永磁耦合器作為一種磁力傳動裝置,實現(xiàn)電動機與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳遞,它基于電磁感應(yīng)原理,導(dǎo)體盤切割永磁體盤磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)渦流,并由感應(yīng)渦流受到的安培力提供傳遞轉(zhuǎn)矩,帶動負(fù)載運行,在整個轉(zhuǎn)矩傳遞過程中,輸入側(cè)與輸出側(cè)無任何機械連接。永磁耦合器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝精度要求低、維護費用低、環(huán)境適用性強、隔振效果優(yōu)異等特點,可實現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、過載保護、軟啟動等功能,在輪船、石油、發(fā)電、化工等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用,但在煤礦中使用較少。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣,工作強度大,永磁耦合器的上述優(yōu)點在煤礦應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢,具有良好的應(yīng)用前景。目前,國內(nèi)的永磁耦合器研究處于計算機仿真分析,仿制國外產(chǎn)品階段,相關(guān)的理論分析不夠成熟,缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,因此對于永磁耦合器傳動理論的研究具有重要的意義,相關(guān)特性的分析具有較高的實用價值。本文采用磁力驅(qū)動技術(shù)、材料技術(shù),基于電磁學(xué)理論、電機電力拖動等理論,通過理論分析、有限元仿真及實驗驗證相結(jié)合的方法,對永磁耦合器傳動理論方程式及傳動特性進行系統(tǒng)研究。建立永磁耦合器分析模型,以電磁場理論為基礎(chǔ),分析永磁體自身特性及其回復(fù)曲線,得到永磁體在工作點時的磁感應(yīng)強度與磁場強度的相互關(guān)系,采用等效面電流法將永磁體等效為磁動勢與磁阻的串聯(lián);根據(jù)磁路的基本定律分析得到永磁耦合器外磁路特性,利用磁場分割法將永磁耦合器外磁路進行合理劃分,將永磁耦合器氣隙劃分為多個規(guī)則磁通管,計算得到各磁通管磁阻,根據(jù)等效磁路法構(gòu)建永磁耦合器等效磁路模型,得到外磁路特性與永磁體磁特性的關(guān)系,與永磁體回復(fù)曲線方程聯(lián)立得到永磁體工作點磁感應(yīng)強度解析表達式,由此計算得各個磁通管的磁通量,將趨膚效應(yīng)等效為導(dǎo)體盤電阻率的增大,根據(jù)電磁感應(yīng)原理計算得到各磁通管映射至導(dǎo)體盤區(qū)域受到的安培力,將各區(qū)域安培力整合最終得出永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差關(guān)系方程式,由該方程得到永磁耦合器最大傳遞轉(zhuǎn)矩及最大可調(diào)轉(zhuǎn)速的解析表達式,根據(jù)能量守恒定律計算得到永磁耦合器渦流損耗解析表達式。根據(jù)永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差關(guān)系的方程式,結(jié)合有限元仿真及實驗研究,對永磁耦合器各種材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能影響進行了單因素分析,在僅改變永磁耦合器氣隙厚度、導(dǎo)體盤材質(zhì)、導(dǎo)體盤厚度的情況下,得到不同參數(shù)下永磁耦合器的機械特性曲線,得到對永磁耦合器額定轉(zhuǎn)矩、最大傳遞轉(zhuǎn)矩、最大可調(diào)轉(zhuǎn)速、渦流損耗的影響,得到永磁耦合器永磁體剩磁大小與額定轉(zhuǎn)矩、最大傳遞轉(zhuǎn)矩正相關(guān),與最大可調(diào)轉(zhuǎn)速不相關(guān);永磁耦合器氣隙厚度與額定轉(zhuǎn)矩和最大傳遞轉(zhuǎn)矩負(fù)相關(guān),與最大可調(diào)轉(zhuǎn)速不相關(guān);永磁耦合器導(dǎo)體盤電導(dǎo)率與額定轉(zhuǎn)矩正相關(guān),與最大傳遞轉(zhuǎn)矩不相關(guān),與最大可調(diào)負(fù)相關(guān);永磁耦合器導(dǎo)體盤厚度與額定轉(zhuǎn)矩正相關(guān),與最大傳遞轉(zhuǎn)矩和最大可調(diào)轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)的結(jié)論。利用ANSYS Maxwell軟件對永磁耦合器傳動性能進行有限元分析,合理簡化永磁耦合器實際模型,建立有限元分析模型,合理設(shè)置各零部件材料及參數(shù),根據(jù)實際情況設(shè)置邊界條件和激勵條件,根據(jù)實際精度需求合理劃分網(wǎng)格,以轉(zhuǎn)差為變量,對永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩及軸向力進行三維瞬態(tài)場仿真分析,得到不同參數(shù)情況下永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差的變化曲線、軸向力隨轉(zhuǎn)差的變化曲線;結(jié)合ANSYS Workbench軟件對永磁耦合器溫度場進行有限元仿真分析,利用在ANSYS Maxwell轉(zhuǎn)矩分析中得到的各個零部件熱源功率,引入散熱系數(shù)描述永磁耦合器各個零部件與空氣的熱交換能力,合理設(shè)置各零部件及空氣的導(dǎo)熱參數(shù),仿真分析永磁耦合器的溫度場分布情況,得到穩(wěn)定工況下永磁耦合器各零部件的穩(wěn)態(tài)溫度情況和過載工況下的溫升曲線,永磁體映射至導(dǎo)體盤的區(qū)域溫度最高,與之直接接觸的外鋼盤次之,永磁體的溫度隨著氣隙厚度的增大而降低,在額定工況下,扇形永磁體樣機和圓形永磁體樣機永磁體溫度均能維持在容許溫度之下,過載時永磁體溫度快速升高,圓形永磁體樣機溫度在過載約20s后永磁體溫度超過允許值。以理論分析的結(jié)論為基礎(chǔ),結(jié)合仿真分析和實驗研究,得到永磁耦合器的機械特性,永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差地增大而迅速增大,當(dāng)轉(zhuǎn)差達到某一定值時(扇形永磁體樣機為220rpm,圓形永磁體樣機為500rpm),傳遞轉(zhuǎn)矩達到最大值,永磁耦合器在轉(zhuǎn)差小于該定值時可以穩(wěn)定的工作,而轉(zhuǎn)差超過這一定值后,永磁耦合器過載,輸出側(cè)迅速停止運轉(zhuǎn),傳遞轉(zhuǎn)矩下降,永磁耦合器將打滑而不能夠工作,電動機功率完全轉(zhuǎn)化為永磁耦合器的渦流損耗,永磁耦合器溫度將迅速升高。對于常用礦用負(fù)載,永磁耦合器具有一定的調(diào)速功能,改變氣隙厚度得到不同氣隙條件下永磁耦合器的機械特性曲線,可知不同氣隙情況下永磁耦合器最大可調(diào)轉(zhuǎn)速不改變,最大傳遞轉(zhuǎn)矩隨氣隙厚度增加而減小,在任何極對數(shù)的電機中,對于運輸提升類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和泵與風(fēng)機類二次方律負(fù)載,扇形、圓形永磁體樣機最多可以減少220rpm、500rpm的負(fù)載轉(zhuǎn)速,由此帶來的功率損耗等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以降低的轉(zhuǎn)速,因此對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不具有節(jié)能效果;由于二次律負(fù)載的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,因此對于二次方律負(fù)載,永磁耦合器可以起到一定的節(jié)能效果,扇形、圓形永磁體樣機分別能夠減小12%、31%的轉(zhuǎn)速,在工況需要時,最多可以降低電機31.9%、67.1%的功率。加裝永磁耦合器后,對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,有一定的軟啟動效果,對于本文的圓形永磁體永磁耦合器,加裝后電動機峰值電流減小9.8%,電機啟動電流持續(xù)時間減少5.9%;對于二次方律負(fù)載,固定氣隙的永磁耦合器沒有軟啟動效果。永磁耦合器具有過載保護功能,增大永磁耦合器氣隙可以減小永磁耦合器最大傳遞轉(zhuǎn)矩,減小過載系數(shù);永磁耦合器軸向力初始為吸引力,隨轉(zhuǎn)差由零不斷增大,吸引力逐漸減小,在永磁耦合器達到最大可調(diào)轉(zhuǎn)速時,軸向力變?yōu)榱?若進一步加大轉(zhuǎn)差,永磁耦合器堵轉(zhuǎn),軸向力由于巨大的轉(zhuǎn)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氣隙厚度,使電機與負(fù)載脫離,達到保護電機的目的,上述結(jié)論為限矩型永磁耦合器提供了理論依據(jù)。為了驗證理論分析和有限元仿真的結(jié)果,建立有限元實驗平臺,利用原有扇形永磁體永磁耦合器實驗平臺測試永磁耦合器穩(wěn)定工況下轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差情況,改進永磁耦合器實驗平臺,加裝減速器、電動執(zhí)行器來測試永磁耦合器機械特性,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄永磁耦合器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差、溫度的變化,精確得到永磁耦合器傳動數(shù)據(jù)及溫度情況,由實驗得到的永磁耦合器機械特性曲線與理論計算得到的解析表達式和有限元仿真結(jié)果進行對比,可知有限元仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi),理論公式在轉(zhuǎn)差小于最大可調(diào)轉(zhuǎn)速時誤差較低,在10%以內(nèi),大于該轉(zhuǎn)差時誤差升高,且在氣隙增大時,理論公式誤差也同時增大。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD605
【部分圖文】：
中國礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文偶合器器作為電機與減速器之間的連接裝置，廣泛應(yīng)用于，如圖 1.1 所示為液力耦合器傳動原理示意圖[4]，輸入，帶動泵輪進行旋轉(zhuǎn)，液力偶合器中的液體受甩出到泵輪邊緣，因而增大了液體的轉(zhuǎn)動慣量，此體的動能，液體動能作用到負(fù)載渦輪葉片上，帶動又轉(zhuǎn)化為負(fù)載機械能，在此過程中，液力偶合器泵體在泵輪與渦輪之間相互循環(huán)運動，通過柔性連接
圖 1.1 液力偶合器傳動原理ig1.1 The transmission principle of hydraulic coupl型液力偶合器的實物圖，其工作原理是改變了偶合器的機械特性曲線，因而在與負(fù)調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速，減少電機的沖擊載荷和
圖 1.3 可控啟動傳輸裝置實物圖Fig1.3 Physical diagram of CST圖 1.4 CST 工作原理Fig1.4 The working principle of CST controllable device 可控啟動傳輸裝置傳動原理[5]：CST 含有兩級減速齒輪：第一斜齒輪裝置；第二級減速裝置為行星齒輪裝置。當(dāng)電機達到滿動三個行星齒輪轉(zhuǎn)動；行星齒輪帶動自由旋轉(zhuǎn)齒圈轉(zhuǎn)動；輸入架上，此時并不轉(zhuǎn)動，當(dāng)液壓系統(tǒng)向環(huán)形活塞加壓時，離合器）和靜止片相互作用，使加在齒圈上的力矩逐漸增加，當(dāng)齒圈
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本文編號：
2893619
