影响矿用磁力耦合器工作性能的因素分析

牛耀宏

（1.中国矿业大学 （北京）机电信息学院，北京市海淀区，100083；2.河北能源职业技术学院，河北省唐山市，063004）

影响矿用磁力耦合器工作性能的因素分析

牛耀宏1，2

（1.中国矿业大学 （北京）机电信息学院，北京市海淀区，100083；2.河北能源职业技术学院，河北省唐山市，063004）

利用矿用磁力耦合联轴器的试验数据进行分析和研究，探讨了其工作气隙、铜盘厚度、磁铁厚度、面积及磁极对数等参数的变化对输出转矩的影响，从而为矿用磁力耦合联轴器的启动特性、过载保护性能和运行效率等工作特性及产品开发与应用的可行性研究提供依据。

磁力耦合联轴器 输出转矩 启动特性 过载保护 运行效率

永磁磁力耦合器是由导体盘 （铜盘）、永久磁体盘 （铝盘）以及联接部件组成的磁力驱动联接装置，主要部件的结构参数对其机械特性有着不同程度的影响，找出它们的影响规律，对研究磁力耦合器设计有着重要的参考价值。

本文以40 k W矿用刮板输送机应用的永磁磁力耦合器为例，通过设计搭建测试平台，全面测试和分析了其结构参数对机械特性的影响关系，为永磁耦合器的设计奠定了一定的试验基础。

1 试验平台的搭建

磁力耦合器的工作性能主要包括启动性能、过载保护能力和传递转矩与效率3个方面，负载为恒转矩负载。针对实际的工作要求，设计搭建实际工况模拟试验平台示意图如图1所示。

图1 永磁耦合器模拟试验平台示意图

由图1可以看出，试验平台动力采用DSB（JDSB）-40-4 （380／660）隔爆型三相异步电动机，负载采用磁粉制动器，在输入和输出轴分别安装转速和转矩测试传感器和机械效率测试仪。测试用磁力耦合器结构示意图如图2所示。

图2 永磁耦合器基本结构示意图

2 试验测试及结果分析

根据设计要求，试验测试了永磁磁力耦合器在不同的工作气隙、铜盘厚度、磁极厚度和磁极对数的情况下，负载侧的转矩值随转差的变化规律。

2.1 工作气隙与铜盘厚度的影响

2.1.1 工作气隙的影响

由磁场的性质可知，在磁极轴向长度、磁极之间的距离、铁板与磁极间的距离和铜盘厚度均不变的情况下，工作气隙越大漏磁越多，导体切割的有效磁通越小，耦合器传递的转矩就越小。对铜盘厚度为14 mm、磁极对数为4对和磁铁厚度为15 mm时，工作气隙分别为4 mm、6 mm、8 mm和10 mm的磁力耦合器机械特性试验结果如图3所示。

图3 气隙对机械特性的影响

由图3中可以看出，气隙从4 mm增大到10 mm时，最大转矩减小了80 N·m，最小转矩减小了54 N·m。可见气隙对转矩的影响是很大的，所以在加工及安装精度允许的条件下，应该尽量减小气隙，以减小耦合器的径向尺寸。

2.1.2 铜盘厚度的影响

在磁力耦合器的工作中，铜盘主要完成磁场能与电能、电能与机械能的转换。在频率较低的条件下，铜盘越厚导体的截面积就越大，电阻就越小，在同样的电动势作用下其电流也就越大，传导的转矩也应该越大；但在频率较高的条件下，由于趋肤效应的加剧，铜盘的厚度对电流的影响已不再明显，在工作气隙不变的情况下却得到了反向结果，即铜盘越厚转矩反而越小。图4是磁极对数为6、磁铁厚度为15 mm和工作气隙为6 mm时，铜盘厚度分别为8 mm、10 mm、12 mm和14 mm的试验结果。

图4 铜盘厚度变化时的试验结果

由图4可以看出，铜盘厚度从8 mm变化到14 mm时，最大转矩减小了110 N·m，最小转矩减小了30 N·m，可见铜盘的厚度对最大转矩影响较大。而转矩的减小可以从两方面解释：一是铜盘的加厚直接使磁铁与钢盘之间的距离加大，使得漏磁增多，因此最大转矩减小很多，这说明在转差较小时趋肤效应不是很严重，气隙的影响占主要地位；二是在转差很大时，趋肤效应明显，气隙的变化对启动转矩影响不大。为了明确铜盘厚度对转矩的影响，以磁铁与钢盘之间的距离不变为条件，在改变铜盘厚度的同时改变工作气隙，对磁铁厚度为20 mm、磁极对数为6时和气隙及铜盘厚度分别为6+12 mm、8+10 mm、10+8 mm和12+6 mm的耦合器进行试验，其试验结果如图5所示。

图5 磁铁与钢盘之间距离不变的试验结果

由图5可以看出，在磁铁与钢盘之间的距离不变的情况下，铜盘越厚机械特性曲线越硬，速度稳定性越好，说明转差很小时，由于铜盘的加厚一方面使电阻减小、电流增大进而转矩增大；另一方面由于铜盘厚度的增加和气隙的减小，使原来没有被铜盘切割到的漏磁也进入被切割区域，参与了能量转换，提高了磁力线的利用率和耦合器的效率。

2.2 磁铁的影响

2.2.1 磁铁厚度的影响

根据图3中的分析，在增加磁铁的轴向长度时，同一块磁铁的N极到S极之间的距离加大，使其极间漏磁减小，耦合器的转矩要增大，试验已经充分证明了这一点。图6是气隙为12 mm、铜盘厚度为14 mm和磁极对数为4对时，磁铁厚度分别为20 mm、25 mm、30 mm的试验结果。

图6 磁铁厚度对机械特性的影响

由图6可以看出，当磁铁厚度从20 mm增加到30 mm时，最大转矩增加64 N·m，最小转矩增加42 N·m，磁铁厚度对输出转矩的影响很大。但增加磁铁的厚度必然要增大耦合器的轴向长度，同时要增加成本，因此在进行耦合器设计时也应充分考虑这一点。

2.2.2 磁铁面积和磁极对数的影响

磁力耦合器是靠磁场力来实现动力传递的，转矩的大小等于力与受力半径的乘积，其中磁场力的大小又等于磁感应强度、电流及导体有效长度的乘积，电流的大小又与磁通的变化率及导体的电阻有关。因此，在磁感应强度、耦合器和磁铁的结构尺寸、铜盘和磁盘的相对转速、气隙、磁铁与钢盘之间距离均已确定的情况下，转矩的大小将直接与磁铁的面积和磁极对数有关，其中磁铁的面积越大磁通越大，磁极对数越多磁通的变化率越大。为了设计出满足一定转矩要求的磁力耦合器，必须测试磁铁的面积和磁极对数与转矩的关系。图7是工作气隙为12 mm、铜盘厚度为6 mm和磁铁厚度为15 mm，磁极对数分别为1、2、3、4对时所测得的耦合器机械特性。

图7 磁铁面积对转矩的影响

由图7可以看出，耦合器的输出转矩基本与磁铁的面积成正比关系，再考虑工作气隙和磁铁厚度等因素的影响，则可作为耦合器的设计基础。在磁铁的面积和磁感应强度及电动机转速一定的情况下，磁极对数将直接影响感应电动势和感应电流的大小。从理论上讲，磁极对数越多，磁通的变化率越大，电阻一定时铜盘中的涡电流就越大，进而使耦合器传递的转矩也就越大。但由于漏磁的大小随磁铁之间距离的减小而增大，同时与工作气隙和铜盘厚度有关，因此在耦合器的外形尺寸一定时，磁极对数越多，磁铁的有效面积将减小，每块磁铁的磁通量也将减小，所以总的磁通变化率并不与磁极对数成正比，而是存在某一个最优的数值可以使传递的转矩最大。本文对磁铁的布置作了如图8所示的考虑。

图8 磁铁的布置

由图8可以看出，设计时如果使得A≥2B，这样漏磁就会减少，使磁力线沿磁阻尽量小的路径 （磁铁—钢盘—磁铁）形成回路。如果不满足此条件漏磁将最大；若按此条件设计，磁极数量就不可能过多，过分增加磁极对数只能减小A的尺寸或磁极的面积，使得被铜盘切割的有效磁通减小，转矩也随之减小。在保持磁铁面积和耦合器结构尺寸不变的情况，只改变磁极对数的情况试验结果如图9所示。

由图9可以看出，磁极对数对转矩 （传递功率）的影响并不大，这说明功率的传递主要取决于穿过铜盘的磁力线的多少，而不是磁极对数。但从试验结果也可以看出随磁极对数的增多使得最大转矩也略有增加，其原因是在耦合器结构尺寸不变的情况下，随着磁极对数的增多，磁路长度略有缩短造成的。

图9 磁极对数对转矩的影响

3 结论

通过对试验数据进行了理论分析后，得到磁力耦合器的各项参数对其工作性能的影响主要有：磁力耦合联轴器的间隙对最大转矩的影响较大，设计此产品时，应尽量减少间隙，以减小耦合器的径向尺寸；在磁铁与钢盘之间的距离不变的情况下，铜盘越厚机械特性曲线越硬，速度稳定性越好；磁铁厚度对输出转矩的影响很大，但增加磁铁的厚度必然要增大耦合器的轴向长度，同时要增加成本，因此在进行耦合器设计时也应充分考虑这一点；耦合器的输出转矩基本与磁铁的面积成正比关系，再考虑气隙、磁铁厚度等因素的影响，则可作为耦合器的设计基础；磁极对数对转矩 （传递功率）的影响并不大，这说明功率的传递主要取决于穿过铜盘的磁力线的多少，而不是磁极对数。

此类磁力耦合器具有较大的启动转矩，完全具备恒转矩负载驱动能力，能够适应刮板输送机的工作需要。所以它既适用于刮板输送机的恒转矩负载，也适用于风机泵类负载。

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Analysis of the factors affecting mine magnetic coupling performance

Niu Yaohong1，2
（1.School of Mechanical Electronic ＆Information Engineering，China University of Mining ＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Hebei Energy College of Vocation and Technology，Tangshan，Hebei 063004，China）

This paper analysis and studies the data of magnetic coupling experiment.The effect for the working air gap，copper thickness，magnet thickness，area and poles changes of magnetic coupler to the output torque have been discussed，which provides a basis forproduct of development and the feasibility study for the startup characteristics，overload protection and running efficiency characteristics for magnetic coupling.

magnetic coupler，output torque，the startup characteristics，overload protection，running efficiency

TD614.2

A

牛耀宏 （1965-），男，河北唐山人，教授，研究方向为设备故障诊断及状态检测。

（责任编辑 王雅琴）