郑李利，周建华

(东南大学，江苏南京210096)

 

    摘要：介绍了永磁圆盘形耦合电机的结构和性能特点，探讨了该种新电机的设计特点，列出设计所需基本理论方程，通过Anson仿真对关键系数进行有限元分析，按实际要求设计出相应电机，并对其调速胜能和轴向吸引力进行分析，最后通过样机实测检验，结果表明该电机具有发展前景。

关键词：永磁圆盘形耦合电机；有限元分析；设计

 

    O引  言

目前工业生产中广泛需要进行负载、速度调节，主要的调速方式有变极对数调速、变频调速、耦合转差调速等。国内大都倾向于使用变频调速，这是因为其系统整体效率高，调速过程中没有附加损耗，应用范围广，调速范围大，特性硬，精度高；但是变频调速技术复杂，造价高，维护检修困难，如高压变频调速技术，购买变频器等附件的费用以及基建安装费用超过1 300元／kw，初投资很大。

    耦合转差是一种重要的调速方法，尤其在中高压电机或中大容量系统中，可以部分代替中高压变频调速，其经济性优越(主要是一次投资少，控制简单，运行维护成本低)。传统的电磁转差离合器需要励磁，有滑环电刷，维护不方便和运行成本较大。

    将励磁改为永磁方式，调节磁场耦合相当于调节励磁，即是永磁耦合，也就是本文电机采用的调速技术：

    永磁圆盘形耦合电机实际上是一种新型联轴器，它通过永磁体与电枢的磁力将原动机与工作机联接起来的，通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动(电动机)和被驱动(负载)侧没有机械联接，利用磁场可穿透一定的空间距离和物质材料的特性，进行机械能量的传送。通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载速度调节。

    该技术可以应用在不同类型各种风机、水泵、物料运输、斗式提升机、球磨机、卷扬机、破碎机、搅拌机、绞直机等各种机械设备上，设备投入少，节能效果良好。

    1结构和性能

特点永磁圆盘形耦合电机的基本结构如图l所示，主要由磁转子和铜转子两部分组成，该转子结构理论上可为任意组，实际巾取两组相同结构。铜转子与磁转子没有任何机械接触，考虑方便散热的因素，铜转子一般在外侧。永磁体与铜导体的背侧固定有用于构成磁路的导磁体，一般为钢材料，要求具有良好的导磁性能。为了减低重量和保证强度，其它结构件可以采用铝合金。

 

 

 

1b所示)，铜转子相对磁环的面上装有铜板。

    其工作原理为：铜转子和磁转子可以自由独立旋转，当动力侧的铜转子旋转时，铜转子和磁转子产生相对运动，铜转子在磁场中切割磁力线从而产生涡电流，涡电流产生感应磁场与永磁体相互作用，产生扭矩，从而带动负载旋转工作。磁转子和铜转子之间没有任何机械联接，存在气隙，永磁调速就是通过调节磁转子与铜转子之间气隙的大小，控制传递扭矩的大小，实现负载转速的调节，达到减速节能的效果。

    其性能特点主要有：

    (1)它是靠非接触的磁力传递转矩，主、被动端不存在机械联接，因此能容忍较大的安装对中误差(如5 mm)，大大简化了安装调试过程。

    (2)主、被动端之间不存在机械振动的传递。

    据不完全统计，90％以上机械联轴器失效是因对中误差引起的高频机械振动导致销柱或螺栓疲劳失效而损坏，而该设备能克服这一缺陷。

    (3)具有软起动功能，尤其对于大功率电机具有过载保护作用。永磁圆盘形耦合电机属于异步磁力驱动电机，其原理类似于异步感应电机，只有永磁体与铜体之间存在相对运动时，才能产生感应磁场；同时，它又具有相对恒定磁矩的特性，即当电机中联轴器的结构已经确定，其****输出磁转矩既为定值，当负载超出该值时即滑脱，而不会将电机“闷死”。

    (4)对外载导致转速波动具有自动调节功能。

    永磁圆盘形耦合电机的输出磁转矩与其相对转速差或“滑差率”成正比关系。电机起动瞬间，被动端可视为静止不动，电机输出的磁转矩随着电机转速逐渐增大到接近同步转速****值，由此可见，电机在起动的瞬间所受载荷并非拖动设备的起动载荷。随着负载的转动，滑差率逐渐减小，磁转矩也随之减小，达到负载的额定转矩后，滑差率便保持在设定的额定值上(设计中额定滑差率初定约为O.02)，此时电机输出的磁转矩即为额定磁转矩。当负载突然增大，其转速必然降低，反映在电机联轴器上是滑差率增大，进而磁转矩增大，负载得到加速力后转速增加，滑差率随之下降到额定值，重新进入平稳运行过程。以上调节过程自动完成，无需人工操作。

    (5)磁圆盘形耦合电机的使用寿命决定于永磁体的使用寿命，而永磁体的主要失效形式就是由于撞击、温度影响导致的磁性能衰退乃至失磁：

    2基本设计过程

    2.l设计方框图

    如图2所示，设计过程主要为：首先根据设计要求、已知或假定初始条件及基本理论方程通过解析计算近似确定电机大小即电机内外径，其次在此体积下适当调节转差以满足额定负载要求，电机设计过程完毕后对电机进行调速分析。

 

 

    2．2设计要求

假设额定负载功率为75 kw，电机理想空载转速为n，=1 480 r／min(即动力侧铜转子转速)，需调节负载转速范围为l 480 r／min～500r／min，采用阿组结构形式，每组功率P=37 5 kw，以下2 3～2 6节均为分析其中一组，假定满载转差****允许为n，=30 r／min。初选永磁体参数为：Br=1.2 T，He=900kA／m(如钕铁硼NTP一288)，铜厚Hq=0．5 cm。

初设铜和永磁体之间间隙δ1=O 5 cm，则气隙总长度6=1 cm，对于退磁曲线为直线的稀土类永磁

 

 

(2)每根导体平均电动势气隙磁密用平均半径处的磁密Bs(θ)代表，则在(r，θ)处d，长导体所产生的电动势：

 

 

 

  对于一定的极弧系数，采用较少的极对数使极间距增加，漏磁显著减小，但调速时需要的气隙的调节范围较大，综合平衡分析，本设计在预定参数条件下选择极对数9。

  仿真中分别在不同内外径、不同极对数及不同永磁体、气隙厚度进行了分析，由仿真数据可得a，KL与T/8的关系曲线图如图3和图4，解析计算时可以从图表中抽取其拟合值。

 

 

    使其在实际中满足设计要求(出于装配精度、机械安全、磁密利用等因素考虑不再调节气隙长度)。

    2.5仿真过程中一些矢量、波形图

通过图5可以看出，其中任意一对磁极和铜之间磁场磁路为永磁体N极气隙一铜一铁铜一气隙一相邻永磁体s极。

 

 

    对图6中曲线分析计算可求出B。

    密度随时间但稳定运行时总的涡流损耗、转矩趋于恒定。

    2．6设计算结果

    按设计要求，代人基本方程，参考重要系数及参数α1、K1、λ通过解析计算可得每组额定负载功率P=37 5 kw时，内径Dmi=25 cm，外径Dmo=47 cm，转差近似调整为nr=20 r／min。

    经仿真及解析计算，永磁圆盘形耦合电机其中一组(共两组)结构设计方案如表2所示。

 

 

    由图8分析可得，当调速为66.7％，此时需调节总气隙到3．53 cm。因此此电机可在较小气隙变动范围内具有较大的调速范围，且当气隙较大时，调速变化较大，如当转差nr从30～60 r／min，总气隙变化O．56 cm(从1．3l～1．87 cm)；转差nr从900～1 000 r／min，总气隙仅变化0.29 cm(从3 24～3.53 cm)。

   3.1轴向力的仿真分析

按设计结果数据对静磁场进行仿真，可得两侧转子的轴向吸引力Fcu，分别通过理论及仿真分析计算得考虑涡流后吸引力Fcu近似值，如表3所示。

 

 

    表3不同气隙静磁场吸引力和考虑涡流后吸引力近似值分析可得，气隙越大，永磁体与铜转子之间静磁场吸引力越小，且调速过程中随着气隙增大转差越大，涡流去磁越大；因此调速时气隙越大，永磁体与铜转子之间吸引力越小，调节气隙需要的轴向固定力越小。

    由F∝Bδav及表3可得，此电机磁场吸引力F一65 000BBδav。

    机械设计中可根据其吸引力来选择适当气隙、设计调节器等。

    4样机试验

    样机安装于某石化公司水车间的备用水泵，水泵电机实际容量75 kw，三相Y型连接，线电压额定值380 V，额定转速1 480 r／min。

    样机的实际结构参数同表2，****区别是实际使用的是钕铁硼NTP一33H。其实测数据如表4所示。

 

 

 

    由没计中解析计算可得所需调节气隙δ1相应近似为1．32 cm、2．25 cm、2．52 cm、2．78 cm。

试验结果分析：(1)样机的气隙调节幅度小于仿真计算值，可能原因是仿真解析计算时取值和该样机电机加工中的不够精确；(2)节能效果好于直接的出口流量调节，但是要差于使用变频电机直接调速。

5结语

本文75 kw样机的实验表明，节能效果良好，虽然设计方案所得结果与方案样机实测值有差异，在工程允许范围内，同时表明需对电机的参数进行进一步优化分析。此电机主要缺点是存在转矩脉动，但在低转差范围运行时，转矩脉动不是很大(将进一步分析)；其次，在调速时是小步累积调节的，在气隙的微小变化过程中转矩波动不大。

与变频调速系统相比，该电机调速节能效果略差，但在中高压电机拖动系统的调速中，与变频系统相比具有明显的经济性，维护方便、运行更可靠，因此它的发展和应用前景将非常广阔。