影響礦用磁力耦合器工作性能的因素分析

牛耀宏

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）機(jī)電信息學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)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(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）機(jī)電信息學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北省唐山市，063004）

利用礦用磁力耦合聯(lián)軸器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，探討了其工作氣隙、銅盤(pán)厚度、磁鐵厚度、面積及磁極對(duì)數(shù)等參數(shù)的變化對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，從而為礦用磁力耦合聯(lián)軸器的啟動(dòng)特性、過(guò)載保護(hù)性能和運(yùn)行效率等工作特性及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的可行性研究提供依據(jù)。

磁力耦合聯(lián)軸器 輸出轉(zhuǎn)矩 啟動(dòng)特性 過(guò)載保護(hù) 運(yùn)行效率

永磁磁力耦合器是由導(dǎo)體盤(pán) （銅盤(pán)）、永久磁體盤(pán) （鋁盤(pán)）以及聯(lián)接部件組成的磁力驅(qū)動(dòng)聯(lián)接裝置，主要部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其機(jī)械特性有著不同程度的影響，找出它們的影響規(guī)律，對(duì)研究磁力耦合器設(shè)計(jì)有著重要的參考價(jià)值。

本文以40 k W礦用刮板輸送機(jī)應(yīng)用的永磁磁力耦合器為例，通過(guò)設(shè)計(jì)搭建測(cè)試平臺(tái)，全面測(cè)試和分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)械特性的影響關(guān)系，為永磁耦合器的設(shè)計(jì)奠定了一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

磁力耦合器的工作性能主要包括啟動(dòng)性能、過(guò)載保護(hù)能力和傳遞轉(zhuǎn)矩與效率3個(gè)方面，負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。針對(duì)實(shí)際的工作要求，設(shè)計(jì)搭建實(shí)際工況模擬試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 永磁耦合器模擬試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

由圖1可以看出，試驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)力采用DSB（JDSB）-40-4 （380／660）隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，負(fù)載采用磁粉制動(dòng)器，在輸入和輸出軸分別安裝轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測(cè)試傳感器和機(jī)械效率測(cè)試儀。測(cè)試用磁力耦合器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 永磁耦合器基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)測(cè)試了永磁磁力耦合器在不同的工作氣隙、銅盤(pán)厚度、磁極厚度和磁極對(duì)數(shù)的情況下，負(fù)載側(cè)的轉(zhuǎn)矩值隨轉(zhuǎn)差的變化規(guī)律。

2.1 工作氣隙與銅盤(pán)厚度的影響

2.1.1 工作氣隙的影響

由磁場(chǎng)的性質(zhì)可知，在磁極軸向長(zhǎng)度、磁極之間的距離、鐵板與磁極間的距離和銅盤(pán)厚度均不變的情況下，工作氣隙越大漏磁越多，導(dǎo)體切割的有效磁通越小，耦合器傳遞的轉(zhuǎn)矩就越小。對(duì)銅盤(pán)厚度為14 mm、磁極對(duì)數(shù)為4對(duì)和磁鐵厚度為15 mm時(shí)，工作氣隙分別為4 mm、6 mm、8 mm和10 mm的磁力耦合器機(jī)械特性試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 氣隙對(duì)機(jī)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(shí)，最大轉(zhuǎn)矩減小了80 N·m，最小轉(zhuǎn)矩減小了54 N·m?？梢?jiàn)氣隙對(duì)轉(zhuǎn)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(yīng)該盡量減小氣隙，以減小耦合器的徑向尺寸。

2.1.2 銅盤(pán)厚度的影響

在磁力耦合器的工作中，銅盤(pán)主要完成磁場(chǎng)能與電能、電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。在頻率較低的條件下，銅盤(pán)越厚導(dǎo)體的截面積就越大，電阻就越小，在同樣的電動(dòng)勢(shì)作用下其電流也就越大，傳導(dǎo)的轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該越大；但在頻率較高的條件下，由于趨膚效應(yīng)的加劇，銅盤(pán)的厚度對(duì)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(jié)果，即銅盤(pán)越厚轉(zhuǎn)矩反而越小。圖4是磁極對(duì)數(shù)為6、磁鐵厚度為15 mm和工作氣隙為6 mm時(shí)，銅盤(pán)厚度分別為8 mm、10 mm、12 mm和14 mm的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 銅盤(pán)厚度變化時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出，銅盤(pán)厚度從8 mm變化到14 mm時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩減小了110 N·m，最小轉(zhuǎn)矩減小了30 N·m，可見(jiàn)銅盤(pán)的厚度對(duì)最大轉(zhuǎn)矩影響較大。而轉(zhuǎn)矩的減小可以從兩方面解釋?zhuān)阂皇倾~盤(pán)的加厚直接使磁鐵與鋼盤(pán)之間的距離加大，使得漏磁增多，因此最大轉(zhuǎn)矩減小很多，這說(shuō)明在轉(zhuǎn)差較小時(shí)趨膚效應(yīng)不是很?chē)?yán)重，氣隙的影響占主要地位；二是在轉(zhuǎn)差很大時(shí)，趨膚效應(yīng)明顯，氣隙的變化對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩影響不大。為了明確銅盤(pán)厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響，以磁鐵與鋼盤(pán)之間的距離不變?yōu)闂l件，在改變銅盤(pán)厚度的同時(shí)改變工作氣隙，對(duì)磁鐵厚度為20 mm、磁極對(duì)數(shù)為6時(shí)和氣隙及銅盤(pán)厚度分別為6+12 mm、8+10 mm、10+8 mm和12+6 mm的耦合器進(jìn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 磁鐵與鋼盤(pán)之間距離不變的試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出，在磁鐵與鋼盤(pán)之間的距離不變的情況下，銅盤(pán)越厚機(jī)械特性曲線(xiàn)越硬，速度穩(wěn)定性越好，說(shuō)明轉(zhuǎn)差很小時(shí)，由于銅盤(pán)的加厚一方面使電阻減小、電流增大進(jìn)而轉(zhuǎn)矩增大；另一方面由于銅盤(pán)厚度的增加和氣隙的減小，使原來(lái)沒(méi)有被銅盤(pán)切割到的漏磁也進(jìn)入被切割區(qū)域，參與了能量轉(zhuǎn)換，提高了磁力線(xiàn)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(jù)圖3中的分析，在增加磁鐵的軸向長(zhǎng)度時(shí)，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(zhuǎn)矩要增大，試驗(yàn)已經(jīng)充分證明了這一點(diǎn)。圖6是氣隙為12 mm、銅盤(pán)厚度為14 mm和磁極對(duì)數(shù)為4對(duì)時(shí)，磁鐵厚度分別為20 mm、25 mm、30 mm的試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 磁鐵厚度對(duì)機(jī)械特性的影響

由圖6可以看出，當(dāng)磁鐵厚度從20 mm增加到30 mm時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩增加64 N·m，最小轉(zhuǎn)矩增加42 N·m，磁鐵厚度對(duì)輸出轉(zhuǎn)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(zhǎng)度，同時(shí)要增加成本，因此在進(jìn)行耦合器設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)。

2.2.2 磁鐵面積和磁極對(duì)數(shù)的影響

磁力耦合器是靠磁場(chǎng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的，轉(zhuǎn)矩的大小等于力與受力半徑的乘積，其中磁場(chǎng)力的大小又等于磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流及導(dǎo)體有效長(zhǎng)度的乘積，電流的大小又與磁通的變化率及導(dǎo)體的電阻有關(guān)。因此，在磁感應(yīng)強(qiáng)度、耦合器和磁鐵的結(jié)構(gòu)尺寸、銅盤(pán)和磁盤(pán)的相對(duì)轉(zhuǎn)速、氣隙、磁鐵與鋼盤(pán)之間距離均已確定的情況下，轉(zhuǎn)矩的大小將直接與磁鐵的面積和磁極對(duì)數(shù)有關(guān)，其中磁鐵的面積越大磁通越大，磁極對(duì)數(shù)越多磁通的變化率越大。為了設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足一定轉(zhuǎn)矩要求的磁力耦合器，必須測(cè)試磁鐵的面積和磁極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖7是工作氣隙為12 mm、銅盤(pán)厚度為6 mm和磁鐵厚度為15 mm，磁極對(duì)數(shù)分別為1、2、3、4對(duì)時(shí)所測(cè)得的耦合器機(jī)械特性。

圖7 磁鐵面積對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響

由圖7可以看出，耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩基本與磁鐵的面積成正比關(guān)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在磁鐵的面積和磁感應(yīng)強(qiáng)度及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，磁極對(duì)數(shù)將直接影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的大小。從理論上講，磁極對(duì)數(shù)越多，磁通的變化率越大，電阻一定時(shí)銅盤(pán)中的渦電流就越大，進(jìn)而使耦合器傳遞的轉(zhuǎn)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(shí)與工作氣隙和銅盤(pán)厚度有關(guān)，因此在耦合器的外形尺寸一定時(shí)，磁極對(duì)數(shù)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(duì)數(shù)成正比，而是存在某一個(gè)最優(yōu)的數(shù)值可以使傳遞的轉(zhuǎn)矩最大。本文對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)如果使得A≥2B，這樣漏磁就會(huì)減少，使磁力線(xiàn)沿磁阻盡量小的路徑 （磁鐵—鋼盤(pán)—磁鐵）形成回路。如果不滿(mǎn)足此條件漏磁將最大；若按此條件設(shè)計(jì)，磁極數(shù)量就不可能過(guò)多，過(guò)分增加磁極對(duì)數(shù)只能減小A的尺寸或磁極的面積，使得被銅盤(pán)切割的有效磁通減小，轉(zhuǎn)矩也隨之減小。在保持磁鐵面積和耦合器結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況，只改變磁極對(duì)數(shù)的情況試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，磁極對(duì)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩 （傳遞功率）的影響并不大，這說(shuō)明功率的傳遞主要取決于穿過(guò)銅盤(pán)的磁力線(xiàn)的多少，而不是磁極對(duì)數(shù)。但從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出隨磁極對(duì)數(shù)的增多使得最大轉(zhuǎn)矩也略有增加，其原因是在耦合器結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，隨著磁極對(duì)數(shù)的增多，磁路長(zhǎng)度略有縮短造成的。

圖9 磁極對(duì)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論分析后，得到磁力耦合器的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)其工作性能的影響主要有：磁力耦合聯(lián)軸器的間隙對(duì)最大轉(zhuǎn)矩的影響較大，設(shè)計(jì)此產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)盡量減少間隙，以減小耦合器的徑向尺寸；在磁鐵與鋼盤(pán)之間的距離不變的情況下，銅盤(pán)越厚機(jī)械特性曲線(xiàn)越硬，速度穩(wěn)定性越好；磁鐵厚度對(duì)輸出轉(zhuǎn)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(zhǎng)度，同時(shí)要增加成本，因此在進(jìn)行耦合器設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)；耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩基本與磁鐵的面積成正比關(guān)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)；磁極對(duì)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩 （傳遞功率）的影響并不大，這說(shuō)明功率的傳遞主要取決于穿過(guò)銅盤(pán)的磁力線(xiàn)的多少，而不是磁極對(duì)數(shù)。

此類(lèi)磁力耦合器具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，完全具備恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，能夠適應(yīng)刮板輸送機(jī)的工作需要。所以它既適用于刮板輸送機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，也適用于風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載。

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［6］張建濤，夏東 .永磁齒輪轉(zhuǎn)矩特性研究 ［J］.設(shè)計(jì)與研究，2005（3）

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?yàn)樵O(shè)備故障診斷及狀態(tài)檢測(cè)。

（責(zé)任編輯 王雅琴）