永磁渦流聯(lián)軸器模型結(jié)構(gòu)合理性的試驗驗證

李延民，朱永建，胡 鋇

（鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

1 引言

永磁渦流聯(lián)軸器是一項新近開發(fā)的新技術(shù)，可實現(xiàn)主、從動軸不接觸達到轉(zhuǎn)矩傳遞的目的，易于實現(xiàn)軟啟動、過載保護，同時極大的減小了整體結(jié)構(gòu)的振動，有助于提高傳動的可靠性，提高系統(tǒng)的使用壽命［1］。

國內(nèi)對永磁聯(lián)軸器的研究起步較晚，并且多偏向于理論仿真研究，而對實際的結(jié)構(gòu)模型缺乏試驗驗證。本文簡述永磁渦流聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及理論分析［3-4］，運用Ansoft［5］軟件對模型結(jié)構(gòu)進行有限元分析，最后通過試驗臺對模型進行試驗驗證，通過仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比分析，驗證模型結(jié)構(gòu)的合理性。同時對轉(zhuǎn)速差進行試驗［6-7］，得出滿足輸出轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速差的范圍。

2 工作原理

永磁渦流聯(lián)軸器由主動端和從動端構(gòu)成，主動端包括導(dǎo)磁盤和銅盤為主，從動端包括導(dǎo)磁盤、鋁盤、永磁體。永磁體成環(huán)形N、S極相互交錯內(nèi)嵌于鋁盤體內(nèi)?；窘Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 永磁渦流聯(lián)軸器的基本結(jié)構(gòu).Fig.1 Basic Structure of Permanent Magnet Eddy Current Coupling

工作原理：銅盤隨著電機的啟動而快速旋轉(zhuǎn)，銅盤因切割的磁感線，在銅盤表面形成圓周分布的渦電流，渦電流會形成反感磁場，并且與永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

3 轉(zhuǎn)矩計算的數(shù)學(xué)模型

永磁聯(lián)軸器的模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，δ-氣隙（mm），H-導(dǎo)磁鐵厚度（mm），HC-銅盤厚度（mm），HW-永磁體厚度（mm），R1-永磁體外徑（mm），R2-永磁體內(nèi)徑（mm）。

圖2 永磁渦流聯(lián)軸器一側(cè)分析模型Fig.2 The Analysis Model of the Permanent Magnet Eddy-current Coupling

計算時記Ω-整個求解域為，Г1-模型的內(nèi)外側(cè)面，Г2-不同介質(zhì)交界面，為Г3-導(dǎo)體盤沿從動轉(zhuǎn)子半徑方向的側(cè)面，在Ω內(nèi)求解磁矢位B：

式中：β—磁阻率，n-Г2、Г3的法向量。μ0—空氣磁導(dǎo)率，釹鐵硼N35材料取β≈1/1.099μ0。由磁矢位A可得磁感應(yīng)強度B：

根據(jù)式（2）求得場強B，從而得到永磁渦流聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為：

式中：V—氣隙的體積（mm3）；R1—導(dǎo)體盤的外半徑（mm），R2—導(dǎo)體盤的內(nèi)半徑（mm）。

3 仿真模型的建立與研究

圖3為仿真模型基本結(jié)構(gòu)。設(shè)計的永磁渦流聯(lián)軸器為對稱結(jié)構(gòu)，因此仿真時對單面結(jié)構(gòu)進行有限元分析，當轉(zhuǎn)矩達到一半時即可滿足傳遞需求。

圖3 永磁渦流聯(lián)軸器仿真模型Fig.3 Simulation Model of Permanent Magnet Eddy-current Coupling

進行系列化參數(shù)研究時，仿真過程中設(shè)定的常參數(shù)，如表1所示：

表格1分析模型基本參數(shù)Tab 1 Analysis Model Basic Parameters

4 試驗驗證

4.1 試驗裝置

為永磁渦流聯(lián)軸器的試驗平臺，為便于試驗，樣機采用的依舊是單面結(jié)構(gòu)。試驗時Y132三相異步電機為樣機提供動力，CZ5磁粉制動器通過調(diào)節(jié)張力控制儀為樣機提供負載。利用ZH07轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器可測量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。利用此試驗平臺達到以下試驗的目的，如圖4所示。

圖4 永磁渦流聯(lián)軸器的試驗平臺Fig.4 Test Platform of Permanent Magnet Eddy Current Coupling

（1）結(jié)構(gòu)合理性的試驗驗證

（2）轉(zhuǎn)速差的試驗驗證

4.2 結(jié)構(gòu)合理性的試驗

4.2.1 試驗方案

試驗前，為確保試驗數(shù)據(jù)的準確性，需檢驗傳感器的零點是否發(fā)生漂移，否則要進行歸零設(shè)置。試驗開始時，通過磁粉制動器張力控制儀調(diào)節(jié)直流大小，進行負載的調(diào)控，使得永磁渦流聯(lián)軸器負載端達到所需轉(zhuǎn)速。通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器記錄不同時刻對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值。為了更加直觀對比分析仿真與試驗數(shù)據(jù)的準確性，應(yīng)用origin軟件對二者進行處理，如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)合理性仿真與試驗結(jié)果對比Fig.5 Comparison of Structural Rationality Simulation and Experimental Results

如圖所示，兩條曲線基本吻合，試驗值和仿真值具有很好的一致性，表明設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠達到傳遞轉(zhuǎn)矩的要求。但是從圖中可看出試驗和仿真存在一定的誤差，兩者之間的最大誤差5.97%，兩條曲線沒有完全擬合的主要原因是試驗臺運轉(zhuǎn)時存在機械摩擦，同時在轉(zhuǎn)動時銅盤上的渦流會產(chǎn)生熱損耗。其次氣隙調(diào)節(jié)存在一定誤差，永磁渦流聯(lián)軸器之間氣隙是手動調(diào)節(jié)，很難精確保持3mm，因此會對轉(zhuǎn)矩的測量產(chǎn)生一定影響。

4.3 轉(zhuǎn)速差的試驗驗證

4.3.1 試驗方案

轉(zhuǎn)速差直接影響著傳遞轉(zhuǎn)矩的效率。試驗開始時，通過張力控制儀調(diào)節(jié)負載，依次增大轉(zhuǎn)速差。通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器記錄不同轉(zhuǎn)速差對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，與相對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)進行對比分析。通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器記錄不同轉(zhuǎn)速差對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，與相對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速差仿真與試驗對比分析Fig.6 Comparison and Simulation of Speed Difference Simulation and Test

由圖可知，兩條曲線有相同的變化趨勢，均隨轉(zhuǎn)速差的增加，轉(zhuǎn)矩先增大后減小，先增大后減小。這是因為在轉(zhuǎn)速差增大時，輸出的功率增大，轉(zhuǎn)矩增大，直到輸出功率達到峰值，轉(zhuǎn)矩不再增大。當轉(zhuǎn)速差持續(xù)增加，在銅盤上產(chǎn)生的感應(yīng)電流增大，銅盤上的功率損失增大，故而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩減小由圖可知。在滿足輸出轉(zhuǎn)矩的要求，轉(zhuǎn)速差可在140-180rpm選取。

雖然轉(zhuǎn)速差的仿真值與試驗值兩條曲線變化趨勢基本吻合，但還是存在誤差。導(dǎo)致誤差的原因是機械摩擦、渦流損耗、操作誤差。操作誤差主要是控制儀的調(diào)節(jié)誤差，手動調(diào)節(jié)電流大小從而調(diào)節(jié)負載軸的轉(zhuǎn)速，因此在調(diào)節(jié)過程有一定的誤差。

5 結(jié)論

本文通過對與7.5KW、4極電機相匹配的永磁渦流聯(lián)軸器的樣機進行仿真分析與試驗，驗證樣機可達到輸出轉(zhuǎn)矩的要求，驗證模型結(jié)構(gòu)的合理性。同時通過轉(zhuǎn)速差的試驗得出，當轉(zhuǎn)速差可在140-180rpm時，均可滿足轉(zhuǎn)矩傳遞的需求。