永磁耦合器作为一种磁力传动装置,实现电动机与负载之间的转矩传递,它基于电磁感应原理,导体盘切割永磁体盘磁力线而产生的感应涡流,并由感应涡流受到的安培力提供传递转矩,带动负载运行,在整个转矩传递过程中,输入侧与输出侧无任何机械连接。永磁耦合器具有结构简单、安装精度要求低、维护费用低、环境适用性强、隔振效果优异等特点,可实现负载转速调节、过载保护、软启动等功能,在轮船、石油、发电、化工等领域有一定的应用,但在煤矿中使用较少。由于煤矿生产环境恶劣,工作强度大,永磁耦合器的上述优点在煤矿应用中具有一定优势,具有良好的应用前景。目前,国内的永磁耦合器研究处于计算机仿真分析,仿制国外产品阶段,相关的理论分析不够成熟,缺乏具有自主知识产权的产品,因此对于永磁耦合器传动理论的研究具有重要的意义,相关特性的分析具有较高的实用价值。本文采用磁力驱动技术、材料技术,基于电磁学理论、电机电力拖动等理论,通过理论分析、有限元仿真及实验验证相结合的方法,对永磁耦合器传动理论方程式及传动特性进行系统研究。建立永磁耦合器分析模型,以电磁场理论为基础,分析永磁体自身特性及其回复曲线,得到永磁体在工作点时的磁感应强度与磁场强度的相互关系,采用等效面电流法将永磁体等效为磁动势与磁阻的串联;根据磁路的基本定律分析得到永磁耦合器外磁路特性,利用磁场分割法将永磁耦合器外磁路进行合理划分,将永磁耦合器气隙划分为多个规则磁通管,计算得到各磁通管磁阻,根据等效磁路法构建永磁耦合器等效磁路模型,得到外磁路特性与永磁体磁特性的关系,与永磁体回复曲线方程联立得到永磁体工作点磁感应强度解析表达式,由此计算得各个磁通管的磁通量,将趋肤效应等效为导体盘电阻率的增大,根据电磁感应原理计算得到各磁通管映射至导体盘区域受到的安培力,将各区域安培力整合最终得出永磁耦合器传递转矩与转差关系方程式,由该方程得到永磁耦合器最大传递转矩及最大可调转速的解析表达式,根据能量守恒定律计算得到永磁耦合器涡流损耗解析表达式。根据永磁耦合器传递转矩与转差关系的方程式,结合有限元仿真及实验研究,对永磁耦合器各种材料参数及结构参数对其性能影响进行了单因素分析,在仅改变永磁耦合器气隙厚度、导体盘材质、导体盘厚度的情况下,得到不同参数下永磁耦合器的机械特性曲线,得到对永磁耦合器额定转矩、最大传递转矩、最大可调转速、涡流损耗的影响,得到永磁耦合器永磁体剩磁大小与额定转矩、最大传递转矩正相关,与最大可调转速不相关;永磁耦合器气隙厚度与额定转矩和最大传递转矩负相关,与最大可调转速不相关;永磁耦合器导体盘电导率与额定转矩正相关,与最大传递转矩不相关,与最大可调负相关;永磁耦合器导体盘厚度与额定转矩正相关,与最大传递转矩和最大可调转速负相关的结论。利用ANSYS Maxwell软件对永磁耦合器传动性能进行有限元分析,合理简化永磁耦合器实际模型,建立有限元分析模型,合理设置各零部件材料及参数,根据实际情况设置边界条件和激励条件,根据实际精度需求合理划分网格,以转差为变量,对永磁耦合器传递转矩及轴向力进行三维瞬态场仿真分析,得到不同参数情况下永磁耦合器传递转矩随转差的变化曲线、轴向力随转差的变化曲线;结合ANSYS Workbench软件对永磁耦合器温度场进行有限元仿真分析,利用在ANSYS Maxwell转矩分析中得到的各个零部件热源功率,引入散热系数描述永磁耦合器各个零部件与空气的热交换能力,合理设置各零部件及空气的导热参数,仿真分析永磁耦合器的温度场分布情况,得到稳定工况下永磁耦合器各零部件的稳态温度情况和过载工况下的温升曲线,永磁体映射至导体盘的区域温度最高,与之直接接触的外钢盘次之,永磁体的温度随着气隙厚度的增大而降低,在额定工况下,扇形永磁体样机和圆形永磁体样机永磁体温度均能维持在容许温度之下,过载时永磁体温度快速升高,圆形永磁体样机温度在过载约20s后永磁体温度超过允许值。以理论分析的结论为基础,结合仿真分析和实验研究,得到永磁耦合器的机械特性,永磁耦合器传递转矩随转差地增大而迅速增大,当转差达到某一定值时(扇形永磁体样机为220rpm,圆形永磁体样机为500rpm),传递转矩达到最大值,永磁耦合器在转差小于该定值时可以稳定的工作,而转差超过这一定值后,永磁耦合器过载,输出侧迅速停止运转,传递转矩下降,永磁耦合器将打滑而不能够工作,电动机功率完全转化为永磁耦合器的涡流损耗,永磁耦合器温度将迅速升高。对于常用矿用负载,永磁耦合器具有一定的调速功能,改变气隙厚度得到不同气隙条件下永磁耦合器的机械特性曲线,可知不同气隙情况下永磁耦合器最大可调转速不改变,最大传递转矩随气隙厚度增加而减小,在任何极对数的电机中,对于运输提升类恒转矩负载和泵与风机类二次方律负载,扇形、圆形永磁体样机最多可以减少220rpm、500rpm的负载转速,由此带来的功率损耗等于负载转矩乘以降低的转速,因此对于恒转矩负载不具有节能效果;由于二次律负载的功率与转速的三次方成正比,因此对于二次方律负载,永磁耦合器可以起到一定的节能效果,扇形、圆形永磁体样机分别能够减小12%、31%的转速,在工况需要时,最多可以降低电机31.9%、67.1%的功率。加装永磁耦合器后,对于恒转矩负载,有一定的软启动效果,对于本文的圆形永磁体永磁耦合器,加装后电动机峰值电流减小9.8%,电机启动电流持续时间减少5.9%;对于二次方律负载,固定气隙的永磁耦合器没有软启动效果。永磁耦合器具有过载保护功能,增大永磁耦合器气隙可以减小永磁耦合器最大传递转矩,减小过载系数;永磁耦合器轴向力初始为吸引力,随转差由零不断增大,吸引力逐渐减小,在永磁耦合器达到最大可调转速时,轴向力变为零,若进一步加大转差,永磁耦合器堵转,轴向力由于巨大的转差而形成巨大的排斥力,此排斥力增大了限矩型永磁耦合器的气隙厚度,使电机与负载脱离,达到保护电机的目的,上述结论为限矩型永磁耦合器提供了理论依据。为了验证理论分析和有限元仿真的结果,建立有限元实验平台,利用原有扇形永磁体永磁耦合器实验平台测试永磁耦合器稳定工况下转矩转差情况,改进永磁耦合器实验平台,加装减速器、电动执行器来测试永磁耦合器机械特性,通过数据采集系统实时记录永磁耦合器转矩、转差、温度的变化,精确得到永磁耦合器传动数据及温度情况,由实验得到的永磁耦合器机械特性曲线与理论计算得到的解析表达式和有限元仿真结果进行对比,可知有限元仿真结果与实验数据误差在5%以内,理论公式在转差小于最大可调转速时误差较低,在10%以内,大于该转差时误差升高,且在气隙增大时,理论公式误差也同时增大。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD605
【部分图文】：
中国矿业大学（北京）博士学位论文偶合器器作为电机与减速器之间的连接装置，广泛应用于，如图 1.1 所示为液力耦合器传动原理示意图[4]，输入，带动泵轮进行旋转，液力偶合器中的液体受甩出到泵轮边缘，因而增大了液体的转动惯量，此体的动能，液体动能作用到负载涡轮叶片上，带动又转化为负载机械能，在此过程中，液力偶合器泵体在泵轮与涡轮之间相互循环运动，通过柔性连接
图 1.1 液力偶合器传动原理ig1.1 The transmission principle of hydraulic coupl型液力偶合器的实物图，其工作原理是改变了偶合器的机械特性曲线，因而在与负调节负载的转速，减少电机的冲击载荷和
图 1.3 可控启动传输装置实物图Fig1.3 Physical diagram of CST图 1.4 CST 工作原理Fig1.4 The working principle of CST controllable device 可控启动传输装置传动原理[5]：CST 含有两级减速齿轮：第一斜齿轮装置；第二级减速装置为行星齿轮装置。当电机达到满动三个行星齿轮转动；行星齿轮带动自由旋转齿圈转动；输入架上，此时并不转动，当液压系统向环形活塞加压时，离合器）和静止片相互作用，使加在齿圈上的力矩逐渐增加，当齿圈
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本文编号：
2893619
