大惯性负载下永磁耦合器的设计及传动分析

魏静微,叶倩倩,李玉超

(哈尔滨理工大学,哈尔滨150080)

0 引 言

近几十年来,国内外发生了很多起由于机械强度和振动等原因酿成的事故,给人民的生命财产安全造成了重大损失[1]。永磁耦合器是传动技术、机械制造技术、永磁材料技术的集合成果,它采用全新的非接触式传动技术,能够很大程度上减小机械振动,降低机械摩擦、磨损和噪声。同时,它还具有允许较大的对中误差,可以实现电机的软起动,能够在潮湿、易燃易爆的恶劣环境中工作,使用寿命长,速度可调,节能环保等优点。本文所针对的大惯性负载传动系统在起动时,负载需要很大的起动转矩。传统系统中,通常用变频器控制驱动电机来带动大惯性负载工作。但变频器存在的一些问题,使其应用受到了限制,例如:变频器为复杂的电力电子装置,对工作环境的要求较高;变频器的输出电压中存在很大的谐波分量,容易导致电机过热;变频器在系统正常运行时要被切掉,容易对系统产生冲击;变频器不能改变系统的机械连接方式等。为了解决上述问题,本文研究用永磁耦合器代替变频器,从而带动大惯性负载工作。国内外对永磁耦合器的研究取得了一定的成果。Canova提出了永磁联轴器的分离变量法[2]。杨超君等研制了新型耐高温磁力联轴器[3]。

本文专门针对大惯性负载设计了一种永磁耦合器,建立了三维模型,分析了永磁耦合器的磁场和涡流场分布。然后利用Ansoft有限元软件对永磁耦合器进行了仿真,对影响耦合器传动性能的一些重要参数进行了分析,得出永磁耦合器的转矩、气隙磁密及轴向力随这些参数变化而变化的规律。用Simulink搭建模型对传动系统进行了起动过程仿真,并对比生产现场实验数据,通过耦合器电机能平缓的带动大惯性负载,实现电机的软起动。

1 永磁耦合器的结构和工作原理

永磁耦合器的结构如图1所示[4],其主要包括与驱动电机相连的主动盘和与负载端相连的从动盘。主动盘主要由导磁性较好的钢盘和铜盘构成。从动盘主要由有导磁性较好的钢盘和按磁性交替排列的永磁体以及铝盘构成。主动盘和从动盘之间有空气隙,当电机带动主动盘转动时,主动盘与从动盘存在转速差,主动侧铜盘切割从动侧永磁体产生的磁力线,会在铜盘表面产生涡流。永磁体产生的磁场和涡流产生的磁场相互作用,从而使从动盘跟随主动盘一起同向转动,实现了耦合器的非接触式传动。耦合器的输出转矩和转速的大小,主要由控制执行器进行调节。控制执行器通过调节空气隙的长度,改变耦合器的气隙磁密,从而控制输出转矩和转速[5]。

图1 永磁耦合器结构图

2 耦合器电磁场的数学模型

由于铜盘中涡流的复杂性,考虑各种因素的影响,对永磁耦合器模型做以下假设[6]:

(1)气隙较小时忽略端部漏磁。

(2)忽略钢盘的磁饱和影响。

(3)铁磁材料各向同性,铜盘的电导率和磁导率均为常数。

(4)磁场在气隙中均匀分布。

采用A,φ-A法建立三维运动电磁场的数学模型。求解区域Ω被分成永磁区Ω1,空气区Ω2和涡流区Ω3。S′为涡流区与非涡流区的内部分界面。Ω的外边界S分成Sa和Sb两部分。在Sa上给定磁感应强度的法向分量,Sb上给定磁场强度的切向分量[7]。控制方程分别如下:

式中:A为矢量磁位;Br为永磁体产生的磁感应强度;A1为涡流区的磁矢位;A2为非涡流区的磁矢位;n为边界S′的单位法向量,n12为分界面的单位法向量,方向从涡流区指向非涡流区;v为导体的运动速度;φ为标量电位;γ为电导率。

为了使A唯一,还要使用库伦规范∇·A=0。由A即可得到耦合器的磁感应强度,求得永磁耦合器的电磁场分布后,即可计算传输的转矩。

3 仿真分析

永磁耦合器的主磁场为三维轴向磁场,建立的有限元几何模型如图2所示。其中,永磁体材料为钕铁硼N35,永磁体形状为等腰梯形,极对数为6,钢盘材料选用10#钢。

图2 永磁耦合器有限元几何模型

3.1 耦合器电磁场分析

耦合器正常工作时,其主动侧和从动侧的转速差为40 r/min,铜盘的涡流密度分布云图如图3(a)所示。在距离铜盘1 mm处的空气隙上,以铜盘的二分之一半径作圆。以此圆为路径,查看耦合器铜盘上的涡流密度波形如图3(b)所示。在此路径上查看耦合器不同状态下空气隙磁通密度分布波形,如图4所示。

图3 铜盘上涡流密度分布图

图4 耦合器不同状态下空气隙磁通密度波形图

从图3可以看出,当耦合器工作时,主动侧和从动侧存在转速差,铜盘上会感应出涡流。涡流环的数量与永磁体的数量相等。涡流密度周向呈周期性分布,径向分布不均匀,在涡流环中心处较大。由于集肤效应,涡流主要分布在铜盘表面的薄层中。从图4可知,耦合器不工作时,空气隙磁通密度的波形沿圆周方向近似为正弦波,在磁极中心处磁通密度高,两端较低。这是因为,永磁耦合器没有工作时,铜盘不能切割磁力线产生感应磁场和转矩,磁路中只存在永磁体产生的磁场[5]。由于永磁耦合器的永磁体沿圆周方向按极性的正负均匀排列,所以磁场在圆周方向呈周期性变化。又因为永磁体的形状为等腰梯形,所以磁通密度波形有较好的正弦性。当耦合器工作时,铜盘上的涡流产生的磁场会使永磁体产生的磁场发生畸变,在一定的范围内,主动侧和从动侧的转速差越大,畸变越严重。

3.2 耦合器参数的优化设计分析

3.2.1 永磁体厚度的优化设计分析

改变永磁体的厚度,保持耦合器的其它结构尺寸不变,得到永磁体厚度对耦合器各性能的影响如图5所示。

图5 永磁体厚度对耦合器性能的影响

从图5(b),图5(c)可以看出,耦合器的输出转矩和最大气隙磁密随着永磁体厚度的增加而增加。这是由于,当永磁体厚度增加时,永磁体提供的磁势增大,使磁路中的磁通增大,气隙磁密随之增大。气隙磁密的增大又会引起输出转矩的增大。从图5(b)还可以看出,当永磁体厚度均匀增加时,耦合器输出转矩的增长速度却逐渐变缓。这是因为,永磁体厚度增加的同时,磁路中永磁体磁阻也在增加,当永磁体厚度增大到一定的程度时,其所增加的磁势大部分消耗在磁阻上,对输出转矩的贡献很小。从图5(d)可知,耦合器的轴向力随永磁体厚度的增大而增大,且增大的趋势逐渐变缓。这是由于,耦合器刚开始工作时,永磁体对主动侧的引力大于铜盘涡流对从动侧的斥力。当耦合器转动趋于稳定时,涡流对从动侧的斥力大于永磁体对主动侧的引力。耦合器的轴向力是引力与斥力的合力。永磁体的厚度越大,铜盘的涡流就越大,涡流的斥力也越大,所以耦合器的轴向力也随之增大。永磁体厚度增大到一定程度后,铜盘涡流增加的幅度会变小,所以,耦合器的轴向力增大趋势会变缓。轴向力会使耦合器的主、从动盘发生轴向移动,从而导致零件之间产生摩擦或碰撞,不利于系统的稳定运行。因此,在设计耦合器时,永磁体的厚度不宜得选太厚,本文中永磁体的厚度选为16 mm。

3.2.2 耦合器空气隙长度的优化设计分析

改变永磁体盘和铜盘间的空气隙长度,保持耦合器的其它结构尺寸不变,得到空气隙长度对耦合器各性能的影响如图6所示。

图6 空气隙长度对耦合器性能的影响

从图6(b),图6(c)可知,耦合器的输出转矩和最大气隙磁密随空气隙长度的增加而减小。这是因为,空气隙长度增加时,耦合器的气隙磁阻随之增加,很多磁势消耗在气隙中,使耦合器的最大气隙磁密减小,输出转矩也变小。从图6(d)可得,轴向力随着空气隙长度的增加而减小。这主要有两个方面的原因:第一,空气隙长度增大,永磁体对主动侧的引力和铜盘涡流场对永磁体盘的斥力都会衰减;第二,当耦合器转动趋于稳定时,涡流的斥力大于永磁体对主动侧的引力。空气隙长度越大,铜盘涡流越小,涡流引起的斥力也越小,从而使耦合器的轴向力减小。在设计耦合器时,在确保耦合器能够正常运行的情况下,尽量减小空气隙长度。本文中耦合器正常工作时空气隙长度设置为3 mm。

3.2.3 转速差的优化设计分析

改变主动侧和从动侧间的转速差,保持永磁耦合器的其它结构尺寸不变,仿真得到永磁耦合器的输出转矩与转速差之间的关系如图7所示。

图7 输出转矩与转速差的关系曲线图

从图7中可知,耦合器的输出转矩随着转速差的变大,先增加后降低。转速差在300 r/min时,转矩达到最大为113N·m。这是由于耦合器刚开始起动时,磁场主要是由永磁体提供,随着转速差的增加,铜盘切割磁力线的速度也增加,转矩上升,铜盘中涡流也会变大。涡流产生的磁场削弱永磁体产生的磁场,而气隙磁场是涡流磁场和永磁磁场的合成磁场,所以,当转速差增加达到一定的数值后,涡流磁场对永磁磁场的削弱作用越来越明显,耦合器的输出转矩反而降低。在本文中,耦合器正常工作时转速差设置为40 r/min。3.3大惯性负载下电机的起动分析

表1 永磁耦合器的设计尺寸

在Simulink中搭建传动系统模型。驱动电机为11 kW,6极异步电机,通过三级齿轮减速,驱动200 t重的大圆盘。系统传动模型,如图8所示。

图8 系统传动模型图

通过Simulink仿真得到系统在不同的空气隙长度下使用耦合器和不使用耦合器时,电机起动转速与起动转矩随时间的变化曲线,如图9所示。

从图9中可以看出,使用耦合时电机的起动时间较长,起动过程较平缓。这是因为,系统使用耦合器时,相当于负载被缓慢地施加在电机上。对比图9(a)与图9(c)可以看出,当系统在耦合器的空气隙长度为3 mm下起动时,电机的起动时间为53 s;系统在耦合器的空气隙长度为13 mm下起动时,电机的起动时间为48 s。耦合器的空气隙长度越大,电机需要的起动时间越短。这是由于,耦合器的空气隙长度越大,主动侧和从动侧之间的感应力矩越小,电机起动时处于轻载状态,由电力拖动方程Te-Tl=知,电机的初始加速度较大,电机起动时间会相对缩短。

在实际应用中,如果让电机直接带动大惯性负载起动,负载对系统的冲击较大,不仅会对电机造成机械损伤,而且电机的起动电流也会很大,有可能烧毁电机。现场应用中,该系统多用变频器来控制电机的起动电流,带动大惯性负载起动。现场的测量数据,如表2所示。通过调节变频器,电机能够平缓地带动负载,起动时间约为60 s。将使用耦合器时电机的起动情况和实际工况下用变频器控制电机的起动情况作比较,可以发现,这两种状况下,电机的起动效果相似。因此,在此类大惯性负载传动系统中,耦合器能够替代变频器工作,实现电机的软起动。

表2 现场应用测量结果和仿真结果对比

4 结 语

通过对磁力耦合器的电磁场分析和传动系统的起动过程仿真,获得以下结论,可以为大惯性负载特性的永磁耦合器的优化设计提供理论依据。

1)通过对永磁耦合器进行电磁场分析,得出铜盘上的涡流环在圆周方向呈周期性分布,径向分布不均匀;耦合器的气隙磁密分布波形近似为周期性的正弦波,随着主动侧和从动侧之间转速差的变大,波形更容易发生畸变。

2)在一定范围内增大永磁体的厚度,能够有效提高耦合器的气隙磁密和输出转矩,超出了这个范围,永磁体的利用率会降低。同时,永磁体的厚度增加,耦合器的轴向力也会随之变大。所以,综合考虑,永磁体的厚度设计为16 mm。

3)调节耦合器的空气隙长度也能够改变耦合器的气隙磁密和输出转矩。空气隙越大,耦合器的气隙磁密、输出转矩和轴向力越小。综合考虑,在系统正常工作时,尽量减小空气隙长度,有利于提高耦合器传动能力。本文中,耦合器正常工作时的空气隙长度为3 mm。

4)在一定范围内增大耦合器主动侧与从动侧的转速差,能够提高耦合器的输出转矩,超过这个范围,耦合器的输出转矩就会逐渐减小。本文中,耦合器正常工作时的转速差设置为40 r/min。

5)大惯性负载的传动系统起动时,使用耦合器能够延长电机的起动时间,减小负载对电机的冲击。这与实际生产现场中,用变频器控制电机软起动的效果是相似的。由此可见,本文所设计的永磁耦合器在大惯性负载的传动系统中,能够替代变频器工作。在电机刚开始起动时,使耦合器的空气隙长度调到最大,等电机完全起动后再将耦合器的空气隙长度调小。

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