牛耀宏

（1.中國礦業(yè)大學 （北京）機電信息學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.河北能源職業(yè)技術學院，河北省唐山市，063004）

影響礦用磁力耦合器工作性能的因素分析

牛耀宏1，2

（1.中國礦業(yè)大學 （北京）機電信息學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.河北能源職業(yè)技術學院，河北省唐山市，063004）

利用礦用磁力耦合聯軸器的試驗數據進行分析和研究，探討了其工作氣隙、銅盤厚度、磁鐵厚度、面積及磁極對數等參數的變化對輸出轉矩的影響，從而為礦用磁力耦合聯軸器的啟動特性、過載保護性能和運行效率等工作特性及產品開發(fā)與應用的可行性研究提供依據。

磁力耦合聯軸器 輸出轉矩 啟動特性 過載保護 運行效率

永磁磁力耦合器是由導體盤 （銅盤）、永久磁體盤 （鋁盤）以及聯接部件組成的磁力驅動聯接裝置，主要部件的結構參數對其機械特性有著不同程度的影響，找出它們的影響規(guī)律，對研究磁力耦合器設計有著重要的參考價值。

本文以40 k W礦用刮板輸送機應用的永磁磁力耦合器為例，通過設計搭建測試平臺，全面測試和分析了其結構參數對機械特性的影響關系，為永磁耦合器的設計奠定了一定的試驗基礎。

1 試驗平臺的搭建

磁力耦合器的工作性能主要包括啟動性能、過載保護能力和傳遞轉矩與效率3個方面，負載為恒轉矩負載。針對實際的工作要求，設計搭建實際工況模擬試驗平臺示意圖如圖1所示。

圖1 永磁耦合器模擬試驗平臺示意圖

由圖1可以看出，試驗平臺動力采用DSB（JDSB）-40-4 （380／660）隔爆型三相異步電動機，負載采用磁粉制動器，在輸入和輸出軸分別安裝轉速和轉矩測試傳感器和機械效率測試儀。測試用磁力耦合器結構示意圖如圖2所示。

圖2 永磁耦合器基本結構示意圖

2 試驗測試及結果分析

根據設計要求，試驗測試了永磁磁力耦合器在不同的工作氣隙、銅盤厚度、磁極厚度和磁極對數的情況下，負載側的轉矩值隨轉差的變化規(guī)律。

2.1 工作氣隙與銅盤厚度的影響

2.1.1 工作氣隙的影響

由磁場的性質可知，在磁極軸向長度、磁極之間的距離、鐵板與磁極間的距離和銅盤厚度均不變的情況下，工作氣隙越大漏磁越多，導體切割的有效磁通越小，耦合器傳遞的轉矩就越小。對銅盤厚度為14 mm、磁極對數為4對和磁鐵厚度為15 mm時，工作氣隙分別為4 mm、6 mm、8 mm和10 mm的磁力耦合器機械特性試驗結果如圖3所示。

圖3 氣隙對機械特性的影響

由圖3中可以看出，氣隙從4 mm增大到10 mm時，最大轉矩減小了80 N·m，最小轉矩減小了54 N·m。可見氣隙對轉矩的影響是很大的，所以在加工及安裝精度允許的條件下，應該盡量減小氣隙，以減小耦合器的徑向尺寸。

2.1.2 銅盤厚度的影響

在磁力耦合器的工作中，銅盤主要完成磁場能與電能、電能與機械能的轉換。在頻率較低的條件下，銅盤越厚導體的截面積就越大，電阻就越小，在同樣的電動勢作用下其電流也就越大，傳導的轉矩也應該越大；但在頻率較高的條件下，由于趨膚效應的加劇，銅盤的厚度對電流的影響已不再明顯，在工作氣隙不變的情況下卻得到了反向結果，即銅盤越厚轉矩反而越小。圖4是磁極對數為6、磁鐵厚度為15 mm和工作氣隙為6 mm時，銅盤厚度分別為8 mm、10 mm、12 mm和14 mm的試驗結果。

圖4 銅盤厚度變化時的試驗結果

由圖4可以看出，銅盤厚度從8 mm變化到14 mm時，最大轉矩減小了110 N·m，最小轉矩減小了30 N·m，可見銅盤的厚度對最大轉矩影響較大。而轉矩的減小可以從兩方面解釋：一是銅盤的加厚直接使磁鐵與鋼盤之間的距離加大，使得漏磁增多，因此最大轉矩減小很多，這說明在轉差較小時趨膚效應不是很嚴重，氣隙的影響占主要地位；二是在轉差很大時，趨膚效應明顯，氣隙的變化對啟動轉矩影響不大。為了明確銅盤厚度對轉矩的影響，以磁鐵與鋼盤之間的距離不變?yōu)闂l件，在改變銅盤厚度的同時改變工作氣隙，對磁鐵厚度為20 mm、磁極對數為6時和氣隙及銅盤厚度分別為6+12 mm、8+10 mm、10+8 mm和12+6 mm的耦合器進行試驗，其試驗結果如圖5所示。

圖5 磁鐵與鋼盤之間距離不變的試驗結果

由圖5可以看出，在磁鐵與鋼盤之間的距離不變的情況下，銅盤越厚機械特性曲線越硬，速度穩(wěn)定性越好，說明轉差很小時，由于銅盤的加厚一方面使電阻減小、電流增大進而轉矩增大；另一方面由于銅盤厚度的增加和氣隙的減小，使原來沒有被銅盤切割到的漏磁也進入被切割區(qū)域，參與了能量轉換，提高了磁力線的利用率和耦合器的效率。

2.2 磁鐵的影響

2.2.1 磁鐵厚度的影響

根據圖3中的分析，在增加磁鐵的軸向長度時，同一塊磁鐵的N極到S極之間的距離加大，使其極間漏磁減小，耦合器的轉矩要增大，試驗已經充分證明了這一點。圖6是氣隙為12 mm、銅盤厚度為14 mm和磁極對數為4對時，磁鐵厚度分別為20 mm、25 mm、30 mm的試驗結果。

圖6 磁鐵厚度對機械特性的影響

由圖6可以看出，當磁鐵厚度從20 mm增加到30 mm時，最大轉矩增加64 N·m，最小轉矩增加42 N·m，磁鐵厚度對輸出轉矩的影響很大。但增加磁鐵的厚度必然要增大耦合器的軸向長度，同時要增加成本，因此在進行耦合器設計時也應充分考慮這一點。

2.2.2 磁鐵面積和磁極對數的影響

磁力耦合器是靠磁場力來實現動力傳遞的，轉矩的大小等于力與受力半徑的乘積，其中磁場力的大小又等于磁感應強度、電流及導體有效長度的乘積，電流的大小又與磁通的變化率及導體的電阻有關。因此，在磁感應強度、耦合器和磁鐵的結構尺寸、銅盤和磁盤的相對轉速、氣隙、磁鐵與鋼盤之間距離均已確定的情況下，轉矩的大小將直接與磁鐵的面積和磁極對數有關，其中磁鐵的面積越大磁通越大，磁極對數越多磁通的變化率越大。為了設計出滿足一定轉矩要求的磁力耦合器，必須測試磁鐵的面積和磁極對數與轉矩的關系。圖7是工作氣隙為12 mm、銅盤厚度為6 mm和磁鐵厚度為15 mm，磁極對數分別為1、2、3、4對時所測得的耦合器機械特性。

圖7 磁鐵面積對轉矩的影響

由圖7可以看出，耦合器的輸出轉矩基本與磁鐵的面積成正比關系，再考慮工作氣隙和磁鐵厚度等因素的影響，則可作為耦合器的設計基礎。在磁鐵的面積和磁感應強度及電動機轉速一定的情況下，磁極對數將直接影響感應電動勢和感應電流的大小。從理論上講，磁極對數越多，磁通的變化率越大，電阻一定時銅盤中的渦電流就越大，進而使耦合器傳遞的轉矩也就越大。但由于漏磁的大小隨磁鐵之間距離的減小而增大，同時與工作氣隙和銅盤厚度有關，因此在耦合器的外形尺寸一定時，磁極對數越多，磁鐵的有效面積將減小，每塊磁鐵的磁通量也將減小，所以總的磁通變化率并不與磁極對數成正比，而是存在某一個最優(yōu)的數值可以使傳遞的轉矩最大。本文對磁鐵的布置作了如圖8所示的考慮。

圖8 磁鐵的布置

由圖8可以看出，設計時如果使得A≥2B，這樣漏磁就會減少，使磁力線沿磁阻盡量小的路徑 （磁鐵—鋼盤—磁鐵）形成回路。如果不滿足此條件漏磁將最大；若按此條件設計，磁極數量就不可能過多，過分增加磁極對數只能減小A的尺寸或磁極的面積，使得被銅盤切割的有效磁通減小，轉矩也隨之減小。在保持磁鐵面積和耦合器結構尺寸不變的情況，只改變磁極對數的情況試驗結果如圖9所示。

由圖9可以看出，磁極對數對轉矩 （傳遞功率）的影響并不大，這說明功率的傳遞主要取決于穿過銅盤的磁力線的多少，而不是磁極對數。但從試驗結果也可以看出隨磁極對數的增多使得最大轉矩也略有增加，其原因是在耦合器結構尺寸不變的情況下，隨著磁極對數的增多，磁路長度略有縮短造成的。

圖9 磁極對數對轉矩的影響

3 結論

通過對試驗數據進行了理論分析后，得到磁力耦合器的各項參數對其工作性能的影響主要有：磁力耦合聯軸器的間隙對最大轉矩的影響較大，設計此產品時，應盡量減少間隙，以減小耦合器的徑向尺寸；在磁鐵與鋼盤之間的距離不變的情況下，銅盤越厚機械特性曲線越硬，速度穩(wěn)定性越好；磁鐵厚度對輸出轉矩的影響很大，但增加磁鐵的厚度必然要增大耦合器的軸向長度，同時要增加成本，因此在進行耦合器設計時也應充分考慮這一點；耦合器的輸出轉矩基本與磁鐵的面積成正比關系，再考慮氣隙、磁鐵厚度等因素的影響，則可作為耦合器的設計基礎；磁極對數對轉矩 （傳遞功率）的影響并不大，這說明功率的傳遞主要取決于穿過銅盤的磁力線的多少，而不是磁極對數。

此類磁力耦合器具有較大的啟動轉矩，完全具備恒轉矩負載驅動能力，能夠適應刮板輸送機的工作需要。所以它既適用于刮板輸送機的恒轉矩負載，也適用于風機泵類負載。

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Analysis of the factors affecting mine magnetic coupling performance

Niu Yaohong1，2
（1.School of Mechanical Electronic ＆Information Engineering，China University of Mining ＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Hebei Energy College of Vocation and Technology，Tangshan，Hebei 063004，China）

This paper analysis and studies the data of magnetic coupling experiment.The effect for the working air gap，copper thickness，magnet thickness，area and poles changes of magnetic coupler to the output torque have been discussed，which provides a basis forproduct of development and the feasibility study for the startup characteristics，overload protection and running efficiency characteristics for magnetic coupling.

magnetic coupler，output torque，the startup characteristics，overload protection，running efficiency

TD614.2

A

牛耀宏 （1965-），男，河北唐山人，教授，研究方向為設備故障診斷及狀態(tài)檢測。

（責任編輯 王雅琴）