可换速异形碟状磁性联轴器工效数据运算

时间:2012-06-21 10:12 作者:hbczlzq 点击:

可换速异形碟状磁性联轴器工效数据运算:

       磁力联轴器的主磁场为三维轴向磁场,与传统的径向圆柱式磁力联轴器磁场分布不同[23],因此不能像处理圆柱式磁力联轴器那样,选取联轴器的横截面来建立其二维模型,需建立三维模型才能准确反映其磁场分布的情况[46]。本文在进行磁场数值计算时,进行   的假设以简化计算过程:铁磁材料各向同性,忽略磁滞效应,采用平均磁化曲线;只考虑模型中与磁性相关的材料,即主动盘、从动盘、永磁体以及铜导体,其余的当作空气处理。
  在上述假设的基础上建立有限元几何分析模型,如所示。其中,为气隙长度,mm,h为转子轭铁厚度,mm,h1为槽深,mm,hM为永磁体厚度,mm,R1为永磁体内径,mm,R2为永磁体外径,mm.
  (a)分析模型(b)结构尺寸(c)永磁体尺寸磁力联轴器分析模型在分析模型a中,记整个求解域为,模型的内外侧面为S1,不同介质交界面为S2,铜导体沿从动转子半径方向的侧面为S3,由麦克斯韦方程组,在区域有:H=JB=0(1)式中,为矢量算子;H为磁场强度,A/m;B为磁感应强度,T;J为电流密度,A/m2。
  磁感应强度B可以由磁矢位A得到:B=A(2)磁感应强度B与磁场强度H的关系为B=H(B)(3)由式(1)式(3)可得1(B)2A=J(4)式中,为铜导体的磁导率。
  分析模型满足以下边界条件:S1:A=0S2:(An)S 2=(An)S-2S3:(An)S 3-(An)S-2=J(5)其中,为材料的磁阻率,n为S2或S3的法线方向。对空气,取=1/0,其中0为空气的磁导率;对钕铁硼材料,取1/(10990);对铁质材料,由其磁化曲线B=f(H)确定。
  将泛定方程式(4)与边界条件式(5)合在一起,构成了边值问题,即在求解域内求解磁矢位A的数学模型::x(Ax) y(Ay) z(Az)=0S1:A=0S2:(An)S 2=(An)S-2S3:(An)S 3-(An)S-2=J(6)式中,上标 表示沿法线方向;-表示沿法线反向。
  由式(6)求得A(x,y,z)后,可根据式(2)求得B(x,y,z),从而得到联轴器磁场分布。求得联轴器磁场分布后,即可求得磁力联轴器的转矩T以及磁力联轴器轴向力F,分别为T=12V[r2r1(JB)dr]dV(7)F=12V(JB)dV(8)式中,V为主从动转子间气隙体积,mm3;r1、r2为铜导体内外半径,mm.
  磁力联轴器的功率损耗主要由铜导体上电流发热所致,因此:PL=I2R(9)式中,PL为功率损耗,kW;I为铜导体上电流,A;R为铜导体电阻,。
  磁场分析及性能参数计算设磁力联轴器分析模型参数为:在   的内外直径下,设磁极9对,槽数16,铜导体为扇形结构,夹角15,槽深15mm,永磁体厚度为10mm,主从动盘厚度为25mm.应用有限元软件Maxwell3D进行分析。
  磁场分布所示为磁力联轴器静态磁场分布,所示为磁力联轴器负载磁场分布。从、中可以看出其磁力线走向一致,但磁感应强度并不一致,其原因是:静态时磁力联轴器没有相对转速,其磁场都是由永磁体提供,而在磁力联轴器负载时,由于主从动转子存在转速差,铜导体因切割磁力线会产生感应电流,从而会产生感应磁场,此感应磁场与永磁体提供的磁场相互叠加。在铜导体表面气隙平均半径处,建立沿周向的轴向磁感应强度的分布曲线,如所示,从中可清晰看到磁力联轴器瞬态工作时气隙磁场磁感应强度比静态时磁感应强度大。
  感应电流分布磁力联轴器是通过铜导体切割磁力线产生感应电流的,通过此电流产生的感应磁场与永磁体产生的磁场相互作用来实现非接触传动,该电流影响磁力联轴器的磁场分布进而影响磁力联轴器的性能。显示了磁力联轴器在转速为1000r/min,转差率为3情况下的感应电流分布情况。从中可看出,磁力联轴器的感应电流主要分布在铜导体上,在从动盘轭上分布很少。
  这说明磁力联轴器从动转子主要的发热源为铜导体,从动盘轭上只有靠近铜导体边缘部分才对转矩传递起很小的作用。分别显示了磁力联轴器转矩和功率损耗随时间变化的曲线。磁力联轴器是利用电磁感应原理设计,其损耗主要由铜导体上感应电流产生,因此其转矩和功率损耗变化跟感应电流的变化有关。从、可知,初始阶段转矩和功率损耗先逐渐增大,增大到   值后慢慢减小,   后趋于平稳。其原因是:磁力联轴器在初始运行时,气隙中的磁场主要由永磁体提供,此磁场可产生一个感应电流,同时此感应电流产生一个感应磁场与永磁体提供的磁场相互叠加,并在下一个时间段内产生   大的感应电流,如此反复叠加,因此在开始的一段时间内,感应电流慢慢增大,直到达到理论值时再慢慢地减小,   后趋于平稳。但对于一个平稳运行的磁力联轴器,其转矩和功率损耗的变化应该是稳定的,所以取有限元计算结果相对平稳后的数据,即取001s后的计算值作为磁力联轴器平稳运行时的输出转矩和功率损耗,可以得到转矩T=1903Nm,功率损耗PL=223kW.
  转矩随时间变化曲线磁力联轴器永磁体轴向磁化,因此在主从动转子间存在一个静磁场轴向吸力,且为常量,而在功率损耗随时间变化曲线磁力联轴器负载运行时,由感应电流产生的感应磁场的作用,两者又存在一个排斥力,此力只有联轴器工作时才会存在,因此磁力联轴器负载运行时,两盘间的轴向力由以上两个力合成。0显示了磁力联轴器在负载情况下轴向力随时间变化的情况。从0知,其轴向力在一段时间内先减小,后再增大,   后趋于平稳,其原因是:磁力联轴器在启动过程中,主动转子加速到额定转速过程中,使主从动转子间转速差增大,铜导体上感应电流增大,其感应斥力也随着增大;当主动转子达到额定转速不再增加,从动转子则继续加速又使得两盘转速差逐渐减小,感应电流变小,轴向磁感应斥力又逐渐减小,当从动转子达到与主动转子设定的额定转速差后,电流大小不再变化,轴向力斥力稳定。
  结论(1)在磁力联轴器运行过程中,感应电流对磁力联轴器的气隙磁场有较大的影响,进而影响到磁力联轴器性能参数的输出,并且感应电流主要分布在铜导体上,在从动盘轭上分布较少,其发热源主要为铜导体。因此设计中,应考虑在从动盘上采取冷却措施,以降低铜导体上的温度。同时由于铜导体的内外包层起短路电流的作用,因此为避免电流过大将它烧坏,其截面积不能太小,应与铜导体   小截面积相当。
  (2)磁力联轴器在启动过程中,其转矩和功率损耗先增大后减小,   后趋于平稳;轴向力先减小,后增大,在主从动转子达到额定转速差时,达到一个稳定值。其结果准确地反映了磁力联轴器的启动运行过程,为减少转矩脉动、提高启动转矩提供了依据。