开槽盘式磁力耦合器磁场特性及转矩性能研究

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磁力耦合器是一种无接触式的扭矩传递装置,由于其无接触的特点通常被用于冶金、化工等易造成泄露污染的领域,其与风机、泵等负载相连时能够进行无级调速,具有显著的节能效果,此外还具有无噪声、过载保护等诸多优点,具有极高的研究价值。本文针对一种开槽盘式磁力耦合器,开展其磁场分布及转矩特性研究,主要内容如下:(1)建立导体与调制槽不同介质时矢量表达式,推导开槽盘式磁力耦合器的磁密分布及电磁转矩理论计算。在极坐标系中建立开槽盘式磁力耦合器分层模型,考虑永磁体产生的1,3,5次谐波对磁密分布的影响。根据分层模型建立与每层相关的矢量磁位表达式,由于导体层由导体及调制槽交替排布组成,需要分别建立关于导体及调制槽的矢量磁位表达式,在此基础上进行磁密公式及电磁转矩公式的推导。在数值分析软件中,建立相应理论分析模型,获得磁力耦合器的轴向气隙磁密的离散化数值解。(2)进行开槽盘式磁力耦合器的静态磁场、瞬态磁场以及感应磁场模拟分析。通过与实心盘式磁力耦合器的静态磁场分布进行比较,发现调制槽的引入使得基波的轴向感应磁密的幅值获得了增加,并产生了新的谐波,获得调制槽的调制作用随着远离导体表面以及气隙厚度的增加而减弱的规律;对使用不同材料的调制槽及轭铁的磁力耦合器的静态磁密分布进行分析,获得了当调制槽及轭铁材料的磁导率远大于导体时,调制槽及轭铁材料对于调制磁场的影响较小;对瞬态磁密及感应磁密进行分析,发现感应磁场对于永磁磁场主要呈削弱作用,且转速差越大,削弱效果越明显。(3)进行开槽盘式磁力耦合器的机械特性、启动性能以及调速性能模拟分析,并提出了分级设置永磁体盘转速的启动方法。模拟获得不同气隙厚度下的开槽盘式磁力耦合器的机械特性曲线,获得电磁转矩随气隙厚度及转速差的变化规律;通过与实心盘式磁力耦合器的机械特性进行对比,发现调制槽的引入对于磁力耦合器性能的提升作用;对不同负载工况下的启动性能进行分析,研究在不同气隙厚度下以及永磁体盘不同初始转速下的启动性能变化规律,为了以更快的速度启动或者完成对负载较大的设备的启动,提出了分级设置永磁体盘转速的启动方法;根据机械特性曲线,建立不同负载工况下的调速关系模型,获得不同工况负载下调速过程的灵敏性及稳定性;此外,对影响调速的轴向力进行分析,获得在齿槽比不变的情况下轴向力随着齿槽数的增加而增大、随着转速差以及气隙厚度的增大而减小的规律。(4)搭建三维测磁平台,并对开槽盘式磁力耦合器的三维气隙磁场分布进行测量,将所测得的磁场分布结果与理论计算所得的磁场分布结果以及模拟所得的磁场分布结果进行对比,验证了理论模型及模拟分析的准确性;搭建电机对拖转矩转速测量平台,对不同转速差下所产生的电磁转矩、不同负载工况下的启动性能以及调速性能进行测量,将实验结果与模拟结果进行对比,结果表明实验测量结果与模拟结果具有较好的一致性。
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