磁体旋转型鼠笼盘式磁力耦合器齿槽调制与调速性能研究

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磁体旋转型磁力耦合器作为一种新型的可调速传动装置,具有气隙调速、单极磁体旋转调速及复合调速等多种调速方式,相比传统调速型磁力耦合器具有更大的调速范围,在风机、水泵等离心式负载上使用具有显著的节能效果。另外,该耦合器可实现无接触传动,在运行过程中不存在摩擦磨损和振动,维护成本低,可用于危险介质的输送,因此在化工、煤炭、水利、农业等领域都有着广泛的应用,具有很高的研究价值。本文针对一种磁体旋转型鼠笼盘式磁力耦合器从以下方面进行研究:(1)提出运用引入感应磁场的等效磁路模型推导磁体旋转型鼠笼盘式磁力耦合器在永磁体未旋转时磁通量和电磁转矩的理论公式,建立耦合器在不同负载下的调速模型。将感应电流产生的感应磁通视为漏磁支路引入到等效磁路模型中,利用安培环路定律计算出感应磁通密度的表达式,根据“磁路分割”思想来考虑导体转子中齿槽轭铁对磁场的调制作用,将耦合器的气隙主磁通划分为多条支路,再结合基尔霍夫定律得到磁路各部分磁通量和电磁转矩的表达式,进而根据各类负载的转矩特性建立相应的调速模型。(2)模拟分析磁体旋转型鼠笼盘式磁力耦合器的电磁场分布规律、齿槽轭铁的磁场调制作用及齿槽转矩特性。利用有限元软件建立耦合器的三维模型,模拟得到不同气隙厚度和不同单极磁体旋转角度下的静态磁场及瞬态磁场分布,分析不同气隙厚度和转速差下齿槽轭铁对磁场和感应电流的调制作用,获得齿槽轭铁的调制作用随气隙厚度的增大而减弱,随转速差的增大而增强的规律;对开槽结构引起的齿槽转矩进行模拟,分析不同工作参数和不同结构参数对齿槽转矩的影响,获得齿槽转矩幅值随气隙的增大而减小,随单极磁体旋转角度的增大先增大后减小,随开槽角度的增大先减小后增大,随开槽深度的增大无显著变化的规律,最后通过优化结构参数削弱齿槽转矩。(3)提出磁体旋转型鼠笼盘式磁力耦合器在不同工况下三种调速方式的调速范围,并对比分析三种调速方式的能耗情况。通过有限元模拟获得耦合器的机械特性曲线,并与负载转矩特性曲线联立,分析恒转矩、二次方率、恒功率三种负载工况下的调速性能,对比气隙调速、单极磁体旋转调速、复合调速三种调速方式在不同负载工况下的调速范围,得到三种调速方式的最大调速范围分别随负载转矩、转矩系数、功率的增大先增加后减小的规律,且恒转矩和恒功率负载下当负载转矩和功率达到一定值时不同调速方式对应的最大调速范围会发生重合,而二次方率负载下复合调速方式对应的最大调速范围始终大于其他两种调速方式;模拟分析三种调速方式的能耗情况,获得调速范围较大时气隙调速能耗最低,调速范围较小时旋转调速能耗最低,而调速范围适中时复合调速能耗最低的规律。(4)搭建测试平台测量鼠笼盘式磁力耦合器的传动性能和三种负载工况下的调速性能,获得耦合器在不同气隙厚度和不同转速差下的机械特性曲线以及三种负载工况下的调速曲线。将测量结果与解析结果、模拟结果进行对比,结果表明,在小气隙厚度和低转速差工况下,测量结果与解析结果、模拟结果良好吻合。
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