调磁式异步磁力联轴器的电磁特性与温度场研究

摘要

调磁式异步磁力联轴器是基于电磁感应原理和磁场调制原理研制出的新型磁力传动装置，除了具有普通异步磁力联轴器无接触传递转矩、传动平稳、无噪音等特性外，还具有实现内外转子转速变换的功能。凭借其独特的优点可广泛应用于工作环境中有易燃、易爆、高温介质的化工、石油等行业中，因而具有重要的理论研究意义和工程实用价值，但是这种磁力联轴器在高速高功率的工况下存在功率损耗，损耗转化为热量使得联轴器的温度升高，影响永磁体的性能，从而降低联轴器的传动性能。本文以电磁场理论和温度场理论为指导对调磁式异步磁力联轴器的电磁特性和温升进行了系统研究。主要研究内容及结论如下:
　　 (1)首先利用解析法对气隙磁场的调制原理进行分析，得到了气隙调制磁场的磁极对数，内外转子及调制磁场的相对转速关系，然后对调磁装置的结构进行了设计，并利用有限元软件对不同结构的调磁装置进行了应力分析。研究表明:通过对气隙磁场的调制可以实现内外转子转速的变换;工字型调磁装置可以更好地减小因径向磁力而引起的偏移，提高了调磁极片的磁场调制作用。
　　 (2)在对气隙磁场调制原理分析的基础上，利用有限元软件进行二维瞬态磁场模拟分析，得到内外气隙磁场中径向磁通密度的数值大小和分布规律，并对内外气隙的径向磁通密度进行了谐波分析，验证了磁场调制原理的正确性。最后对影响气隙磁场的结构参数进行了定量分析，研究表明:调磁极片宽度比例为0.4时，内气隙中的径向磁通密度达到最大;永磁体厚度为12mm时，内气隙中的径向磁通密度最大，永磁体的利用率最高;槽数为28时，内气隙中的径向磁通密度达到最大;槽宽为10mm时，内气隙中的径向磁通密度达到最大;槽深为6mm时，内气隙中的径向磁通密度最大。
　　 (3)利用电动势的星形相量图分析了内转子和调磁极片上感应电流的分布，然后利用分层理论分别建立内转子和调磁极片的感应电势的模型，求解得到感应电动势的表达式，继而得到感应电流的表达式。在理论分析的基础上，利用有限元软件模拟分析了磁力联轴器的感应电流分布、集肤效应、转矩特性以及损耗情况，并探讨了不同工作负载对联轴器电磁特性的影响。研究表明:电流感生的磁极对数由气隙磁场的磁极对数决定，与导条和调磁极片数量没有直接的关系;随着工作负载的增加，电流密度和损耗都逐渐增加，转矩呈现先增大后减小的趋势。
　　 (4)在损耗分析的基础上，利用ANSYS有限元软件进行三维稳态温升分析，得到了磁力联轴器整体及各部件的温度分布，并利用场分析法将温度场沿着定义的路径进行映射，得到不同路径上的温度分布规律。研究表明:永磁体的最高温度小于其退磁温度，磁力联轴器可以在该温度下正常工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 磁力联轴器的国内外发展现状

1．2．1 国外研究概况

1．2．2 国内研究概况

1．3 同轴式异步磁力联轴器的应用分类

1．3．1 同轴式异步磁力联轴器的概述

1．3．2 同轴式异步磁力联轴器的类型

1．4 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 磁场调制原理分析及调磁装置的结构设计

2．1 调磁极片的磁场调制原理分析

2．1．1 调制磁场解析法分析

2．1．2 调制磁场基本参数的确定

2．2 调磁装置的结构设计

2．2．1 调磁装置的结构形式

2．2．2 调磁装置的新型结构

2．3 调磁装置的应力分析

2．4 本章小结

第三章 调磁式异步磁力联轴器磁场有限元分析

3．1 电磁场计算方程

3．2 基本假设

3．3 有限元求解步骤

3．4 模拟结果分析

3．5 不同结构参数对气隙磁场的影响

3．5．1 调磁装置的结构参数

3．5．2 气隙的结构参数

3．5．3 永磁体的结构参数

3．5．4 内转子的结构参数

3．6 本章小结

第四章 调磁式异步磁力联轴器电流特性、转矩及损耗分析

4．1 调磁式异步磁力联轴器感应电流分析

4．1．1 内转子感应电流分布

4．1．2 内转子感应电流计算

4．1．3 调磁极片感应电流分布

4．1．4 调磁极片感应电流计算

4．2 转矩分析

4．2．1 齿槽转矩

4．2．2 电磁转矩

4．3 损耗分析

4．3．1 导条的铜损耗

4．3．2 调磁极片涡流损耗

4．4 电磁特性的有限元分析

4．4．1 有限元分析步骤

4．4．2 感应电流有限元分析

4．4．3 转矩及损耗的有限元分析

4．4．4 工作负载对电磁特性的影响

4．5 本章小结

第五章 调磁式异步磁力联轴器三维温度场分析

5．1 热交换的基本理论

5．1．1 热传递的基本方式

5．1．2 导热微分方程

5．1．3 边界条件

5．2 调磁式异步磁力联轴器三维稳态温度场理论分析

5．2．1 基本方程

5．2．2 热源的确定

5．2．3 导热系数的确定

5．2．4 散热系数的确定

5．3 三维稳态温度场有限元模拟分析

5．3．1 基本假设

5．3．2 温升计算结果分析

5．4 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