異步永磁耦合器軸偏心傳動(dòng)無(wú)附加載荷特性

黃家田，崔立春，張 楠

● （1．海軍駐青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東青島 266001；2．中國(guó)人民解放軍第四八零八工廠，山東青島 266001；3．中船重工第704研究所，上海 200031）

異步永磁耦合器軸偏心傳動(dòng)無(wú)附加載荷特性

黃家田1，崔立春2，張 楠3

● （1．海軍駐青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東青島 266001；2．中國(guó)人民解放軍第四八零八工廠，山東青島 266001；3．中船重工第704研究所，上海 200031）

文章介紹了異步永磁耦合器的工作原理。通過(guò)對(duì)其模擬計(jì)算分析，證明了耦合器輸出轉(zhuǎn)矩是一力耦系作用的結(jié)果，闡釋了該耦合器在軸偏心狀態(tài)下工作時(shí)，無(wú)附加載荷的機(jī)理。通過(guò)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該耦合器在存在角偏差傳動(dòng)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生附加載荷。

異步永磁耦合器；軸偏心；傳動(dòng)特性

0 概述

異步永磁耦合器技術(shù)開(kāi)辟了磁能應(yīng)用的新領(lǐng)域，它是機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的新產(chǎn)品、新課題。它的突出特點(diǎn)是：無(wú)機(jī)械連接、減震降噪、可緩沖啟動(dòng)設(shè)備、降低了安裝對(duì)中精度、安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)成本低。耦合器可設(shè)計(jì)成普通型、短時(shí)和完全過(guò)載保護(hù)型、調(diào)速型。其中耦合器在對(duì)中誤差≤3mm時(shí)仍可正常工作且無(wú)附加載荷的特點(diǎn)，尤其適合于艦船的減震降噪和在狹小空間的安裝使用。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的研究；本文定性分析了異步永磁耦合器在軸偏心狀態(tài)傳動(dòng)時(shí)，無(wú)附加載荷產(chǎn)生的機(jī)理。

1 異步永磁耦合器工作原理與磁力的分析

1.1 工作原理

耦合器工作原理示意圖見(jiàn)圖1，主動(dòng)端的載磁盤(pán)上均布有永磁體，被動(dòng)端為銅板。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)端旋轉(zhuǎn)時(shí)，主、被動(dòng)間的相對(duì)轉(zhuǎn)差使銅板上感應(yīng)出渦電流、又生成感應(yīng)磁場(chǎng)（其極對(duì)數(shù)與永磁極對(duì)數(shù)相同），在兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用下，被動(dòng)端即與電機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但其轉(zhuǎn)速nc恒小于電機(jī)轉(zhuǎn)速n，故稱(chēng)為“異步”。

圖1中，“碳鋼襯板”構(gòu)成了耦合器的閉合磁路，磁力線透過(guò)空氣隙使銅板處于永磁場(chǎng)中。耦合器在靜態(tài)圖示位置或同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，只有永磁場(chǎng)對(duì)碳鋼襯板的軸向吸力而沒(méi)有切向力（此軸向吸力通過(guò)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)可予以抵消），因此不能傳遞轉(zhuǎn)矩功率。

圖1 耦合器工作原理示意圖

1.2 切向力系的磁轉(zhuǎn)矩分析

按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)建模，在Maxwell有限元電磁分析軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算，設(shè)定轉(zhuǎn)差 50r/min，在某一時(shí)刻的渦流感應(yīng)磁場(chǎng)分布如圖2所示。

圖 2中示出了渦流磁場(chǎng)與永磁場(chǎng)相應(yīng)極性的位置關(guān)系。模擬計(jì)算表明，在相對(duì)轉(zhuǎn)差一定時(shí)，渦流磁場(chǎng)與永磁場(chǎng)的空間相對(duì)位置（圖2所示）將保持恒定，并以50r/min的轉(zhuǎn)速與永磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)矩恒定。

為便于分析，將圖2簡(jiǎn)化為圖3。圖中示出了作用于銅板的永磁極性、切向力和感應(yīng)渦電流的對(duì)應(yīng)方向。

圖2 Maxwell計(jì)算的模擬渦流磁場(chǎng)

圖3 永磁場(chǎng)與渦流磁場(chǎng)簡(jiǎn)化關(guān)系圖

1）從電流在磁場(chǎng)中受力的角度分析，根據(jù)左手定則，對(duì)銅板而言（電流在銅板上）每股電流在磁場(chǎng)中將受到一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向同向的切向磁力或洛輪茲力f。

則磁轉(zhuǎn)矩為：

式中，R為耦合器的平均有效作用半徑。

設(shè)磁鋼板數(shù)為P；則合磁轉(zhuǎn)矩：

式中，ΣT即為耦合器的輸出磁轉(zhuǎn)矩，也是電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2）從永磁與渦流磁場(chǎng)相互作用的角度分析，永磁體主動(dòng)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，與其前面的渦流極同極性，即對(duì)銅板產(chǎn)生一個(gè)“推力”作用，與其后面的渦流極異極性，即產(chǎn)生一個(gè)“拉力”作用，在這“一推一拉”的連續(xù)作用下，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩功率的傳遞。

1.3 徑向力與力耦系分析

圖 3 中示出了切向力f1～f4和f′1～f′4。當(dāng)耦合器安裝的氣隙間距均等時(shí)，永磁場(chǎng)可視為均勻磁場(chǎng)，銅板對(duì)應(yīng)各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B相等；銅板的電導(dǎo)率α可認(rèn)為處處相等。因此，各切向力f在數(shù)值上是相等的；又因?yàn)橛来朋w是按磁性、成對(duì)的均布于載磁盤(pán)上，所以對(duì)應(yīng)的f1與f′1、f2與f′2……各形成了作用于銅板平面上的等值、反向、不共線的一對(duì)力，即為力偶。每一力耦矩M=f·2R。注意：力偶的性質(zhì)是合力為零。

又當(dāng)各力偶作用在同一平面時(shí)，合力偶矩ΣM等于各力偶矩的代數(shù)和。

所以耦合器的合磁轉(zhuǎn)矩：

第三遍，詢(xún)問(wèn)幫手，解決遺留問(wèn)題，強(qiáng)化記憶。每個(gè)孩子都有自己不會(huì)的地方。如果不去詢(xún)問(wèn)，一直積攢，到最后只會(huì)越來(lái)越差。不會(huì)的內(nèi)容越來(lái)越多。

（注：p/2表示極對(duì)數(shù)）

圖4中，耦合器輸出端在沿x、y向各偏移1.5mm后，在某一時(shí)刻的渦流感應(yīng)磁場(chǎng)分布圖及簡(jiǎn)化圖。圖中顯示，渦流磁場(chǎng)極的空間分布位置始終與永磁極的位置相對(duì)應(yīng)。

圖4 Maxwell計(jì)算的軸偏心1.5mm模擬渦流磁場(chǎng)

從圖4中可知，作用于銅板平面上的合力耦矩ΣM的矩心位置為O1，相對(duì)銅板的旋轉(zhuǎn)軸心O2偏移了1.5mm。

根據(jù)力偶在其作用平面內(nèi)可任意移動(dòng)，而不改變它對(duì)剛體的作用效果――力偶性質(zhì)推論可知，合力偶矩ΣM對(duì)O2的作用效果應(yīng)與對(duì)O1的作用效果完全相同，即驅(qū)動(dòng)銅板繞O2軸旋轉(zhuǎn)的合力偶矩仍等于ΣM；力偶合力為零的性質(zhì)也仍然成立。

結(jié)論：即使耦合器主、被動(dòng)端存在軸偏心，也不會(huì)在徑向上產(chǎn)生附加載荷。也證明了該耦合器具有減震降噪的特性。

1.4 軸向力與角偏移分析

在圖1所示結(jié)構(gòu)中，前文提到耦合器永磁場(chǎng)對(duì)“碳鋼襯板”的凈軸向吸力問(wèn)題；另當(dāng)耦合器存在角偏移時(shí)，因氣隙的間距不再均等，所以該結(jié)構(gòu)的各切向力f的合力將不等于零。

圖5 耦合器實(shí)際結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖6 耦合器角偏移示意圖

1.5 幾點(diǎn)說(shuō)明

1）計(jì)算表明，當(dāng)存在軸偏心時(shí)，耦合器的總體轉(zhuǎn)矩相對(duì)同心狀態(tài)將略有降低。這是因?yàn)楦采w磁鋼極的銅板面積是有限的。

2）由于安裝中兩邊氣隙不可能絕對(duì)等距，所以殘余軸向力仍將存在。

2 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)要介紹了異步永磁耦合器的特點(diǎn)和工作原理。通過(guò)Maxwell有限元電磁分析軟件的模擬計(jì)算，展示了渦流感應(yīng)磁場(chǎng)的分布規(guī)律及與永磁場(chǎng)空間位置的相互關(guān)系。分析表明耦合器的輸出磁轉(zhuǎn)矩是一力耦系作用的結(jié)果；根據(jù)力偶的性質(zhì)證明，耦合器在軸偏心狀態(tài)傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)不會(huì)產(chǎn)生附加載荷。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，該耦合器存在角偏差傳動(dòng)也不會(huì)產(chǎn)生附加載荷。

[1]王秀和, 楊玉波, 等.異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)研究[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[2]魏靜微.永磁電機(jī)的磁場(chǎng)計(jì)算[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[3]符曦.高磁場(chǎng)永磁式電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

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西門(mén)子全集成自動(dòng)化軟件平臺(tái)TIA博途的最新版本增加了集成驅(qū)動(dòng)技術(shù)的全新功能。新版TIA博途讓用戶能夠通過(guò)Sinamics Startdrive V12對(duì)Sinamics G120系列變頻器進(jìn)行高效地調(diào)試、組態(tài)?！爸挥袑?shí)現(xiàn)了自動(dòng)化軟件平臺(tái)對(duì)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的無(wú)縫集成，才能完成全面、高效的數(shù)字化工廠工程。TIA博途為我們帶來(lái)了這種能力，使我們?cè)诩深I(lǐng)域從諸多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中脫穎而出?！蔽鏖T(mén)子股份公司工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)首席執(zhí)行官Ralf-Michael Franke說(shuō)到，“TIA博途直觀、易操作和智能的功能可以降低Sinamics G120變頻器的工程組態(tài)成本，即便在最復(fù)雜的應(yīng)用中也可以實(shí)現(xiàn)組態(tài)操作?！?/p>

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Asynchronous Permanent Magnet Coupler Shaft Eccentric Transmission without Additional Load Characteristics

HUANG Jia-tian1, CUI Li-chun2, ZHANG Nan3
(1.Navy Qingdao Equipment Repair Supervisor Room, Qingdao 266001, China; 2.Chinese People's Liberation Army No.4808 factory, Qingdao 266001, China; 3.No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

This paper introduces the working principle of asynchronous permanent magnet coupler.Through the simulation analysis, it is proved that the coupler output torque is the result of the force & coupling effect.It also explains the mechanism that the coupler works in the shaft eccentric state without attached load.The symmetrical structure design makes the coupler generate no additional load in the angular deviation state of transmission.

asynchronous permanent magnet coupler; shaft eccentric; transmission characteristics

TH133.4

A

黃家田（1969-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶輔機(jī)機(jī)動(dòng)力設(shè)備研究。