盘式实心异步磁力耦合器的机械特性与调速特性

杨超君 袁爱仁 陈子清 吴盈志 张小锋 柳康

Abstract：For adjustable-speed magnetic couplers， mechanical properties and adjustable-speed characteristics are both important characteristics. In order to realize the speed regulating function better， these two characteristics above should be studied deeply. An axial-flux solid asynchronous magnetic coupler was proposed， and the calculation model of the transmitted torque was established. From this， the adjustable-speed relationship expressions were derived under the constant torque load and variable load torque conditions， respectively. Moreover， the relationships between the torque and the speed regulation were solved by discretization. In addition， the above two working characteristics of the coupler were simulated by finite element method， respectively. Particularly， the curves of mechanical property and adjustable-speed characteristic were also obtained， and the optimal air gap control ranges under the two different conditions of the constant torque load and variable torque load were determined. Furthermore， the adjustable-speed relationships when the constant torque load or variable torque load were verified experimentally， and the experimental results are in good agreement with the results of theoretical calculation and simulation analysis.

Keywords：axial-flux solid asynchronous magnetic coupler; mechanical property; adjustable-speed characteristic; torque; adjustable-speed relationship

0 引 言

盤式实心异步磁力耦合器是一种新型永磁感应传动装置[1]，不仅可以实现无接触传动，而且对中要求低，特别是因具有过载保护、隔振、轻载启动和调速节能等优点而在机械工业、石油化工、煤矿开采等各行各业受到广泛地应用[2]。

由于上述诸多优点，调速型磁力耦合器的研究受到了国内外专家的重视。Mohammadi[3]运用等效磁路法推导了轴向充磁永磁涡流耦合器的磁密公式及转矩公式，并通过三维有限元模拟验证了理论计算的正确性;Baiba Ose-Zala[4]分析了圆筒式磁力耦合器的极弧系数、永磁体厚度及长度等基本参数对转矩的影响，计算了该耦合器的机械转矩，并进行了实验验证;L. Belguerras等[5]提出了采用高温超导材料的轴向充磁磁力耦合器，利用三维有限元法模拟了耦合器的气隙磁场及转矩，并进行了实验验证;韩国光云大学王双[6]运用有限元法分析了混合磁力耦合器的三维磁场，获得了三维磁场的径向与轴向分布，并对影响转矩大小的结构尺寸进行优化，提高了传动性能。

在国内，江苏大学杨超君[7-9]针对盘式鼠笼异步磁力耦合器借鉴层理论模型建立了转矩计算公式，通过数值模拟及实验测试获得不同工况下的三维瞬态气隙磁场分布和转矩曲线，特别是实验测得了转差率及效率与转矩的关系曲线，由此得出该耦合器合理的工作区间。文献[10]运用计入了感应电流影响的新颖等效磁路法进行了盘式异步磁力耦合器转矩特性的研究，并通过有限元分析及实验进行了验证。文献[11]中，根据电机额定点、临界点和起动点等参数推导了鼠笼异步电动机的机械特性方程，并获得其机械特性曲线。文献[12]提出了调速关系的概念，针对筒式磁力耦合器建立了恒转矩负载及变转矩负载两种不同负载下的调速关系式，使得该耦合器的调速节能研究更为直观有效。文献[13-14]则提出针对盘式实心异步磁力耦合器的转矩及调速关系式的研究，为本文的进一步研究奠定基础。

综上所述，国外主要侧重于磁力耦合器磁密、电磁转矩公式的推导，以及对影响磁密、电磁转矩大小的因素进行分析，国内主要侧重于转矩与效率的计算，对磁力耦合器机械特性与调速特性的研究刚刚起步，虽然已经研究了筒式实心异步磁力耦合器的调速特性，但对于盘式实心异步磁力耦合器的机械特性及调速性能的研究还不够深入。

本文以盘式实心异步磁力耦合器为研究对象，建立传动转矩及调速关系的计算模型，并进行离散化求解，获得其调速关系;通过模拟研究磁力耦合器的机械特性与调速特性，获得恒转矩及变转矩两种不同负载转矩下的转速、转矩等工作参数的变化规律，探求其合理的调速范围，为该种调速型磁力耦合器的设计提供方法。

1 转矩公式及调速关系模型

1.1 结构模型及调速原理

图1为盘式实心异步磁力耦合器调速模型，其中，电机与输入转子相连接，负载与输出转子连接，若输入转子为永磁盘，输出转子为导体盘，根据电磁感应原理，电机带动输入转子转动导致输入、输出转子之间产生转速差，使得导体盘切割磁力线而产生感应电流，感应电流产生感应磁场从而带动负载旋转。此外，若输出转子在作转动的同时并进行轴向移动导致气隙厚度的变化，从而实现转速调节。反之，输入转子也可为导体盘，输出转子为永磁盘。

4 结 论

1）建立了盘式实心异步磁力耦合器的传动转矩及调速关系计算模型，推导出了恒转矩负载与变转矩负载下的调速关系式，实现了调速关系式的离散化计算。

2）通过软件模拟分析了磁力耦合器两种工作特性，获得了耦合器的机械特性曲线和调速特性曲线，可知，在转差率为26%时耦合器达到最大输出转矩;针对不同的恒转矩负载与变转矩负载可以确定耦合器的调速范围，并得出调速时最佳的气隙厚度变化区间;根据调速特性曲线可以判断耦合器的带负载能力并提高耦合器的启动性能。

3）通过实验验证了调速关系的理论计算值与模拟分析值在一定范围内的正确性，确立了耦合器气隙厚度与转差率、气隙厚度与输出转速之间的关系，为磁力耦合器实际调速应用提供了实验参考。

参 考 文 献：

[1] 杨超君， 顾红伟. 永磁传动技术的发展现状和展望[J].机械传动，2008，32（02）：1.

YANG Chaojun，GU Hongwei.Current situation of the permanet magnetic drive technology and its prospect[J].Journal of Mechanical Transmission，2008，32（02）：1.

[2] 王洪群， 虞培清， 章志耿. 磁传动应用技术发展[J]. 重型机械，2006 （06）：1.

WANG Hongqun， YU Peiqing， ZHANG Zhigeng. Technology development of magnetic transmission application[J].Heavy Machinery，2006（06）：1.

[3] MOHAMMADI S， MIRSALIM M， VAEZ-ZADEH S， et al. Analytical modeling and analysis of axial-flux interior permanent-magnet couplers[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014， 61（11）：5940.

[4] OSEZALA B， ONZEVS O， PUGACHOV V. Formula synthesis of maximal mechanical torque on volume for cylindrical magnetic coupler[J]. Electrical Control & Communication Engineering， 2013， 3（01）：37.

[5] BELGUERRAS L， MEZANI S， LUBIN T， et al. High temperature superconducting axial field magnetic coupler： realization and test[J]. Superconductor Science and Technology， 2015， 28（09）：1.

[6] WANG S， GUO Y C， WANG P Y， et al. Study on torque calculation for hybrid magnetic coupling and influencing factor analysis[J]. 3D Research， 2017， 8（01）：1.

[7] 杨超君， 郑武， 李志宝. 可调速异步盘式磁力联轴器的转矩计算及其影响因素分析[J]. 電机与控制学报，2012，16（01）：85.

YANG Chaojun， ZHENG Wu， LI Zhibao. Torque calculation of speed-adjustable asynchronous disk type of magnetic coupling and its impact factors analysis[J]. Electric Machines and Control， 2012，16（01）：85.

[8] 杨超君， 管春松， 丁磊， 等. 盘式异步磁力联轴器传动特性[J].机械工程学报，2014，50（01）：76.

YANG Chaojun， GUAN Chunsong， DING Lei， et al. Transmission characteristics of axial asynchronous permanent magnet couplings[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50（01）：76.

[9] 杨超君， 管春松， 徐燕飞. 盘式异步磁力联轴器三维气隙磁场计算及试验研究[J]. 电机与控制学报， 2013，1（01）：51.

YANG Chaojun， GUAN Chunsong， XU Yanfei.Theoretical arithmetic and experimental study on 3D air gap magnetic field for axial asynchronous permanent magnet couplings[J]. Electric Machines and Control，2013，1（01）：51.

[10] WANG Jian， ZHU Jianguo. A simple method for performance prediction of permanent magnet eddy current couplings using a new magnetic equivalent circuit model[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2018， 65（03）：2487.

[11] 谢丽蓉， 王智勇， 晁勤. 鼠笼异步电动机机械特性的研究[J].中国电机工程学报，2008，28（21）：68.

XIE Lirong， WANG Zhiyong， CHAO Qin. Research on the mechanical characteristic of squierrelcage asynchronous motors[J]. Proceedings of the CSEE， 2008，28（21）：68.

[12] 杨超君， 吉城龙， 张秀文， 等. 筒式异步磁力耦合器的转矩与调速关系研究[J]. 电机与控制学报，2019，23（01）：108.

YANG Chaojun， JI Chenglong， ZHANG Xiuwen， et al. Torque and adjustable-speed relation for drum-type asynchronous magnetic couplers[J]. Electric Machines and Control，2019，23（01）：108.

[13] 杨超君， 袁爱仁， 张小锋， 等. 盘式实心异步磁力耦合器的调速关系分析[J].机械传动，2017，41（12）：36.

YANG Chaojun， YUAN Airen， ZHANG Xiaofeng， et al. Analysis of the adjustable-speed relationship of axial-flux solid asynchronous magnetic coupler[J]. Journal of Mechanical Transmission，2017，41（12）：36.

[14] 袁爱仁. 盘式异步磁力耦合器调速性能分析与智能调速系统研究[D].江苏大学，2017.

[15] 王伟平， 陈小林， 黎明. 用比较斜率法分析三相异步电动机的机械特性[J].电机技术，2005（02）：27.

WANG Weiping，CHEN Xiaolin，LI Ming.Analyse the machanical specific property of three-phase asynchornous motor with the comparison slop law[J].Electrical Machinery Technology，2005（02）：27.

[16] MOHAMMADI S， MIRSALIM M. Double-sided permanent-magnet radial-flux eddy current couplers： three-dimensional analytical modelling， static and transient study， and sensitivity analysis[J]. Iet Electric Power Applications，2013， 7（09）：665.

[17] 劉锦波， 张承慧. 电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，2006.

（编辑：刘琳琳）