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        徑向磁通式永磁磁力耦合器能效特性試驗(yàn)*

        2014-08-08 02:28:10趙海森劉曉芳周慶根
        電機(jī)與控制應(yīng)用 2014年3期
        關(guān)鍵詞:磁通磁力永磁

        張 萌, 趙海森, 劉曉芳, 姚 鵬, 周慶根

        (1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206;2. 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司,上海 200063;3. 天津永磁節(jié)能科技有限公司,天津 300222)

        0 引 言

        變頻調(diào)速技術(shù)因其運(yùn)行效率高、調(diào)節(jié)便捷等優(yōu)點(diǎn)成為廣泛采用的調(diào)速方式,但其運(yùn)行中會產(chǎn)生大量高次諧波,對電網(wǎng)造成污染,并具有運(yùn)行故障率高、維修費(fèi)用高等缺點(diǎn)。針對上述問題,國內(nèi)外學(xué)者提出了一種新型調(diào)速技術(shù)——永磁磁力耦合器調(diào)速,其利用渦流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與永磁磁場的相互作用調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速,具有柔性起動、結(jié)構(gòu)簡單、無諧波污染等優(yōu)點(diǎn),已成為風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的優(yōu)選節(jié)能調(diào)速設(shè)備[1]。永磁磁力耦合器根據(jù)結(jié)構(gòu)通??煞譃闄M向磁通式和徑向磁通式兩種[2]。

        已有大量文獻(xiàn)在永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行性能方面開展了相關(guān)研究。例如,文獻(xiàn)[3]利用釤鈷永磁體設(shè)計(jì)永磁齒輪,最大傳遞力矩為5.5N·m。文獻(xiàn)[4]對一臺磁力耦合器進(jìn)行了靜態(tài)磁場分析,得出導(dǎo)體環(huán)中磁通沿徑向及軸向的分布情況,并對渦流進(jìn)行了參數(shù)化分析。文獻(xiàn)[5]對一臺可調(diào)速異步盤式磁力聯(lián)軸器進(jìn)行了三維磁場數(shù)值計(jì)算,得出靜態(tài)和瞬態(tài)下的氣隙磁場分布,并研究了氣隙長度、永磁體厚度等關(guān)鍵參數(shù)對力矩的影響。文獻(xiàn)[6]對圓盤形永磁耦合器的關(guān)鍵系數(shù)進(jìn)行有限元分析,并研究了樣機(jī)的調(diào)速性能和軸向吸引力趨勢。文獻(xiàn)[7-8]采用2-D和3-D時(shí)步有限元法相結(jié)合的方法分析了永磁磁力耦合器的渦流損耗,提出了一種可減少渦流損耗的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

        上述文獻(xiàn)大多針對橫向磁通式永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能仿真分析開展研究。受結(jié)構(gòu)影響,徑向式和橫向式兩種耦合器之間存在較大差別,而對于徑向磁通式永磁磁力耦合器的調(diào)速性能、自身損耗及傳動效率等方面研究內(nèi)容涉及較少。針對該問題,本文以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例,設(shè)計(jì)搭建了能效測試試驗(yàn)平臺,對其調(diào)速特性、自身損耗特性及效率特性進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究,所得結(jié)論為下一步永磁磁力耦合器性能改善提供了參考。

        1 徑向磁通式永磁磁力耦合器工作原理

        徑向磁通式永磁磁力耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其由可完全分離的主、從動轉(zhuǎn)子組成,兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械連接。主動轉(zhuǎn)子包含銅層導(dǎo)體,從動轉(zhuǎn)子由徑向充磁的永磁體組成。工作時(shí),由原動機(jī)帶動主動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),主、從動轉(zhuǎn)子間發(fā)生相對運(yùn)動,導(dǎo)體銅盤切割永磁體磁力線,在銅盤內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流感生附加磁場,與永磁磁場相互作用,帶動從動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)力矩傳輸。對于徑向磁通式永磁磁力耦合器,可通過改變主、從動轉(zhuǎn)子之間的軸向耦合程度實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

        圖1 徑向磁通式永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)

        2 永磁磁力耦合器能效測試試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例,設(shè)計(jì)能效測試試驗(yàn)方案。以風(fēng)機(jī)為負(fù)載,對其進(jìn)行調(diào)速,測量在不同轉(zhuǎn)速下徑向磁通式永磁磁力耦合器的調(diào)速性能與能效特性??赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)操作桿來調(diào)節(jié)樣機(jī)主、從動轉(zhuǎn)子間的耦合程度。能效測試試驗(yàn)方案示意圖如圖2所示。永磁磁力耦合器的主動轉(zhuǎn)子與原動機(jī)同軸旋轉(zhuǎn),在從動側(cè)與風(fēng)機(jī)負(fù)載之間加裝轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器,可測得永磁磁力耦合器的輸出轉(zhuǎn)速及傳遞轉(zhuǎn)矩的大小。

        圖2 能效測試試驗(yàn)方案示意圖

        依據(jù)試驗(yàn)方案所搭建的能效測試試驗(yàn)平臺如圖3所示。試驗(yàn)采用1.1kW單相電機(jī)作為原動機(jī),其額定轉(zhuǎn)速為2900r/min。由單相調(diào)壓器為電機(jī)供電,保證試驗(yàn)過程中電機(jī)始終運(yùn)行在額定電壓220V。在電機(jī)輸入側(cè)連接功率分析儀,實(shí)時(shí)測量輸入試驗(yàn)系統(tǒng)的有功功率和電壓。在永磁磁力耦合器主動轉(zhuǎn)子外圍設(shè)置鍵相,通過手持式閃光測速儀測量輸入轉(zhuǎn)速。從動轉(zhuǎn)子與ZH07型轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器相連,該扭矩儀準(zhǔn)確度等級02級,轉(zhuǎn)矩量程20N·m,可實(shí)時(shí)測量永磁磁力耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速。多翼離心式通風(fēng)機(jī)作為負(fù)載,該負(fù)載的軸功率P∝n3。

        圖3 能效測試試驗(yàn)平臺

        在試驗(yàn)中可得到下述所需電氣量: 由功率分析儀測得的試驗(yàn)系統(tǒng)的輸入有功功率Pin(即異步電機(jī)的輸入有功功率)、由手持式閃光測速儀測得的磁力耦合器的輸入轉(zhuǎn)速n1、由扭矩儀所測得的傳遞轉(zhuǎn)矩T及輸出轉(zhuǎn)速n2。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信,需在相同條件下重復(fù)進(jìn)行若干次,當(dāng)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)具有較高重復(fù)度時(shí),認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。

        3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

        3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理方法

        由永磁磁力耦合器的主動側(cè)轉(zhuǎn)速n1和從動側(cè)轉(zhuǎn)速n2可得永磁磁力耦合器的轉(zhuǎn)差率sc為

        sc=(n1-n2)/n1

        (1)

        永磁磁力耦合器為恒轉(zhuǎn)矩傳輸設(shè)備[9-10],運(yùn)行過程中主、從動轉(zhuǎn)子間的傳遞轉(zhuǎn)矩為T。由傳遞轉(zhuǎn)矩T及從動側(cè)轉(zhuǎn)速n2,計(jì)算可得其輸出功率P2,即驅(qū)動負(fù)載風(fēng)機(jī)功率為

        (2)

        式中:Ω2——永磁磁力耦合器的輸出角速度。

        同理,可得到永磁磁力耦合器的輸入功率,即電機(jī)輸出功率P1。

        P1=TΩ1

        (3)

        由式(2)和式(3)可得

        (4)

        永磁磁力耦合器自身損耗pc及系統(tǒng)運(yùn)行效率η為

        pc=P1-P2

        (5)

        (6)

        根據(jù)上述方法,對實(shí)測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        3.2 永磁磁力耦合器調(diào)速性能

        永磁磁力耦合器的調(diào)速特性曲線如圖4所示。隨著耦合程度增加,原動機(jī)轉(zhuǎn)速n1逐漸降低,但降幅較小,永磁磁力耦合器輸出轉(zhuǎn)速n2則迅速增大至最大值,后趨于平穩(wěn),如圖4(a)所示。永磁磁力耦合器主、從動轉(zhuǎn)子間始終存在轉(zhuǎn)速差,耦合器需依賴此轉(zhuǎn)差產(chǎn)生渦流進(jìn)而傳遞轉(zhuǎn)矩。隨著耦合程度的變化,傳遞轉(zhuǎn)矩T快速響應(yīng),如圖4(b)所示。

        由于風(fēng)機(jī)負(fù)載的特殊性,存在最佳調(diào)速范圍,即其最低轉(zhuǎn)速不小于調(diào)速設(shè)備輸入轉(zhuǎn)速的60%。通常風(fēng)機(jī)負(fù)載只在其額定轉(zhuǎn)速的70%~95%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速。因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí),風(fēng)機(jī)本身的運(yùn)行效率很低,運(yùn)行不經(jīng)濟(jì);而在輸出轉(zhuǎn)速過高時(shí),調(diào)速效果不明顯[11]。由圖4可知,在永磁磁力耦合器輸出轉(zhuǎn)速處于輸入轉(zhuǎn)速的70%~95%范圍內(nèi),即輸出轉(zhuǎn)速n2為2000~2450r/min時(shí),永磁磁力耦合器耦合程度為8~18mm,轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差率及轉(zhuǎn)矩在該過程中變化明顯,體現(xiàn)了良好的調(diào)速性能。

        圖4 永磁磁力耦合器的調(diào)速特性曲線

        當(dāng)耦合程度超出上述調(diào)速范圍時(shí),耦合程度的變化對于永磁磁力耦合器調(diào)速性能的影響甚微。這是受輸入功率P1的限制所致。輸入、輸出功率變化曲線如圖5所示。由圖可知,當(dāng)耦合程度超過18mm時(shí),若想增大永磁磁力耦合器輸出功率P2,只能通過增大輸入功率P1,即增加異步電機(jī)輸出功率來實(shí)現(xiàn)。在此區(qū)間內(nèi),永磁磁力耦合器作為一種無機(jī)械連接的聯(lián)軸器,可承受一定程度的軸振并高效傳遞轉(zhuǎn)矩。

        圖5 輸入、輸出功率變化曲線

        圖6 永磁磁力耦合器損耗特性曲線

        3.3 永磁磁力耦合器損耗特性

        永磁磁力耦合器損耗特性曲線如圖6所示。由圖可知,其自身損耗隨耦合程度增加呈先增大后減小的趨勢。運(yùn)行時(shí)其損耗主要包括渦流損耗和摩擦損耗,試驗(yàn)中摩擦損耗很小,可忽略不計(jì)。渦流損耗的大小與銅盤內(nèi)感應(yīng)磁場的幅值和頻率相關(guān)[12],即其大小受永磁磁力耦合器主、從動轉(zhuǎn)子間的耦合程度和轉(zhuǎn)差率兩個(gè)因素共同影響。

        當(dāng)耦合距離小于12mm時(shí),增加耦合程度,主、從動轉(zhuǎn)子間的有效作用面積增大,使得由耦合程度變化而引起的渦流損耗增加;超過12mm后,永磁磁力耦合器的調(diào)速性能達(dá)到最大,磁化曲線已飽和,繼續(xù)改變耦合程度不再影響渦流損耗,故在此過程中,由耦合程度變化而引起的渦流損耗保持不變。另一方面,在試驗(yàn)中轉(zhuǎn)差率sc隨著耦合程度增大而減小,感應(yīng)磁場頻率隨之減小,導(dǎo)致渦流損耗近似線性減小[13]。受上述兩個(gè)因素共同影響,磁力耦合器自身損耗最終呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

        考慮到永磁磁力耦合器最佳調(diào)速范圍為耦合距離8~18mm,超出此范圍時(shí)耦合器不適用于調(diào)速,而是作為高效傳動聯(lián)軸器繼續(xù)運(yùn)行。結(jié)合在不同區(qū)間內(nèi)永磁磁力耦合器運(yùn)行情況分析其自身損耗特性,可得如下結(jié)論。

        (1) 在最佳調(diào)速范圍內(nèi),永磁磁力耦合器的自身損耗隨著耦合程度增加而顯著降低。耦合距離為8mm時(shí),輸出轉(zhuǎn)速n2已高于2000r/min,自身損耗為此范圍內(nèi)的最大值150W;在最佳調(diào)速范圍內(nèi)的最小損耗約為30W。這說明在永磁磁力耦合器表現(xiàn)較好的調(diào)速性能時(shí),其自身損耗也較小。

        (2) 耦合程度12mm處為耦合器自身損耗變化的拐點(diǎn)。當(dāng)耦合程度在8~12mm范圍內(nèi)時(shí),隨著耦合程度的增大,其自身損耗迅速降低,斜率很大,說明在這個(gè)調(diào)速范圍內(nèi),永磁磁力耦合器呈現(xiàn)出調(diào)速響應(yīng)速度快且平滑的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)耦合程度高于12mm時(shí),隨著耦合程度的增大,其自身損耗依然相應(yīng)減小,但減小的速度開始減慢,斜率變小,即永磁磁力耦合器呈現(xiàn)低損耗、高效率運(yùn)行的特點(diǎn)。

        (3) 當(dāng)耦合程度高于18mm時(shí),永磁磁力耦合器的輸出功率P2及輸出轉(zhuǎn)速n2均受到輸入功率P1的制約,耦合程度與轉(zhuǎn)差率的變化都不再是其自身損耗的影響因素。因此,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 2500r/min 時(shí),耦合器的自身損耗最終會維持在約11W不變。即在此范圍內(nèi),永磁磁力耦合器可低損耗穩(wěn)定運(yùn)行,表現(xiàn)出高效傳動特性。

        3.4 永磁磁力耦合器傳動效率

        永磁磁力耦合器運(yùn)行效率曲線如圖7所示。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),其運(yùn)行效率較低,調(diào)速性能差,運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。在永磁磁力耦合器的最佳調(diào)速范圍內(nèi),即耦合程度為8~16mm時(shí),其運(yùn)行效率單調(diào)遞增,呈近似線性關(guān)系,最低效率為75%,最高效率可達(dá)95%。說明在此范圍內(nèi),永磁磁力耦合器可平滑而快速地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,并能夠保證較高的運(yùn)行效率,自身損耗較小。隨著耦合程度增加,運(yùn)行效率單調(diào)遞增,當(dāng)耦合程度高于16mm時(shí),永磁磁力耦合器的效率始終維持在約98%,表現(xiàn)了其在高轉(zhuǎn)速下高效傳遞的優(yōu)點(diǎn)。

        圖7 運(yùn)行效率曲線

        4 結(jié) 語

        本文以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例,對其調(diào)速性能、自身損耗特性及運(yùn)行效率特性進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究。

        永磁磁力耦合器在調(diào)速范圍內(nèi)表現(xiàn)出了良好的綜合性能,超出此范圍時(shí),表現(xiàn)出優(yōu)異的高效傳動性能。試驗(yàn)所得結(jié)論為進(jìn)一步研究永磁磁力耦合器的性能改善提供了參考。

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