影响矿用磁力耦合器工作性能的因素分析

由图 ３ 中 可 以 看 出 , 气 隙 从 ４ mm 增 大 到 １ ０ mm 时 , 最大 转 矩 减 小 了 ８０ N ������ m , 最 小 转 矩 减小了 ５ ４ N ������ m . 可 见 气 隙 对 转 矩 的 影 响 是 很 大 的 , 所以在加工及安装精度允许的条件下 , 应该尽 量减小气隙 , 以减小耦合器的径向尺寸 . ７０
Niu Yaohon g １
, ２
Abstract This p a p er anal y sis and studies the data of ma g netic cou p lin g exp eriment． The effect for the workin g air g a p ,co pp er thickness ,ma g net thickness ,area and p oles chan g es of ma g netic cou p ler to the out p ut tor q ue have been discussed ,which p rovides a basis for p roduct of develo p ment and the feasibilit y stud y for the startu p characteristics ,overload p rotection and runＧ nin g efficienc y characteristics for ma g netic cou p lin g ． Key words ma g netic cou p ler ,out p ut tor q ue ,the startu p characteristics ,overload p rotecＧ , tion runnin g efficienc y 、永久磁 铜 盘) 永磁磁力耦 合 器 是 由 导 体 盘 ( 体盘 ( 铝盘 ) 以及联接部件组成的磁力驱动联接装 置 , 主要部件的结构参数对其机械特性有着不同程 度的影响 , 找出它们的影响规律 , 对研究磁力耦合 器设计有着重要的参考价值 . 本文以 ４０ kW 矿 用 刮 板 输 送 机 应 用 的 永 磁 磁 力耦合器为例 , 通过设计搭建测试平台 , 全面测试 和分析了其结构参数对机械特性的影响关系 , 为永 磁耦合器的设计奠定了一定的试验基础 . １ 试验平台的搭建 由图 １ 可 以 看 出 , 试 验 平 台 动 力 采 用 DSB ( JDSB) －４０ －４ ( ３ ８０/６ ６ ０ ) 隔爆型三 相 异 步 电 动 机 , 负载采用磁粉制动器 , 在输入和输出轴分别安 装转速和转矩测试传感器和机械效率测试仪 . 测试 用磁力耦合器结构示意图如图 ２ 所示 . ６９
图 ７ 磁铁面积对转矩的影响
由图 ６ 可以 看 出 , 当 磁 铁 厚 度 从 ２ ０ mm 增 加 到 ３ ０ mm 时 , 最大转矩增加 ６ ４ N ������ m , 最小转矩 同时要增加成本 , 因此在进行耦合器设计时也应充 ２ ������２ ������２ 磁铁面积和磁极对数的影响 磁力耦合器是靠磁场力来实现动力传递的 , 转 矩的大小等于力与受力半径的乘积 , 其中磁场力的 大小又等于磁感应强度 、 电流及导体有效长度的乘 积 , 电流的大小又与磁通的变化率及导体的电阻有 关 . 因此 , 在磁感应强度 、 耦合器和磁铁的结构尺 寸 、 铜盘和磁盘的相对转速 、 气隙 、 磁铁与钢盘之 间距离均已确定的情况下 , 转矩的大小将直接与磁 铁的面积和磁极对数有关 , 其中磁铁的面积越大磁 通越大 , 磁极对数越多磁通的变化率越大 . 为了设 计出满足一定转矩要求的磁力耦合器 , 必须测试磁 铁的面积和磁极对数与转矩的关系 . 图 ７ 是工作气 隙为 １ ２ mm 、 铜 盘 厚 度 为 ６ mm 和 磁 铁 厚 度 为 １ ５ mm , 磁极对数 分 别 为 １ 、 ２ 、 ３ 、 ４ 对 时 所 测 得 的耦合器机械特性 . 分考虑这一点 .
图 ３ 气隙对机械特性的影响
由图 ５ 可以看出 , 在磁铁与钢盘之间的距离不
图 ５ 磁铁与钢盘之间距离不变的试验结果
中国煤炭第 ４０ 卷第 ５ 期 ２ ０ １ ４ 年 ５ 月
变的情况下 , 铜盘越厚机械特性曲线越硬 , 速度稳 定性越好 , 说明转差很小时 , 由于铜盘的加厚一方 面使电阻减小 、 电流增大进而转矩增大 ; 另一方面 由于铜盘厚度的增加和气隙的减小 , 使原来没有被 铜盘切割到的漏磁也进入被切割区域 , 参与了能量 ２ ������２ 磁铁的影响 ２ ������２ ������１ 磁铁厚度的影响 转换 , 提高了磁力线的利用率和耦合器的效率 .
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影响矿用磁力耦合器工作性能的因素分析
２ 牛耀宏 １ ,
摘 要 利用矿用磁力耦合联轴器的试验数据进行分析和研究 , 探讨了其工作气隙 、 铜 盘厚度 、 磁铁厚度 、 面积及磁极对数等参数的变化对输出转矩的影响 , 从而为矿用磁力耦合 联轴器的启动特性 、 过载保护性能和运行效率等工作特性及产品开发与应用的可行性研究提 供依据 . 关键词 磁力耦合联轴器 输出转矩 启动特性 过载保护 运行效率 中图分类号 TD６ １ ４ ������２ 文献标识码 A
; 永磁体盘 ) １ － 外钢盘 ; ２ － 铜盘 ; ３ － 铝盘 (
图 ２ 永磁耦合器基本结构示意图
４ － 永磁体 ; ５ － 内钢盘
２ 试验测试及结果分析
不同的工作气隙 、 铜盘厚度 、 磁极厚度和磁极对数 ２ ������１ 工作气隙与铜盘厚度的影响 ２ ������１������１ 工作气隙的影响 的情况下 , 负载侧的转矩值随转差的变化规律 .
根据设计要求 , 试验测试了永磁磁力耦合器在
图 ４ 铜盘厚度变化时的试验结果
间的距离 、 铁板与磁极间的距离和铜盘厚度均不变 的情况下 , 工作气隙越大漏磁越多 , 导体切割的有 效磁通越小 , 耦合器传递的转矩就越小 . 对铜盘厚 度 为 １ ４ mm 、 磁 极 对 数 为 ４ 对 和 磁 铁 厚 度 为 １ ５ mm 时 , 工作气隙分 别 为 ４ mm 、 ６ mm 、 ８ mm 和 １ ０ mm 的磁 力 耦 合 器 机 械 特 性 试 验 结 果 如 图 ３ 所示 .
( 北京 ) 机电信息学院 , 北京市海淀区 , １ ０００ ８ ３ ; １ ������ 中国矿业大学 ( ２ ������ 河北能源职业技术学院 , 河北省唐山市 , ０ ６ ３ ００４ )
Anal ysis of the factors affectin g mine magnetic coup lin g p erformance
由图 ７ 可以看出 , 耦合器的输出转矩基本与磁 铁的面积成正比关系 , 再考虑工作气隙和磁铁厚度 等因素的影响 , 则可作为耦合器的设计基础 . 在磁 铁的面积 和 磁 感 应 强 度 及 电 动 机 转 速 一 定 的 情 况 下 , 磁极对数将直接影响感应电动势和感应电流的 大小 . 从理论上讲 , 磁极对数越多 , 磁通的变化率 越大 , 电阻一定时铜盘中的涡电流就越大 , 进而使 耦合器传递的转矩也就越大 . 但由于漏磁的大小随 磁铁之间距离的减小而增大 , 同时与工作气隙和铜 盘厚度有关 , 因此在耦合器的外形尺寸一定时 , 磁 极对数越多 , 磁铁的有效面积将减小 , 每块磁铁的 磁通量也将减小 , 所以总的磁通变化率并不与磁极 对数成正比 , 而是存在某一个最优的数值可以使传 递的转矩最大 . 本文对磁铁的布置作了如图 ８ 所示 的考虑 .
图 ６ 磁铁厚度对机械特性的影响
增加 ４２ N ������ m , 磁铁厚 度 对 输 出 转 矩 的 影 响 很 大 . 但增加磁铁的厚度 必 然 要 增 大 耦 合 器 的 轴 向 长 度 ,
A — 气隙厚度 ; B — 铜盘厚度
漏磁就会减少,使磁力线沿磁阻尽量小的路径 ( 磁铁 — 钢盘— 磁铁) 形成回路.如果不满足此条件漏磁将 最大;若按此条件设计, 磁极数量就不可能过多, 过 分增加磁极对数只能减小 A 的尺寸或磁极的面积, 使 得被铜盘切割的有效磁通减小, 转矩也随之减小. 在 保持磁铁面积和耦合器结构尺寸不变的情况, 只改变 磁极对数的情况试验结果如图 ９ 所示. 由图 ９ 可 以 看 出 , 磁 极 对 数 对 转 矩 ( 传递功 率 ) 的影响并不大 , 这说明功率的传递主要取决于 穿过铜盘的磁力线的多少 , 而不是磁极对数 . 但从 试验结果也可以看出随磁极对数的增多使得最大转 矩也略有增加 , 其原因是在耦合器结构尺寸不变的 情况下 , 随着磁极对数的增多 , 磁路长度略有缩短 ７１
由磁场的性质可知 , 在磁极轴向长度 、 磁极之
由图 ４ 可 以 看 出 , 铜 盘 厚 度 从 ８ mm 变 化 到 １ ４ mm 时 , 最大转矩减小了 １ １ ０ N ������ m , 最小转矩 减小了 ３ ０ N ������ m , 可 见 铜 盘 的 厚 度 对 最 大 转 矩 影 响较大 . 而转矩的减小可以从两方面解释 : 一是铜 盘的加厚直接使磁铁与钢盘之间的距离加大 , 使得 漏磁增多 , 因此最大转矩减小很多 , 这说明在转差 较小时趋肤效应不是很严重 , 气隙的影响占主要地 位 ; 二是在转差很大时 , 趋肤效应明显 , 气隙的变 化对启动转矩影响不大 . 为了明确铜盘厚度对转矩 的影响 , 以磁铁与钢盘之间的距离不变为条件 , 在 ２ ０ mm 、 磁极对数为 ６ 时和气隙及铜盘厚度分别为 ６ ＋１ ２ mm 、 ８ ＋ １ ０ mm 、 １ ０ ＋ ８ mm 和 １ ２ ＋ ６ mm 的耦合器进行试验 , 其试验结果如图 ５ 所示 . 改变铜盘厚度的同时改变工作气隙 , 对磁铁厚度为
图 １ 永磁耦合器模拟试验平台示意图
载保护能力和传递转矩与效率 ３ 个方面 , 负载为恒 转矩负载 . 针对实际的工作要求 , 设计搭建实际工