永磁耦合器作為一種磁力傳動(dòng)裝置,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳遞,它基于電磁感應(yīng)原理,導(dǎo)體盤切割永磁體盤磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)渦流,并由感應(yīng)渦流受到的安培力提供傳遞轉(zhuǎn)矩,帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行,在整個(gè)轉(zhuǎn)矩傳遞過程中,輸入側(cè)與輸出側(cè)無任何機(jī)械連接。永磁耦合器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝精度要求低、維護(hù)費(fèi)用低、環(huán)境適用性強(qiáng)、隔振效果優(yōu)異等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、過載保護(hù)、軟啟動(dòng)等功能,在輪船、石油、發(fā)電、化工等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用,但在煤礦中使用較少。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣,工作強(qiáng)度大,永磁耦合器的上述優(yōu)點(diǎn)在煤礦應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì),具有良好的應(yīng)用前景。目前,國(guó)內(nèi)的永磁耦合器研究處于計(jì)算機(jī)仿真分析,仿制國(guó)外產(chǎn)品階段,相關(guān)的理論分析不夠成熟,缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,因此對(duì)于永磁耦合器傳動(dòng)理論的研究具有重要的意義,相關(guān)特性的分析具有較高的實(shí)用價(jià)值。本文采用磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)、材料技術(shù),基于電磁學(xué)理論、電機(jī)電力拖動(dòng)等理論,通過理論分析、有限元仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)永磁耦合器傳動(dòng)理論方程式及傳動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。建立永磁耦合器分析模型,以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ),分析永磁體自身特性及其回復(fù)曲線,得到永磁體在工作點(diǎn)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的相互關(guān)系,采用等效面電流法將永磁體等效為磁動(dòng)勢(shì)與磁阻的串聯(lián);根據(jù)磁路的基本定律分析得到永磁耦合器外磁路特性,利用磁場(chǎng)分割法將永磁耦合器外磁路進(jìn)行合理劃分,將永磁耦合器氣隙劃分為多個(gè)規(guī)則磁通管,計(jì)算得到各磁通管磁阻,根據(jù)等效磁路法構(gòu)建永磁耦合器等效磁路模型,得到外磁路特性與永磁體磁特性的關(guān)系,與永磁體回復(fù)曲線方程聯(lián)立得到永磁體工作點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度解析表達(dá)式,由此計(jì)算得各個(gè)磁通管的磁通量,將趨膚效應(yīng)等效為導(dǎo)體盤電阻率的增大,根據(jù)電磁感應(yīng)原理計(jì)算得到各磁通管映射至導(dǎo)體盤區(qū)域受到的安培力,將各區(qū)域安培力整合最終得出永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差關(guān)系方程式,由該方程得到永磁耦合器最大傳遞轉(zhuǎn)矩及最大可調(diào)轉(zhuǎn)速的解析表達(dá)式,根據(jù)能量守恒定律計(jì)算得到永磁耦合器渦流損耗解析表達(dá)式。根據(jù)永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差關(guān)系的方程式,結(jié)合有限元仿真及實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)永磁耦合器各種材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能影響進(jìn)行了單因素分析,在僅改變永磁耦合器氣隙厚度、導(dǎo)體盤材質(zhì)、導(dǎo)體盤厚度的情況下,得到不同參數(shù)下永磁耦合器的機(jī)械特性曲線,得到對(duì)永磁耦合器額定轉(zhuǎn)矩、最大傳遞轉(zhuǎn)矩、最大可調(diào)轉(zhuǎn)速、渦流損耗的影響,得到永磁耦合器永磁體剩磁大小與額定轉(zhuǎn)矩、最大傳遞轉(zhuǎn)矩正相關(guān),與最大可調(diào)轉(zhuǎn)速不相關(guān);永磁耦合器氣隙厚度與額定轉(zhuǎn)矩和最大傳遞轉(zhuǎn)矩負(fù)相關(guān),與最大可調(diào)轉(zhuǎn)速不相關(guān);永磁耦合器導(dǎo)體盤電導(dǎo)率與額定轉(zhuǎn)矩正相關(guān),與最大傳遞轉(zhuǎn)矩不相關(guān),與最大可調(diào)負(fù)相關(guān);永磁耦合器導(dǎo)體盤厚度與額定轉(zhuǎn)矩正相關(guān),與最大傳遞轉(zhuǎn)矩和最大可調(diào)轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)的結(jié)論。利用ANSYS Maxwell軟件對(duì)永磁耦合器傳動(dòng)性能進(jìn)行有限元分析,合理簡(jiǎn)化永磁耦合器實(shí)際模型,建立有限元分析模型,合理設(shè)置各零部件材料及參數(shù),根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置邊界條件和激勵(lì)條件,根據(jù)實(shí)際精度需求合理劃分網(wǎng)格,以轉(zhuǎn)差為變量,對(duì)永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩及軸向力進(jìn)行三維瞬態(tài)場(chǎng)仿真分析,得到不同參數(shù)情況下永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差的變化曲線、軸向力隨轉(zhuǎn)差的變化曲線;結(jié)合ANSYS Workbench軟件對(duì)永磁耦合器溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析,利用在ANSYS Maxwell轉(zhuǎn)矩分析中得到的各個(gè)零部件熱源功率,引入散熱系數(shù)描述永磁耦合器各個(gè)零部件與空氣的熱交換能力,合理設(shè)置各零部件及空氣的導(dǎo)熱參數(shù),仿真分析永磁耦合器的溫度場(chǎng)分布情況,得到穩(wěn)定工況下永磁耦合器各零部件的穩(wěn)態(tài)溫度情況和過載工況下的溫升曲線,永磁體映射至導(dǎo)體盤的區(qū)域溫度最高,與之直接接觸的外鋼盤次之,永磁體的溫度隨著氣隙厚度的增大而降低,在額定工況下,扇形永磁體樣機(jī)和圓形永磁體樣機(jī)永磁體溫度均能維持在容許溫度之下,過載時(shí)永磁體溫度快速升高,圓形永磁體樣機(jī)溫度在過載約20s后永磁體溫度超過允許值。以理論分析的結(jié)論為基礎(chǔ),結(jié)合仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究,得到永磁耦合器的機(jī)械特性,永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差地增大而迅速增大,當(dāng)轉(zhuǎn)差達(dá)到某一定值時(shí)(扇形永磁體樣機(jī)為220rpm,圓形永磁體樣機(jī)為500rpm),傳遞轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值,永磁耦合器在轉(zhuǎn)差小于該定值時(shí)可以穩(wěn)定的工作,而轉(zhuǎn)差超過這一定值后,永磁耦合器過載,輸出側(cè)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn),傳遞轉(zhuǎn)矩下降,永磁耦合器將打滑而不能夠工作,電動(dòng)機(jī)功率完全轉(zhuǎn)化為永磁耦合器的渦流損耗,永磁耦合器溫度將迅速升高。對(duì)于常用礦用負(fù)載,永磁耦合器具有一定的調(diào)速功能,改變氣隙厚度得到不同氣隙條件下永磁耦合器的機(jī)械特性曲線,可知不同氣隙情況下永磁耦合器最大可調(diào)轉(zhuǎn)速不改變,最大傳遞轉(zhuǎn)矩隨氣隙厚度增加而減小,在任何極對(duì)數(shù)的電機(jī)中,對(duì)于運(yùn)輸提升類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和泵與風(fēng)機(jī)類二次方律負(fù)載,扇形、圓形永磁體樣機(jī)最多可以減少220rpm、500rpm的負(fù)載轉(zhuǎn)速,由此帶來的功率損耗等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以降低的轉(zhuǎn)速,因此對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不具有節(jié)能效果;由于二次律負(fù)載的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,因此對(duì)于二次方律負(fù)載,永磁耦合器可以起到一定的節(jié)能效果,扇形、圓形永磁體樣機(jī)分別能夠減小12%、31%的轉(zhuǎn)速,在工況需要時(shí),最多可以降低電機(jī)31.9%、67.1%的功率。加裝永磁耦合器后,對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,有一定的軟啟動(dòng)效果,對(duì)于本文的圓形永磁體永磁耦合器,加裝后電動(dòng)機(jī)峰值電流減小9.8%,電機(jī)啟動(dòng)電流持續(xù)時(shí)間減少5.9%;對(duì)于二次方律負(fù)載,固定氣隙的永磁耦合器沒有軟啟動(dòng)效果。永磁耦合器具有過載保護(hù)功能,增大永磁耦合器氣隙可以減小永磁耦合器最大傳遞轉(zhuǎn)矩,減小過載系數(shù);永磁耦合器軸向力初始為吸引力,隨轉(zhuǎn)差由零不斷增大,吸引力逐漸減小,在永磁耦合器達(dá)到最大可調(diào)轉(zhuǎn)速時(shí),軸向力變?yōu)榱?若進(jìn)一步加大轉(zhuǎn)差,永磁耦合器堵轉(zhuǎn),軸向力由于巨大的轉(zhuǎn)差而形成巨大的排斥力,此排斥力增大了限矩型永磁耦合器的氣隙厚度,使電機(jī)與負(fù)載脫離,達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的,上述結(jié)論為限矩型永磁耦合器提供了理論依據(jù)。為了驗(yàn)證理論分析和有限元仿真的結(jié)果,建立有限元實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用原有扇形永磁體永磁耦合器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試永磁耦合器穩(wěn)定工況下轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差情況,改進(jìn)永磁耦合器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),加裝減速器、電動(dòng)執(zhí)行器來測(cè)試永磁耦合器機(jī)械特性,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄永磁耦合器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差、溫度的變化,精確得到永磁耦合器傳動(dòng)數(shù)據(jù)及溫度情況,由實(shí)驗(yàn)得到的永磁耦合器機(jī)械特性曲線與理論計(jì)算得到的解析表達(dá)式和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可知有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi),理論公式在轉(zhuǎn)差小于最大可調(diào)轉(zhuǎn)速時(shí)誤差較低,在10%以內(nèi),大于該轉(zhuǎn)差時(shí)誤差升高,且在氣隙增大時(shí),理論公式誤差也同時(shí)增大。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD605
【部分圖文】：
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文偶合器器作為電機(jī)與減速器之間的連接裝置，廣泛應(yīng)用于，如圖 1.1 所示為液力耦合器傳動(dòng)原理示意圖[4]，輸入，帶動(dòng)泵輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，液力偶合器中的液體受甩出到泵輪邊緣，因而增大了液體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此體的動(dòng)能，液體動(dòng)能作用到負(fù)載渦輪葉片上，帶動(dòng)又轉(zhuǎn)化為負(fù)載機(jī)械能，在此過程中，液力偶合器泵體在泵輪與渦輪之間相互循環(huán)運(yùn)動(dòng)，通過柔性連接
圖 1.1 液力偶合器傳動(dòng)原理ig1.1 The transmission principle of hydraulic coupl型液力偶合器的實(shí)物圖，其工作原理是改變了偶合器的機(jī)械特性曲線，因而在與負(fù)調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速，減少電機(jī)的沖擊載荷和
圖 1.3 可控啟動(dòng)傳輸裝置實(shí)物圖Fig1.3 Physical diagram of CST圖 1.4 CST 工作原理Fig1.4 The working principle of CST controllable device 可控啟動(dòng)傳輸裝置傳動(dòng)原理[5]：CST 含有兩級(jí)減速齒輪：第一斜齒輪裝置；第二級(jí)減速裝置為行星齒輪裝置。當(dāng)電機(jī)達(dá)到滿動(dòng)三個(gè)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；行星齒輪帶動(dòng)自由旋轉(zhuǎn)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)；輸入架上，此時(shí)并不轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)液壓系統(tǒng)向環(huán)形活塞加壓時(shí)，離合器）和靜止片相互作用，使加在齒圈上的力矩逐漸增加，當(dāng)齒圈
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本文編號(hào)：
2893619
