梅欣鑫 葉樂志 李德勝 劉玉朋

北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京，100124

自勵式電磁渦流聯(lián)軸器調(diào)速性能研究

梅欣鑫 葉樂志 李德勝 劉玉朋

北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京，100124

針對永磁渦流聯(lián)軸器調(diào)速結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，結(jié)合自勵發(fā)電和渦流傳動技術(shù)，提出一種新型自勵式電磁渦流聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)。通過建立自勵發(fā)電和電渦流傳動兩部分的電磁場有限元數(shù)值模型，研究了自勵式電磁渦流聯(lián)軸器的發(fā)電特性和傳動特性。通過對轉(zhuǎn)速差、導(dǎo)體層和氣隙長度對傳動力矩影響的分析可以看出：轉(zhuǎn)速差較小時，導(dǎo)體層選擇電導(dǎo)率高的材料可以得到較大的力矩；銅層厚度由1 mm增大到9 mm時，傳動力矩先增大后減小，在銅層厚度為5 mm時達到最大；傳動力矩隨氣隙長度增大而減小。

渦流聯(lián)軸器；自勵式發(fā)電；調(diào)速特性；傳動力矩

0 引言

無接觸式渦流聯(lián)軸器是一種利用渦流傳動原理的磁力傳動裝置，該聯(lián)軸器具有過載保護、節(jié)能環(huán)保和傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。渦流聯(lián)軸器已廣泛應(yīng)用在水泵和風(fēng)機等設(shè)備上，市場上常見的是永磁渦流聯(lián)軸器[1-2]，永磁渦流聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)上分為盤式和筒式。盤式永磁渦流聯(lián)軸器通過改變氣隙長度來實現(xiàn)調(diào)速，而筒式永磁渦流聯(lián)軸器的調(diào)速方式是改變嚙合面積[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對永磁渦流聯(lián)軸器進行了大量研究。萬援[5]基于盤式永磁渦流聯(lián)軸器三維有限元模型，研究了傳動力矩、軸向力及效率與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系；周麗萍[6]提出一種筒式永磁渦流聯(lián)軸器，并對其輸出功率、傳動力矩和軸向力隨嚙合面積和轉(zhuǎn)差率的變化規(guī)律進行了深入研究。KATSUMI等[7]利用三維有限元方法研究了盤式永磁渦流聯(lián)軸器產(chǎn)生的渦流損耗，并將估算值與實驗測量值、理論計算值進行了對比。

本文針對永磁渦流聯(lián)軸器調(diào)速結(jié)構(gòu)復(fù)雜、永磁體高溫失磁、力矩調(diào)節(jié)精度低等問題，提出一種新型自勵式電磁渦流聯(lián)軸器。該新型聯(lián)軸器無機械運動，通過改變發(fā)電系統(tǒng)勵磁線圈中的勵磁電流大小即可實現(xiàn)調(diào)速，進而實現(xiàn)高精度力矩調(diào)節(jié)；通過電磁鐵代替永磁體，解決了永磁體失磁問題；自帶發(fā)電系統(tǒng)，滿足節(jié)能的要求。

1 新型調(diào)速器結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，盤式永磁渦流聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)主要是由永磁盤和導(dǎo)體盤構(gòu)成的。永磁盤由永磁體和軛鐵組成，與負載軸相連；導(dǎo)體盤由導(dǎo)體層和導(dǎo)磁體組成，與驅(qū)動軸相連。當(dāng)驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)體盤隨驅(qū)動軸以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，與靜止的永磁盤之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，導(dǎo)體層在交替變化的磁場中產(chǎn)生渦電流，渦電流感應(yīng)的磁場又與原磁場進行耦合作用產(chǎn)生傳動力矩，進而帶動永磁盤隨導(dǎo)體盤同向轉(zhuǎn)動。通過驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)永磁盤和導(dǎo)體盤之間的氣隙大小，改變磁場的強度，從而能實現(xiàn)對負載的調(diào)速。

圖1 永磁渦流聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of permanent magnet eddy current coupling

新型自勵式電磁渦流聯(lián)軸器主要由傳動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和控制模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳動系統(tǒng)包括渦流線圈、電磁鐵芯、鐵芯保持架、導(dǎo)體層和導(dǎo)磁體，若干個渦流線圈纏繞在電磁鐵芯上，電磁鐵芯均勻分布在鐵芯保持架上；發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電系統(tǒng)電樞繞組、發(fā)電系統(tǒng)勵磁線圈、發(fā)電系統(tǒng)硅鋼片和發(fā)電系統(tǒng)勵磁磁極，發(fā)電系統(tǒng)硅鋼片固定在鐵芯保持架內(nèi)側(cè)作為發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子，發(fā)電系統(tǒng)電樞繞組與渦流線圈相連，控制模塊用于調(diào)節(jié)勵磁電流的大小。工作時，通過控制模塊使發(fā)電系統(tǒng)勵磁線圈通電，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢為渦流線圈提供電壓，渦流線圈中產(chǎn)生電流，電磁鐵芯產(chǎn)生磁力線，導(dǎo)體層切割鐵芯保持架上由電磁鐵芯發(fā)出的磁力線,在導(dǎo)體層內(nèi)表面產(chǎn)生渦流電勢，從而產(chǎn)生傳動力矩，帶動負載軸旋轉(zhuǎn)。通過控制模塊調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)勵磁線圈中電流大小可對負載調(diào)速。

圖2 自勵式電磁渦流聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of self-excited electromagnetic eddy current coupling

2 聯(lián)軸器設(shè)計

自勵式電磁渦流聯(lián)軸器設(shè)計分為傳動部分和發(fā)電部分，具體包括對傳動系統(tǒng)電磁場、傳動力矩以及發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電特性進行分析。

2.1傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1磁路設(shè)計

自勵式電磁渦流聯(lián)軸器是以渦流線圈作為磁源的，為防止磁路達到飽和，需要對其磁路進行分析，得出氣隙磁通密度的影響因素，為優(yōu)化磁路提供理論依據(jù)。傳動系統(tǒng)電磁鐵芯設(shè)計成交錯分布式的，為了便于分析和計算，可以將相鄰兩電磁鐵芯的磁路等效為如圖3a所示的情況。電磁鐵芯發(fā)出磁力線，在鐵芯、導(dǎo)體層、導(dǎo)磁體、兩個氣隙δ和鐵芯保持架之間形成一個閉合的磁路。為了簡化分析過程，對漏磁通忽略不計，可將磁路圖簡化為圖3b所示的等效電路。

根據(jù)磁路基爾霍夫第一定律有

Φ0=Φ1+Φ1

(1)

式中，Φi(i=0，1)為各支路磁通。

對于任一閉合磁路，根據(jù)磁路基爾霍夫第二定律可知

2kNI=Φ0(R1+R2)+Φ1R1+Φ1(R0+R0)+Φ1R3

(2)

(3)

(a)磁路模型

(b)等效電路圖3 傳動系統(tǒng)等效磁路模型Fig.3 Equivalent magnetic circuit model of transmission system

式中,N為渦流線圈的匝數(shù)，I為渦流線圈中的電流；μi、Si、li、Ri(i=1,2,3)分別為內(nèi)轉(zhuǎn)子、鐵芯和外轉(zhuǎn)子的磁導(dǎo)率、磁通面積、磁路長度以及磁阻;R0為磁路中的一個氣隙磁阻。

根據(jù)式(1)～式(3)可得氣隙磁通密度B0為

(4)

2.1.2有限元分析

為了分析聯(lián)軸器傳動特性，需對聯(lián)軸器傳動系統(tǒng)進行有限元仿真。圖4所示為傳動系統(tǒng)分析模型。

圖4 傳動系統(tǒng)分析模型Fig.4 The analysis model of transmission system

鐵芯保持架和導(dǎo)磁體材料為10鋼，導(dǎo)體層材料為銅，渦流線圈為銅線，模型主要參數(shù)如表1所示。

在分析電磁場模型時，作出以下假設(shè)：①忽略曲率和位移電流密度；②忽略磁路的遲滯損耗和雜散損耗；③忽略溫升對材料特性的影響[8]。在模型仿真分析時，設(shè)定渦流線圈中勵磁電流為20 A，輸入轉(zhuǎn)速為1500 r/min，轉(zhuǎn)差率為0.05。傳動系統(tǒng)磁通密度分布如圖5所示。對磁通密度分布分析的目的是得出模型的飽和程度,避免達到設(shè)計要求之前出現(xiàn)飽和[9]。可以看出，最可能出現(xiàn)飽和的位置在由渦流線圈包圍的電磁鐵芯處。

表1 傳動系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameter of transmission system

圖5 傳動系統(tǒng)磁通密度Fig.5 Magnetic flux density of transmission system

圖6 傳動力矩隨轉(zhuǎn)速差變化曲線Fig.6 Variation curve of driving torque with speed

2.2發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1參數(shù)選型

發(fā)電系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)是按傳動系統(tǒng)的傳動力矩為750 N·m時設(shè)定的，傳動系統(tǒng)共有12個渦流線圈，采用4串3并的連接方式，總電阻為1.89 Ω，每個渦流線圈需20 A勵磁電流，需要發(fā)電系統(tǒng)提供總勵磁電流60 A,輸入轉(zhuǎn)速為1500 r/min，因此可以將發(fā)電系統(tǒng)的額定功率設(shè)為6.8 kW，整流電壓為110 V。發(fā)電系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)見表2。

表2 發(fā)電系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)Tab.2 Rating data of power generation systems

2.2.2電磁設(shè)計與仿真分析

對發(fā)電系統(tǒng)部分取模型的1/12進行分析，邊界條件采用反對稱周期邊界。圖7所示為發(fā)電系統(tǒng)有限元分析模型。

圖7 發(fā)電系統(tǒng)有限元分析模型Fig.7 Finite element analysis model of power generation system

發(fā)電系統(tǒng)勵磁磁極由硅鋼片疊成，勵磁線圈和電樞繞組均為銅線。發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)見表3。

表3 發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of power generation system

圖8所示為發(fā)電系統(tǒng)有限元分析外部電路。由于發(fā)電系統(tǒng)的外部負載就是傳動系統(tǒng)的渦流線圈，在外部電路中把負載簡化為電阻值為1.89 Ω的電阻，電流表A測量負載電流Id,電壓表V1、V2的差值即是負載的端電壓。發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的三相交流電需要經(jīng)過整流器整流成直流電后，再提供給傳動系統(tǒng)渦流線圈。

真正走近東滸村這棵千年古樟后，我才看到了它身上的兩道傷疤：一處是被“斷臂”后的傷口，另一處是被剝皮后的“毀容”。

圖8 發(fā)電系統(tǒng)有限元分析外部電路Fig.8 External circuit for finite element analysis of power generation systems

設(shè)定轉(zhuǎn)速n=1500 r/min，分別對空載和負載工況進行瞬態(tài)仿真，得到發(fā)電系統(tǒng)磁通密度分布云圖見圖9，發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部磁場分布均勻，無飽和現(xiàn)象，驗證了發(fā)電系統(tǒng)主體設(shè)計符合工作要求。

圖10給出了發(fā)電系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速n=1500 r/min時，空載工況下仿真得到的氣隙磁通密度分布曲線，從圖中可以看出氣隙磁通密度分布曲線接近正弦。

(a)空載

(b)負載圖9 發(fā)電系統(tǒng)磁場分布云圖Fig.9 Magnetic distribution of power generation system

圖10 發(fā)電系統(tǒng)氣隙磁通密度分布曲線Fig.10 Air gap flux density distribution of power generation system

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000 r/min和1500 r/min時，在不同勵磁電流下對發(fā)電系統(tǒng)進行2D瞬態(tài)場路耦合仿真，從圖11中可以看出，當(dāng)勵磁電流大于2 A時，空載電壓變化緩慢，發(fā)電系統(tǒng)磁路出現(xiàn)飽和。

圖11 發(fā)電系統(tǒng)空載特性曲線Fig.11 No-load characteristic curve of power generation system

在不同負載電阻RL下對發(fā)電系統(tǒng)進行仿真分析，對發(fā)電系統(tǒng)的電磁特性匹配設(shè)計有重要意義。圖12為轉(zhuǎn)速n=1500 r/min時擬合得到不同發(fā)電系統(tǒng)勵磁電流下負載電阻RL與負載電流Id之間的關(guān)系曲線。

圖12 1500 r/min時不同勵磁電流下的RL-Id曲線Fig.12 RL-Id curves under different exciting currents at 1500 r/min

從圖12可以看出，當(dāng)負載電阻RL=1.89 Ω,發(fā)電系統(tǒng)勵磁電流I=2.5 A時，負載電流Id=60 A，傳動系統(tǒng)渦流線圈采用的是4串3并的連接方式，每個渦流線圈的勵磁電流為20 A，滿足傳動系統(tǒng)的傳動力矩達到750 N·m所需的勵磁電流。

3 傳動力矩特性分析

3.1轉(zhuǎn)速差的影響

為了考察電磁渦流聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速差對傳動力矩大小的影響，下面分析轉(zhuǎn)速差在0～300 r/min范圍內(nèi)傳動力矩的變化情況。

轉(zhuǎn)速差與傳動力矩的關(guān)系見圖13，當(dāng)轉(zhuǎn)速差在0～300 r/min變化時，傳動力矩先增大后減小，這是因為導(dǎo)體層內(nèi)表面渦流密度隨著轉(zhuǎn)速差增大而增大；低速時，由于渦流密度較小，渦流產(chǎn)生的反磁場小，磁勢與磁通變化不大，傳動力矩隨轉(zhuǎn)速差的增大而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速差進一步增大時，渦流產(chǎn)生的反磁場變大，總磁勢與磁通減小，傳動力矩減小。調(diào)速范圍選在轉(zhuǎn)速差為0～150 r/min時，渦流損失小，效率較高，可根據(jù)此曲線的傳動力矩和轉(zhuǎn)速差選擇相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速。

圖13 傳動力矩隨轉(zhuǎn)速差變化的關(guān)系曲線Fig.13 Relation curve of driving torque with speed

3.2導(dǎo)體層的影響

先考察導(dǎo)體層電導(dǎo)率的影響。保持電磁渦流聯(lián)軸器工作氣隙2 mm不變，分別選用不同電導(dǎo)率的導(dǎo)體層進行仿真。圖14中，γ1、γ2、γ3代表導(dǎo)體層三種不同材料的電導(dǎo)率，其中γ1為銅層的電導(dǎo)率。圖中可以看出在低轉(zhuǎn)速差條件下，導(dǎo)體層選擇電導(dǎo)率高的材料能得到更大的傳動力矩。

圖14 不同電導(dǎo)率的導(dǎo)體層下傳動力矩隨轉(zhuǎn)速差變化的關(guān)系曲線Fig.14 The relationship between driving torque and speed for conductor layer with different conductivities

再考察當(dāng)導(dǎo)體層材料為銅時，銅層厚度的影響。銅層厚度從1 mm增大到9 mm，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖15所示。從圖15中可以看出：轉(zhuǎn)速差不變時，隨著銅層厚度的增大，傳動力矩先增大后減小，在銅層厚度為5 mm時達到最大值，這是因為銅的電導(dǎo)率較高，有利于電渦流的形成，因此傳動力矩隨著銅層厚度的增大而逐步變大，但是由于銅的磁導(dǎo)率非常低，當(dāng)銅層厚度大于5 mm時，銅層表面磁場強度逐漸減小，最終導(dǎo)致傳動力矩變小。

圖15 傳動力矩隨銅層厚度變化的關(guān)系曲線Fig.15 The relationship between the driving torque and the thickness of copper layer

3.3氣隙長度的影響

由于氣隙中的磁阻要比導(dǎo)體中的磁阻大得多，所以磁勢主要消耗在氣隙中，當(dāng)氣隙長度增大時，氣隙磁感應(yīng)強度B減小，從而導(dǎo)致傳動力矩T減小，如圖16所示。

圖16 傳動力矩隨氣隙長度變化的關(guān)系曲線Fig.16 The relationship between the driving torque and the length of air gap

4 結(jié)論

(1)提出了一種新型的自勵式電磁渦流聯(lián)軸器，設(shè)計了發(fā)電系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)磁路結(jié)構(gòu)，運用有限元法對自勵式電磁渦流聯(lián)軸器的發(fā)電系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的電磁場進行了分析。

(2)建立電磁渦流聯(lián)軸器電磁場模型，并應(yīng)用電磁場仿真軟件，對模型進行了數(shù)值模擬分析，研究了轉(zhuǎn)速差、導(dǎo)體層和氣隙長度對傳動力矩的影響。

(3)轉(zhuǎn)速差較小時，導(dǎo)體層選擇電導(dǎo)率高的材料可以得到較大的傳動力矩；傳動力矩隨著銅層厚度的增大先增后減，綜合考慮成本和體積因素，銅層厚度一般在5 mm；氣隙長度越大，氣隙磁感應(yīng)強度越小，傳動力矩也越小。

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(編輯王艷麗)

ResearchonSpeedRegulationPerformanceofSelf-excitedElectromagneticEddyCurrentCouplings

MEI Xinxin YE Lezhi LI Desheng LIU Yupeng

College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing，100124

Due to the complex structures of a permanent magnet eddy current coupling, this paper presented a novel structure of self-excited electromagnetic eddy current couplings, which combined the technology of excitation power generation and eddy current drive. The generating characteristics and the drive characteristics were studied on the self-excited electromagnetic eddy current couplings by establishing the finite element numerical model of the electromagnetic fields for excitation power generation and eddy current drive. The influences of rotational speed differences, conductor layers and air gap lengths on the driving torque were analyzed, then draw a conclusion that when the materials with high conductivity are used for the conductor layers, a larger torque at a low rotational speed differences may be obtained; when the thicknesses of copper layers increase from 1 mm to 9 mm, the driving torque increases first and then decreases, and the maximum of the driving torque is reached at thickness of 5 mm. The driving torque reduces along with the increments of the air gap lengths.

eddy current coupling; self-excited generator; speed regulation characteristics; driving torque

2016-11-07

北京市科技新星計劃資助項目(Z151100000315079)

TH133.4

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.17.010

梅欣鑫，男，1992年生。北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為電磁渦流傳動。葉樂志(通信作者)，男，1982年生。北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院博士、講師。E-mail:yelezhi@bjut.edu.cn。李德勝，男，1962年生。北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。劉玉朋，男，1994年生。北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院碩士研究生。