筒式调速异步磁力耦合器动态性能分析与调速机构设计

摘要

筒式调速异步磁力耦合器是运用电磁感应原理来实现动力的传递，并通过改变永磁体与导体间的啮合长度来进行动力传递能力的调节。它不仅具有传统磁力传动设备无接触传递、过载保护等特点，还可实现负载的调速、节能和软起动等功能。工程运用中，在恶劣工况下能实现软起动和调速是其得到广泛关注的重要原因。因此，本文围绕磁力耦合器的调速原理、逐渐啮合起动、调速特性和调速机构设计进行了研究。主要研究内容及成果如下:
　　(1)根据负载的恒定与否，把调速分为恒定负载调速和非恒定负载调速，并对两种工况下的调速原理进行分析;同时，针对风机类负载研究了磁力耦合器的调速节能机理;此外，运用等效电路法，推导了磁力耦合器在两种负载下的啮合长度与转差率之间的关系式，并得出磁力耦合器带动风机类负载时的调速范围宽于带动恒定负载时的范围，且恒定负载下的调速范围与内转子结构有关。
　　(2)从电力拖动系统的角度研究了异步磁力耦合器构成的拖动系统，推导了该系统的动力学方程，并对磁力耦合器的转速差与负载之间的关系进行了理论分析;运用有限元分析法，对磁力耦合器的逐渐啮合起动过程进行模拟分析，研究了起动中的转矩、转速、轴向力和相关电磁特性的变化规律，并对逐渐啮合起动与全啮合起动过程进行对比分析，结果表明逐渐啮合起动实现了电动机的空载起动以及负载的有缓冲起动。
　　(3)提出磁力耦合器的稳定运行条件，即磁力耦合器的机械特性曲线与负载的转矩特性曲线有交点，且在该点处的机械特性曲线的斜率小于负载转矩特性曲线的斜率;同时，运用磁力耦合器机械特性曲线对两种负载下的调速过程进行分析，得出恒定负载下的调速范围小于风机类负载;接着，采用有限元分析法对恒定负载下的动态调速过程进行了研究，得出轴向移动速度的减小可使整个调速过程更加平稳，而磁力耦合器带动某一恒定负载所需的转速差是不变的，与输入转速无关;最后运用传动性能测试实验台，对磁力耦合器在恒定负载调速时的性能进行测试研究，实验结果与前述理论分析具有较好的一致性。
　　(4)针对磁力耦合器的调速机构设计，首先从运行原理、运行工况等方面进行分析，得出调速机构放于从动转子侧有利于装置的稳定性，并确定了调速机构的最大受力工况;然后对关键零部件做出选型，得出调速机构的动连接采用导向键连接合适，而轴承可选用一对角接触球轴承背对背布置;最后运用有限元分析法对机架做了静力学分析，并运用拓扑结构优化法对机架进行优化，使机架质量减少了9.2％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 磁力耦合器的发展概况

1．2．1 国外发展概况

1．2．2 国内发展概况

1．3 调速异步磁力耦合器的产品开发及工程应用

1．4 调速异步磁力耦合器的分类与对比

1．4．1 气隙调节型

1．4．2 啮合长度(或啮合面积)调节型

1．4．3 综合调节型

1．4．4 筒式与盘式调速异步磁力耦合器的对比

1．5 本课题主要研究内容

第二章 筒式调速异步磁力耦合器的运行与调速原理分析

2．1 基本结构

2．2 运行原理

2．3 调速原理

2．3．1 负载转矩恒定的工况

2．3．2 负载转矩发生变化的工况

2．4 调速节能机理

2．5 啮合长度及转差率之间的关系

2．5．1 基本假设

2．5．2 内转子电路模型及转矩表达式

2．5．3 恒定负载时啮合长度与转差率间的关系

2．5．4 风机类负载时啮合长度与转差率间的关系

2．6 本章小结

第三章 筒式调速异步磁力耦合器的逐渐啮合起动分析

3．1 异步磁力耦合器构成的电力拖动系统

3．1．1 不考虑电动机时的动力学方程

3．1．2 考虑电动机时的动力学方程

3．2 逐渐啮合起动分析

3．2．1 基本假设

3．2．2 有限元模型建立

3．2．3 求解过程分析

3．2．4 模拟结果及分析

3．2．5 逐渐啮合起动与全啮合起动的对比

3．3 本章小结

第四章 简式调速异步磁力耦合器的调速特性研究

4．1 筒式调速异步磁力耦合器的稳定运行条件

4．2 筒式调速异步磁力耦合器的机械特性

4．3 恒定负载下的动态调速过程分析

4．3．1 动态调速过程介绍

4．3．2 模拟结果与分析

4．4 恒定负载调速实验研究

4．4．1 实验装置介绍

4．4．2 实验方案

4．4．3 实验结果与分析

4．5 本章小结

第五章 筒式调速异步磁力耦合器的调速机构设计

5．1 调速机构的运行原理与运行工况分析

5．1．1 调速机构的运行原理

5．1．2 调速机构的设计参数

5．1．3 调速机构的运行工况分析

5．2 调速机构的设计流程

5．3 关键零件的选取及尺寸确定

5．3．1 实心轴与空心轴直径的确定

5．3．2 键的选取

5．3．3 轴承布置方案的确定

5．3．4 机架设计

5．3．5 直线运动机构的设计

5．4 调速机构机架的有限元校核与优化

5．4．1 机架的有限元分析与校核

5．4．2 机架的拓扑结构优化

5．5 本章小结

第六章 论文总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题研究