同連接板的數(shù)量進(jìn)行熱學(xué)仿真計(jì)算。為做出熱學(xué)方面的對(duì)比，簡(jiǎn)化熱學(xué)仿真的計(jì)算條件。熱傳遞主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與輻射三種，出于對(duì)比研究，在這里僅考慮熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流效應(yīng)；永磁渦流耦合傳動(dòng)器工作環(huán)境中有軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制散熱，銅轉(zhuǎn)子組件各零件表面的對(duì)流系數(shù)均設(shè)定為相等，視銅盤與鐵磁盤、散熱盤的連接為緊密接觸，忽略接觸表面所產(chǎn)生的熱阻效應(yīng)；銅轉(zhuǎn)子組件中的熱源為兩個(gè)銅盤，施加熱載荷為轉(zhuǎn)差所引起的熱功率，熱總功率為650W，考慮通風(fēng)機(jī)工作下強(qiáng)制對(duì)流環(huán)境，設(shè)定強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)為35W/（m2?K），Q235導(dǎo)熱率43W/（m?K），銅導(dǎo)熱率390W/（m?K），鋁合金導(dǎo)熱率200W/（m?K），室內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)定為293K。
可以看出，當(dāng)連接板的數(shù)量增加時(shí)，受銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差所產(chǎn)生的渦流熱的影響，銅轉(zhuǎn)子組件的最高溫度隨連接板數(shù)量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，整體變化不大，但銅轉(zhuǎn)子組件的溫度的降低將有助于避免永磁體由于溫升而引起的負(fù)面影響，因而，僅考慮銅轉(zhuǎn)子組件的溫升情況，選擇連接板數(shù)量為4塊或8塊均適宜。
4 結(jié)論
本文以減少雙盤式永磁渦流耦合傳動(dòng)器的振動(dòng)影響為研究目標(biāo)，重點(diǎn)研究了銅轉(zhuǎn)子組件的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，通過(guò)理論與仿真計(jì)算得出以下結(jié)論：
1）連接板數(shù)量的增加有助于各階固有頻率值，其影響敏感度較強(qiáng)；
2）銅盤的增加有助于各階固有頻率值，其影響敏感度較強(qiáng)，其中對(duì)低階的影響程度要高于高階的影響程度；
3）散熱盤的增加對(duì)各階固有頻率的影響程度較小，其影響敏感度很弱；
4）增加連接板的數(shù)量可以有效提高銅轉(zhuǎn)子組件的固有頻率，相比較而言，連接板的數(shù)量選擇8塊時(shí)，其固有頻率、力學(xué)變形和溫升情況均可以達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。
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