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盘式异步磁力联轴器是基于电磁感应原理研制的新型磁力传动装置,除具有传统磁力联轴器减振、无接触传递功率和转矩等特性外,还可实现电机软启动、过载保护及在线调节负载转速转矩功能,已出现逐渐取代变频调速器的趋势。盘式异步磁力联轴器的大转矩和高功率输出是其发展的必然趋势,但是在高速高功率的场合中联轴器存在大量的功率损耗,这些损耗一方面降低了传递效率,另一方面转化为热量使得整个装置的温度升高,影响永磁体的性能,从而降低或破坏联轴器的传递性能。本文在对三维气隙磁场分析的基础上,利用有限元模拟和试验方法对盘式异步磁力联轴器的转矩和温升两大特性进行了系统研究。主要研究工作及成果如下:
1.根据等效面电流法理论,建立了气隙磁场的三维数学模型,推导出了气隙处任意场点的磁感应强度计算公式,并利用MATLAB编程定量得出了磁感应强度沿轴向、径向及周向三个方向的空间分布,之后利用三维磁场测量装置进行三维静态磁场测量,所得结果与理论计算值具有很好地一致性。同时采用有限元模拟和试验测量研究了联轴器真实运行工况下的三维瞬态气隙磁场,并重点探讨了气隙厚度与转差率对轴向磁密的影响。
2.基于麦克斯韦方程组及多层理论建立了联轴器铜损的二维数学模型,并通过分离变量法和MATLAB软件推导出了铜损的解析表达式。利用MAXWELL软件分析了铜盘上的感应电流密度、电流走向、集肤效应及功率损耗,并探讨了不同工作参数对铜盘上感应电流密度和铜损的影响,为联轴器的三维温升计算奠定基础。
3.根据经验公式计算出联轴器各部件的散热系数和导热系数后,利用ANSYS软件模拟特定工况下的稳态温升,得出了联轴器整体及各部件的三维温度分布,并探讨了永磁体上最高温度与工作转速及工作负载的关系。在同样的工况下通过红外线测温仪进行联轴器的温升试验,试验结果与仿真结果比较吻合,两者都表明永磁体上温度在工作温度允许范围内,可以正常安全地工作。
4.以层理论模型为指导,得出了盘式异步磁力联轴器的转矩计算公式。采用了有限元模拟的方法分析了不同工作参数对转矩特性的影响。考虑到结构参数间交叉作用对转矩的影响,本文建立了以减少材料成本和提高转矩性能为双目标的数学优化模型,并利用遗传算法求解得出了结构参数的最佳组合,使联轴器成本降低了16.98%的同时转矩提高了12.82%,达到较高的转矩密度。
5.试验研究了联轴器的传动特性,包括转矩特性及效率两方面。试验结果表明,工作负载及工作转速的增大,转矩值都会增大;气隙厚度增加时转矩下降;工作负载增加时效率出现了先上升后下降的趋势,并且在转差率为3%时,效率达到了最大值95.7%;当转差率为6%不变时,输入功率增大时,效率值始终保持在94%左右,验证了转差率和效率相加之和为1的规律;当输出转矩为25.62N·m～48N·m时,效率始终保持在95%左右,对应的转差率范围为2%～6%,表明此类联轴器在一定负载工况下能够保持高效运行。