开槽导体盘式矿用永磁耦合器的研究

点击量：2635   日期：2019-03-12

    摘要

    矿用永磁耦合器的铜导体盘结构通常是无槽的,从无槽导体盘中径向路径的涡电流对转矩传递起主导作用的事实出发,文章提出一种将导体盘开槽、开槽处填充轭铁的新型耦合器结构,旨在进一步提高传动性能。在原有40kW永磁耦合器的结构基础上,将导体盘结构做开槽处理,通过AnsoftMaxwell建模并仿真,发现轭铁位置的磁感应强度明显增大,气隙之间的磁场得到了加强。进一步针对不同的开槽角度、开槽数量、槽长度来得到相应条件下的磁通密度、涡流分布、涡流损耗密度图,得出槽尺寸大小与传递转矩的关系,最终得出导体盘开槽、并在开槽处填充轭铁的结构比无槽导体盘结构获得的传递转矩较大。

    关键词：开槽导体盘;电磁场分析;槽尺寸;机械特性;

    矿用永磁耦合器，以永磁体产生的磁场为基础，通过导体和永磁体之间或者是两对永磁体之间的相互作用，实现无接触联接的相对运动，从而完成了主、从动件间力及转矩的传递。在传动系统的可靠性、长期运转的稳定性、节能环保、经济性等各方面都有着良好的优越性，更加适合煤矿井下的恶劣生产环境，铜盘是涡流产生的主要场所，因而铜盘结构的变化也是影响永磁耦合器传动性能的重要因素。目前，国内外关于永磁耦合器的研究很多，但是对导体盘结构的研究非常少，也没有对槽的结构尺寸:如开槽角度大小、槽数、槽长度做进一步的研究。因此，对开槽导体盘式结构的矿用永磁耦合器的研究具有重要的理论和实际工程意义。

    永磁耦合器的工作原理
    主动盘与从动盘是永磁耦合器结构中最为重要的组成原件，工作时这两个盘子并不需要直接接触。它可以利用磁场穿过磁路工作气隙进行运动和动力传递，并可以通过主、从动体之间气隙的调整控制传递转矩和负载速度［3－5］。

工作时，电动机连接主动盘(铜盘)，从动盘(永磁体盘)与负载轴相连接。启动电机后，主动盘随电机而运动，与从动盘存在一个转差，铜盘便切割永磁体而在主动盘上产生涡流，进而带动从动盘运动，主动盘处在不断交替变化的磁场中，转差越来越小，最后保持一个稳定的值，根据楞次定律，主动盘上产生的涡流也会产生新的感应磁场，与磁盘上嵌套着的永磁体产生的磁场相互作用，不断使得磁盘沿着与主动盘相同的方向运动，进而带动负载转动。

    开槽导体盘结构的提出
    通常情况下，永磁耦合器的主动盘多选择电导率较高的铜盘，本文选择将铜盘开槽，并在开槽位置加相应的轭铁与槽结构相嵌套的方法，对铜盘结构加以设计，从动盘(磁盘)也是由开槽铝盘及镶嵌在槽中的永磁体块组成，该耦合器的全部磁路由永磁体作为磁源，其结构如图1所示。
    结合煤矿安全生产标准，本文是在原有40kW结构下，对导体盘展开研究，所研究的永磁耦合器的材料属性和结构参数见表1。

    对于铜盘上所开的槽，其结构与永磁体块相同，均为扇形块状结构，具体将从槽长度、开槽角度(扇形角度)、槽个数三个因素对传递转矩的影响而展开研究。
永磁耦合器的电磁场分析目前应用非常广泛的有限元分析软件是ANSYS，其功能特别强大，在电、磁、热、结构、流体及声学方面都有巨大的应用价值，适用于各个物理场。其中AnsoftMaxwell模块，是对模型进行电磁场分析的重要软件，根据实际得到的物理模型。
    研究开槽结构变化对磁场分析参数的影响，从而得到各种数量图和矢量图。取主动盘6mm厚度，开槽铜盘的气隙大小为4mm，永磁体个数取10个，永磁体厚度为35mm，转差为50r/min为例，对比开槽结构、未开槽结构下的电磁性能。

    3.1未开槽铜盘结构在AnsoftMaxwell中对未开槽铜盘电磁性能展开研究，得到未开槽铜盘结构下的磁通密度、涡流密度、涡流损耗如图3所示。对比开槽铜盘结构下相应参数的变化，得出槽结构对传递转矩的影响。开槽铜盘结构下的磁通密度、涡流密度、涡流损耗密度。

    3.2开槽铜盘结构对比开槽与否参数下的磁场性质，可以发现:铜盘上位于各磁极两端的投影位置所形成的涡流密度最强，涡电流的中心位置在相邻的两个永磁体块磁极的中部，主动盘上的涡电流既可以沿自身轴线旋转形成回路，也可以和铜盘结构整体一起随主动轴转动;未开槽铜盘结构涡电流密度最大为4.21×107A/m2，开槽铜盘结构涡电流密度最大为6.84×107A/m2，对比发现，开槽加轭铁的结构可获得较大的涡流密度。

    结论
    本文基于电磁学、机械设计理论、材料技术、磁力驱动技术等基础理论知识，同时结合国内外最新研究成果，并参照煤矿井下安全生产标准，及传动系统工况要求，在原有40KW矿用永磁耦合器基础上，提出一种将导体盘开槽、开槽处填充轭铁的新型耦合器结构，对这种新型结构的矿用永磁耦合器的解析模型、电磁场和机械特性展开系统深入的研究工作，得出如下结论:
    1)在铜盘开槽处填充轭铁结构时，会使得轭铁所在位置的磁感应强度明显增大，气隙和铜质辐条间的磁场得到了加强，开槽后的涡电流较多地集中在径向路径流动，中心区域的涡电流进一步减小，传递转矩得到提高。
    2)其他条件相同时，铜盘开槽角度在0°～9°时，每改变1°得到一个转矩变化值，随着开槽角度的增大，传递的转矩呈线性变化，在2°时得到最大转矩;在1°～2°之间，每改变0.1°得到一个转矩值，可以发现在1.4°时有最大转矩，说明在该模型下开槽角度取1.4°×20=28°为最佳角度。

    3)其他条件不变，保持28°的开槽角度，改变槽数和每个槽的开槽角度，发现随着槽数增多，转矩反而变小;仍保持28°的开槽角度，改变所开槽的长度，可以发现随着槽长度的改变，转矩成线性变化，而且在85mm时，可以得到最大转矩。

    本文所研究的开槽结构中，开槽处所填充的轭铁磁导率较高，引起气隙磁场的磁场分布发生变化，磁力线从永磁体出发，经过气隙，大部分的磁力线由轭铁进入外钢盘构成闭合主磁路，使导体盘和气隙间的磁场得到加强，有利于产生更大的转矩。

    因此，开槽导体盘结构比未开槽导体盘结构对永磁耦合器的转矩性能有较大提升，可以通过改变槽参数来得到合适的转矩。

本文由 永磁耦合器 整理编辑。