2种磁力耦合器性能的比较

1、文章编号 1671-2730(2009)04-0289 042种磁力耦合器性能的比较严晓霞9赵朝会，张 迪，袁龙生9常守亮，邵士良（上海电机学院电气学院.上海200240）摘要：介绍了永磁-铜盘式磁力耦合器和永磁-永磁盘式磁力耦合器的结构和工作原理；比较了在 空载情况下2种盘式磁力耦合器的性能。研究表明永磁-永磁盘式磁力耦合器有较好的同步性；永磁- 铜盘式磁力耦合器可实现较好的调速性能；主动盘在高速运转时，永磁-铜盘式磁力耦合器与永磁-永磁 盘式磁力耦合器相比主动盘与被动盘之间的工作距离较长。关键词：联轴器；磁力耦合器；同步性；调速性中图分类号：TH 133.4文献标识码：AExperimen

2、t on Performance Comparison of Two Magnetic CouplingsYAN Xiaoxia , Z HAO Ch a oh u i 9 ZHANG Di, YUAN Longsheng,CHANG Sliouliang, SHAO Shi Hang(School of Electric> Shanghai Dianji LIniversity Shanghai 200240. China)Abstract: In this paper ihi structure and principle of two kinds of magnetic coupl

3、ings* the Magnet ic-C'opper Disk Coupling (MCIX') and the Magnetic-Magnetic Disk Coupling (MMIX'). are investigated. Performances of the two magnetic couplings under the conditions of empty load are compared. I he comparison results show that the MMIX' has better synchronism l)ut the

4、 MC'IX' has better speed regulating performance and when the driving disk is working with high speed the MCIX' has a longer working distance l)etween the driving disk and the driven disk compared to MMFX'.Key words: coupling； magnetic couplings; synchronism； speed regulation characte

5、ristic收稿日期：2009-09-22基金项目：上海市人学生创新活动计划资助项U（09scx-17）作者简介：严晓俊（1987-） 女本科生专业方向为测控技术与仪器.E ntail：yanxiaoxia 102O3O 163. coni 指导教师：赵朝会（1964-） 男教授博士 专业方向为电力电子传动.E-mail: zhaochsdju. edu. cn联轴器是机械传动系统中经常被使用的部件. 广泛运用于石油化11、船舶、航空航天、钢铁匸业等 行业。但传统的联轴器对电机轴与负载端轴的对11> 性要求很高,常因振动擁损影响1 *使用寿命；同时 传统联轴器很难在有毒、易燃、易爆的极端

6、环境卜运行。为了进一步提高联轴器的可靠性就要消除电 机轴和负载轴Z间的刚性联接使得电机和负载Z 间振动互不影响。为了解决上述问题许多学者对 一种新型的联轴器一一磁力耦合器进行了研究。此 类联轴器可容许较大的对中误差能提供软启动功290上海电机学院学报2009年第4期能对设备有过载保护功能对环境友好且能在有 毒、易燃、易爆的极端环境中运行。磁力耦合器作为 一种软(非接触)联接联轴器通过磁场传递动力不 需要硬(机械)联接。文献18分别对磁力耦合器三维场简化计 算、磁损耗计算选择磁性材料和对磁力扭矩计算. 并没有对不同类盘的盘式磁力耦介器进行性能比 较，因此很难判断不同类熨的盘式磁力耦介器的应 用场

7、介。本文阐述了 2發盘式磁力耦介器的工作原 理，通过实验.比较了在同类型电机下不同类型盘式 磁力耦A器系统的性能。实验证明永磁-铜盘式磁 力耦合器具有较好的可调性能，可运用需调节负 载转速的电机上；而永磁-永磁盘式磁力耦合器具有 较好的同步性能町运用J:需负载与电机转速保持 同步的场合。12种磁力耦合器结构及工作原理1.1磁力耦合器结构2种类型磁力耦合器的结构如图1所示。图1 (“)为永磁-铜盘式磁力耦合器(MCIX').由永磁盘 与铜盘构成；图1(b)为永磁-永磁盘式磁力耦合器 (MMIX')由永磁盘与永磁盘构成。永磁盘结构参 数如表1所示，铜盘结构参数如表2所示。(b)水磁

8、-水磁盘式磁力耦汁器图1盘式磁力耦合器结构Fi铅 1 The structure of maietic disk couplings表1永磁盘结构参数Tab. 1 Structure panuiwters of the permanent magnetic disk外径内径磁钢外径磁钢内径鹼钢耳度磁对充磁/mm /mm/mm/mm/mm数方向62.5 9.555.51904轴向表2铜盘结构参数Tab. 2Structure parameters of the copper disk外径mm内径/mm铜盘厚度/mm62.59.551.2磁力耦合器原理在2种盘式磁力耦合器中9把与电机相连的盘 称为

9、主动盘与负载相连的盘称为被动盘。(1) MCDC的永磁盘为主动盘铜盘为被动盘。 此类耦合器是利用水磁场与感应磁场的相互作用來 传递扭矩。主动盘和被动盘可H由地独立旋转。当 匸动盘旋转时被动盘与匸动盘产牛相对运动同时 被动盘处在交变磁场中通过气隙在被动盘(铜盘) 上激起感应电流即涡流。涡流存在于被动盘上，同 时其产生感应磁场与永磁场相互作用带动被动盘 沿着与主动盘相同的方向旋转结果在负载(被动 盘)侧输出轴上产生转矩，带动负载做旋转运动。通 过调节永磁盘和铜盘之间的气隙就可控制传递的转 矩，获得可调榕的、可控制的、可重复的负载转速,从 而实现负载速度的可调性。(2) MMDC的主动盘与被动盘皆为

10、永磁盘。 此类耦合器利用的是磁性物质同性相斥、异性相吸 的原理通过磁耦合把磁能转变为机械能。永磁传 动的基本模型如图2所示。图2永磁传动基本模型Fig. 2 Basic model of permanent magnet drive图2中当主动磁极(即主动盘上的永磁体)以 速度卍运动时主动磁极与从动磁极(即被动盘上的 永磁体)产生的作用力和P2在运动方向上的分 最是相廉加的，而在垂直于运动方向上的分量则方 向相反基木抵消。因此从动磁极在平行于运动方 向的力的分量作用下，随主动磁极以同样的速度u 运动实现了运动和力的传递旬。1.3 MMIX磁场的有限元计算在计算耦介器传递的力矩时假设准静态的磁

11、场相互作用完全线性的去磁曲线。因此磁场服从 退化的麦克斯韦方程回。磁场产生的转矩T= (?>-F)dS(1)式中巴Fy分别为磁体表面微元dS所受的力在工 和，坐标轴方向的分最;分别为dS的坐标值。2009年第1期严晓霞等：2种磁力耦合器性能的比较291将有限元方法应用到上述问题'叮得到有限元程 序叫分别按磁力耦合器的转角差和磁极的间茨來计 算扭矩的变化情况。图3(a)为盘式磁力耦合器的 运转状况当被动盘随主动盘转动时，由于被动盘摩 擦力及被动盘间阻力的作用仍处于静止状态致使 主动盘相对于被动盘偏移一个转角差0。0的二次 函数非常接近磁力耦介器的转矩T：当0=0°时, T

12、=0；当(930°时，如图3(b)所示9丁最大。当0N 30°时,将会产生斥力，使丁减小。(a)主动盘与彼动盘产生偏移图3永磁永磁盘式磁力耦合器Fig. 3 Pemuuient magnetic-pemuuient magnetic disk coupling2空载情况下,2种磁力耦合器性能比较空载情况下保持电机尺寸、性能参数等不变. 仅改变磁力耦介器的类熨，比较其输出参数囚02. 1对输岀转速的比较2. 1. 12种磁力耦合器的主动盘与被动盘的间距相同主动盘转速不同 如图4所示为主动盘与被 动盘间距离相同时，2种磁力耦介器的输出转速曲 线。图4中MCDC的输出转速随主动盘

13、转速的増 加而增加，但很明显其有滞后现象，输出转速较低, 丄要是山滑差导致的；M M DC输出转速与输入转速 保持同步，其输出转速较高。2. 1.2 2种磁力耦合器的主动盘转速相同，主动盘 与被动盘间距离不同 如图5所示为2种盘式磁力 耦合器在主动盘转速相同主动盘与被动盘的间距 不同时被动盘的输出转速曲线。图5中当转速为 1. 8 kr/min时，MCDC的被动盘转速随两盘的 间距的增大而减小即两盘的间距越大其输出转速 就越低，此类磁力耦介器视为可调速熨;MMDC 的同步性相当好，当主动盘与被动盘的间距增人时, 其转速保持不变只有在丄动盘与被动盘的间距增 大到41 mm时被动盘才会立即停止转动

14、。.O.82匚.64.2.0.8.642 n u n n o or-永磁-永磁盘、貯永範铜盘468101214两盘的间距I nun图5输岀转速的比较Fig. 5 Comparison of the output speed2.2启动/停止转速的比较如图6所示为MCDC在主动盘与被动盘不同 间原时能使被动盘顺利启动的+：动盘的最低转速。 图6中其最低启动转速随两盘间距的增大而增大. 可以实现较好的调速性能。MMIX'的同步性较好. 启动转速不随两盘间跖的变化而变化只要在有效 启动范用内它都能顺利启动。如图7所示,主动盘 转速为600 r/min时，两盘间距在43. 3 nnn内,被 动盘

15、与主动盘保持同步；如果两盘间距超出43. 3 mm,则被动盘转速立即为零。主动盘转速/(kr-min-1)图J主动盘转速不同时输出转速的比较Fig. 4 Comparison of output velocities with different driving disk velocity30)()68101214两盘的间距/mm图6能使被动盘顺利启动的主动盘的最低转速Fig. 6 The lowest dri ing disk speed when the drivendisk can be successfully started如图8所示为2种磁力耦合器主动盘转速不 同被动盘停止时的距离

16、比较。图8中.MCDC在铜盘启动转速292上海电机学院学报2009年第4期_ 700 r2 600 1 ! 500 £ 40°被动盘同步转速同300 。彼动盘转速为零号 200 -S 100 看 0 °°_°0丨1IAA1J0102030405060两盘的间距/ mm图7被动盘的输岀转速Fig. 7 The driven disk output speed被动盘停止时，两盘间距随丄动盘转速的增加而增 加。由丁主动盘转速的增加使永磁场和感应电动势 都增加，继而使感应电流增人导致磁感应强度增儿 即永磁场和磁感应场都增大相互作用力致使被动 盘的I：作

17、距离增大了；与之相反虽然MMFX'的同 步性较好但是它停止时两盘间距随转速的增加而 减小。这是因为当上动盘转动时必定会与被动盘之 间产生一个0同时磁感应线走磁阻最小路径.两盘 间距增大,气隙磁阻也随之增人，所以当主动盘转速 提高时主动盘与被动盘间的匸作距离就减小了。图8主动盘转速不同,被动盘停止时的距离Fig. 8 The distance when the driven disk stops with different driving disk speed在实验中，当MMDC主动盘在高速运转时9被 动盘从远处到其工作范因内不能正常运转，且有强 烈抖动。其主耍是由丁主动永磁盘在高速运

18、转时. 磁感应线也在高速运转.且磁感应线走磁阻最小路 径，也就是说.它只作用在主动永磁盘上。当静止的 被动永磁盘接近时两盘间的磁感应线无法顺利互 相吸引同时静11：的被动永磁盘乂感受到高速运转 时主动盘的磁场继而发生抖动现象。3结论通过对2种磁力耦合器的性能比较得出以卜 结论:在相同距离下，2种磁力耦合器的被动盘 都随主动盘转速的增加而增加，其中MMDC传递 转矩的效率高，可运用于需传动效率较高的负载上。 在相同转速下，两盘距离不同时MCDC显示了 可调速的特性；而MMDC显示出较好的同步性。 2种磁力耦介器在启动时显现出不同特征,MC- DC主动盘转速越高其两盘间启动距离越远;DC只要在其额

19、定工作区内都可启动。MCDC' 主动盘转速越高两盘间丄作距离就越长；MMDC 主动盘转速越高，两盘间工作距离就越短。参考文献：1 杨逢瑜.徐建江.姜明亮.等.磁力传动齿轮泵磁耦 合器三维磁场的简化计算J 机床与液斥.2006(1)： 41-42.51.2 杨逢瑜马希金齐学义.磁力传动潜水电泵的磁损 耗J 农业机械学报.2004.35(2):184-186.3 Smith A C. Williamson S, Benhania A. et al. Magnetic drive couplings C J . IEE-EMD Conference. 199& 153(2)：289-

20、2934 刘建瑞.40ZC&16型化工自吸磁力泵的研制J排 灌机械,2001.19(6):17-19.5 刘建瑞.化匸泵磁力耦合传动的设计J.流体机械. 2OOl29(12)：36-37.6 马世宏.磁力耦合全密封闸阀的设计J.阀门1998 (4)： 1-3.7 周占宏曾华.动失水仪扇形磁体磁耦介器设计 J石油仪器.2003,17(6)：20-22.8 周占宏.动火水仪的矩形磁体磁耦介器i殳汁J石汕 机械,2003.31(9):25-27.9 秦少军口成志.磁力传动初探J.宝鸡文理学院学 报,1998,18(l)：6O-62.10 孙敏孙亲锡.叶齐政.工程电磁场基础Ml北 京:科学出版

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