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轴向啮合永磁联轴器涡流场分析和特点

2021-03-20 14:14:33

轴向啮合永磁联轴器涡流场分析和特点

   介绍了可调速轴向啮合永磁联轴器的特点和无机械接触转矩传递机理。基于三维运动涡流场,建立了单铜套型永磁联轴器的有限元模型,对其磁场和涡流场进行分析,得出筒式永磁联轴器磁场和涡流场的分布规律并分析了磁及数、永磁体厚度、铜套厚度及气隙厚度等设计参数对涡流密度的影响。进一步分析了永磁场及涡流场之间耦合力分布,解决筒式永磁联轴器径向力不均衡问题。选择四组不同结构参数进行双筒型永磁联轴器样机试制及试验测试,试验结果与仿真结果对比验证了有限元分析与传动特性研究方法的准确性。永磁联轴器是一种无机械连接的扭矩传动磁力机械装置,与传统机械式联轴器相比,其通过永磁转子与导磁转子间的非接触传动实现动力传递,避免了机械摩擦和磨损,减小了传动部件的磨损和系统振动。同时,永磁联轴器还具备结构简单、维护方便、适应恶劣工况、可实现电动机的软启动及过载保护功能以及降低对电网的谐波干扰等优点,在炼油、化工、煤炭、电力和农业机械等行业的动力传输装置中有着良好的应用前景。

1.1基本结构

可调速轴向啮合式永磁联轴器结构,主要由与电动机相连的导磁转子总成和与负载相连的永磁转子总成及调速装置等部分组成。导磁转子总成由主动轴、导磁转子基体及铜套组成;永磁转子总成由永磁转子基体、瓦片型永磁块及负载轴(输出轴)组成,永磁块以N及、S及交替布局排列方式均匀嵌入在筒形永磁转子基体的外圆周面槽内。其中,永磁块与铜套之间隔开确定的空气间隙。在负载轴上安装有电控调速装置,主要由主控 制 器、彩屏人机交互系统、步进电动机、减速机构、滚珠丝杠、推块、导向套筒和轴承等组成。

1.2.永磁联轴器工作原理

导磁转子总成在电动机驱动下旋转时,与永磁转子总成产生相对转动,铜套通过切割永磁块的磁力线而在铜套表面上产生涡流,而涡流产生的感应磁场又与永磁体产生的磁场相互作用,推动永磁转子总成带

动负载轴与导磁转子总成同向旋转,即实现了电动机与负载之间动力的无接触传递。永磁联轴器根据负载变化自动调节输出转矩,当负载实际所需转矩变加时,变加导磁铜套与永磁体之间的啮合面积(即轴向啮合长度),此时通过导磁铜套的磁力线变加,使永磁调速器传递的转矩变加。在导磁铜套与永磁体之间啮合面积不变情况下,负载速度降低,转差率变加,永磁联轴器输出转矩先变加后趋于平缓。

1.3调速原理

永磁联轴器自动调速由电控调速装置自动完成。电控调速装置由单片机作为系统主控 制 器,采用彩屏设计人机交互系统,实现控制信息输入。反馈传感器包括丝杠位置传感器、转矩转速传感器等,其中,丝杠位置传感器可检测滚珠丝杠轴向移动方向和距离,即可判断导磁铜套与永体之间的啮合面积,转矩转速传感器可检测负载变化情况。调速执行元件包括步进电动机、减速机构、滚珠丝杠、推块和导向套筒等。工作时,主控 制 器接受人机交互系统输入控制信息及各种传感器反馈信号,综合判断负载变化情况,控制步进电动机转动,通过减速机构、滚珠丝杠和推块等传动机构驱动导向套筒带动永磁转子总成沿轴向左右移动,改变导磁铜套与永磁体之间的啮合面积,使从动轴输出的转矩、转速与负载相适应,从而实现不同转矩和转速输出。在永磁联轴器铜套与永磁体啮合面积较大,即导磁转子总成与永磁转子总成轴向距离较近时,如果永磁联轴器停止工作,铜套与永磁转子之间相对静止,铜套不能切割磁力线产生感应磁场,磁路中只有永磁体形成的永磁场,

主磁通从永磁体N极出发,沿径向穿过气隙、铜套和导磁转子基体,到达相邻永磁体的S极,较后在永磁转子基体部分闭合,形成回路。有部分磁通不经过铜套而直接进入相邻磁体,不会对导磁转子产生作用,该部分磁通即为漏磁。漏磁越大,永磁联轴器能够传递的较大转矩就越小,因此,应合理设计永磁转子及导磁转子结构以尽量减小漏磁。气隙处的磁通密度可反映出永磁体磁场与涡流感应磁场之间的耦合结果,

1)利用有限元分析软件对永磁联轴器进行静态和瞬态磁场仿真,验证了永磁体磁场和铜套涡流感应磁场相互耦合作用传递转速和转矩的机理,气隙处的磁通密度可间接反映出铜套中磁通密度沿周向不均匀分布并呈类似于正弦规律变化,周期数与磁及对数相等。2)铜套上的涡流呈涡旋状不均匀分布,形成的涡流回路数与永磁体个数相同,相邻回路涡流方向相反。通过涡流特性分析,探究了不同结构参数对涡流及转矩的影响规律。3)在涡流分析基础上,分析了永磁联轴器磁场耦合力形成机理及其作用,并仿真模拟出铜套径向受力矢量分布,可知单铜套和永磁转子在径向方向受力存在失衡现象。通过双铜套型导磁转子的结构改进,可效果优良提高设备的性能及稳定性,同时也提高了永磁体的利用率。4)通过不同结构参数双筒型永磁联轴器试验与仿真分析,可知磁及对数、永磁体厚度、铜套厚度、气隙厚度对单铜套型与双铜套型永磁联轴器传动性能的影响规律基本一致。