矿用调速型永磁耦合器性能影响因素分析之结构原理

      摘要：

      为了更好地指导矿用调速型永磁耦合器的设计、选型和使用,采用有限元仿真的方法,选取气隙厚度、导体盘电导率、导体盘厚度三个关键因素,对40kW矿用调速型永磁耦合器的最大传递转矩、最大可调转速、功率损耗这三个重要性能指标的影响进行了分析；并将分析结论应用于负载匹配,分析其调速特性及节能效果。分析结果表明三个因素分别与三个性能指标存在相关性；对于恒转矩与二次方律负载，永磁耦合器都有13%的最大调速范围，对于恒转矩负载起不到节能效果，对于二次方律负载,在需要调节流量的情况下，最多可降低13%的流量及34%的电机功率，相较于增阻调节流量方式有一定的节能效果。

      永磁耦合器作为一种新型的磁力传动机械，具有可靠性、长期运转的稳定性、节能环保、经济性等优越性，并广泛应用在矿山生产中。永磁耦合器的原理和机械特性曲线与异步电机类似，主要性能指标为最大可传递转矩，一些学校及科研机构已对其进行了一定的研究。但是，在实际生产中主要使用的是调速型永磁耦合器，调速特性是其关键性能，也直接影响其节能效果，而相关的研究较少。本文采用有限元仿真的方法，以40kW矿用调速型永磁耦合器为研究对象，选取气隙厚度、导体盘电导率、导体盘厚度三个关键设计参数对永磁耦合器调速性能的影响因素进行了研究。

      结构及工作原理

      分析矿用调速型永磁耦合器剖视图得知，输入端由输入轴1、两组外钢盘2、两组导体盘3组成，输出端由输出轴4、两组磁体盘5组成，磁体盘中按圆周方向嵌入永磁体6，输入端与输出端无直接连接，通过导体盘与磁体盘的气隙来传递转矩。气隙调节机构由蜗杆、涡轮8、丝杠9、轴套10组成，通过蜗杆端连接伺服电机，根据实际工况，操作伺服电机正转或反转进行调节。

      工作原理

      当永磁耦合器工作时，导体盘与磁体盘有相对转差，因而产生感应涡流。由楞次定律可知，由涡流产生的等效磁场阻碍原磁场的变化，感应磁场与原磁场的相互作用力成为动盘转动的动力。当气隙变化时，永磁耦合器转差发生变化，达到调节转速的目的。

      转矩转差的关系采用如下步骤获得:

      ①永磁耦合器的永磁体工作点位于其回复线上，可构建回复线方程;

      ②由永磁耦合器结构可绘制等效磁路模型，进而得到外磁路特性曲线方程;

      ③联立上述两个方程可求得永磁体实际工作时的磁感应强度B、磁场强度H，由电磁感应原理可计算得导体盘不同半径处的感应电动势差，并参考薄膜电阻计算方法计算导体盘涡流区域等效电阻，进而得到涡流大小，并由此得到涡流损耗功率;

      ④由能量守恒定律可知涡流损耗功率等于输入输出端功率差，由此得到转矩与转差的关系方程式中，NP为耦合器磁极数;Br为永磁体剩余磁感应强度;hm为永磁体充磁方向厚度;ws为导体盘与永磁体盘间的转差；rm1为永磁体内径；rm2为永磁体外径；ＲP为导体盘等效电阻；ＲPS为外钢盘等效电阻，与其电导率有关；Ｒm为永磁体等效磁阻Ｒ"为永磁耦合器外磁路磁阻，与气隙厚度、导体盘厚度有关；μ0为真空磁导率；μr为永磁体相对磁导率;Am为永磁体截面积。

本文由 永磁耦合器 整理编辑。