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摘要：礦用永磁耦合器的銅導體盤結構通常是無槽的，從無槽導體盤中徑向路徑的渦電流對轉矩傳遞起主導作用的事實出發，文章提出一種將導體盤開槽、開槽處填充軛鐵的新型耦合器結構，旨在進一步提高傳動性能。在原有40kW永磁耦合器的結構基礎上，將導體盤結構做開槽處理，通過AnsoftMaxwell建模并仿真，發現軛鐵位置的磁感應強度明顯增大，氣隙之間的磁場得到了加強。進一步針對不同的開槽角度、開槽數量、槽長度來得到相應條件下的磁通密度、渦流分布、渦流損耗密度圖，得出槽尺寸大小與傳遞轉矩的關系，最終得出導體盤開槽、并在開槽處填充軛鐵的結構比無槽導體盤結構獲得的傳遞轉矩較大。

關鍵詞：開槽導體盤；電磁場分析；槽尺寸；機械特性

礦用永磁耦合器，以永磁體產生的磁場為基礎，通過導體和永磁體之間或者是兩對永磁體之間的相互作用，實現無接觸聯接的相對運動，從而完成了主、從動件間力及轉矩的傳遞［1］。在傳動系統的可靠性、長期運轉的穩定性、節能環保、經濟性等各方面都有著良好的優越性，更加適合煤礦井下的惡劣生產環境，銅盤是渦流產生的主要場所，因而銅盤結構的變化也是影響永磁耦合器傳動性能的重要因素。目前，國內外關于永磁耦合器的研究很多，但是對導體盤結構的研究非常少，也沒有對槽的結構尺寸：如開槽角度大小、槽數、槽長度做進一步的研究［2］。因此，對開槽導體盤式結構的礦用永磁耦合器的研究具有重要的理論和實際工程意義。

1永磁耦合器的工作原理

主動盤與從動盤是永磁耦合器結構中最為重要的組成原件，工作時這兩個盤子并不需要直接接觸。它可以利用磁場穿過磁路工作氣隙進行運動和動力傳遞，并可以通過主、從動體之間氣隙的調整控制傳遞轉矩和負載速度［3－5］。工作時，電動機連接主動盤（銅盤），從動盤（永磁體盤）與負載軸相連接。啟動電機后，主動盤隨電機而運動，與從動盤存在一個轉差，銅盤便切割永磁體而在主動盤上產生渦流，進而帶動從動盤運動，主動盤處在不斷交替變化的磁場中，轉差越來越小，最后保持一個穩定的值，根據楞次定律，主動盤上產生的渦流也會產生新的感應磁場，與磁盤上嵌套著的永磁體產生的磁場相互作用，不斷使得磁盤沿著與主動盤相同的方向運動，進而帶動負載轉動。

2開槽導體盤結構的提出

通常情況下，永磁耦合器的主動盤多選擇電導率較高的銅盤，本文選擇將銅盤開槽，并在開槽位置加相應的軛鐵與槽結構相嵌套的方法，對銅盤結構加以設計，從動盤（磁盤）也是由開槽鋁盤及鑲嵌在槽中的永磁體塊組成，該耦合器的全部磁路由永磁體作為磁源。

3永磁耦合器的電磁場分析

目前應用非常廣泛的有限元分析軟件是ANSYS，其功能特別強大，在電、磁、熱、結構、流體及聲學方面都有巨大的應用價值，適用于各個物理場［9－11］。其中AnsoftMaxwell模塊，是對模型進行電磁場分析的重要軟件。3􀆰1未開槽銅盤結構在AnsoftMaxwell中對未開槽銅盤電磁性能展開研究，得到未開槽銅盤結構下的磁通密度、渦流密度。對比開槽銅盤結構下相應參數的變化，得出槽結構對傳遞轉矩的影響。開槽銅盤結構下的磁通密度、渦流密度、渦流損耗密度。3􀆰2開槽銅盤結構對比開槽與否參數下的磁場性質，可以發現：銅盤上位于各磁極兩端的投影位置所形成的渦流密度最強，渦電流的中心位置在相鄰的兩個永磁體塊磁極的中部，主動盤上的渦電流既可以沿自身軸線旋轉形成回路，也可以和銅盤結構整體一起隨主動軸轉動；未開槽銅盤結構渦電流密度最大為4􀆰21×107A／m2，開槽銅盤結構渦電流密度最大為6􀆰84×107A／m2，對比發現，開槽加軛鐵的結構可獲得較大的渦流密度。

4槽參數變化對轉矩影響的結果分析

在AnsoftMaxwell中分別取不同的開槽長度、槽數和開槽角度，研究對輸出轉矩的影響。以轉差200r／min，氣隙4mm，槽數20為例。4􀆰1開槽角度大小對傳遞轉矩的影響取不同的開槽長度、槽數和開槽角度，研究對輸出轉矩的影響。取開槽角度分別為0°～9°，每隔1°取一個值，得到開槽角度與傳遞轉矩的關系如圖5所示。從圖5中，可以發現轉矩值與開槽角度相關，單個開槽角度在1°～2°之間可以得到最大值，但具體取多少還需要進一步研究，因此每隔0􀆰1°變化一次，得到開槽角度在1􀆰1°～1􀆰9°時相應轉矩值的變化情況。4􀆰2開槽個數對傳遞轉矩的影響保持總的開槽角度28°不變，改變所開槽的個數，從而得到最佳的槽數（必須為整數），因此取了四組數據。＝5􀆰6°。4􀆰3槽長度對傳遞轉矩的影響仍保持總開槽角度28°不變，取5個槽，單個開槽角度5􀆰6°，改變所開槽的長度，首先取值依次為80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、105mm、110mm，發現在85mm和100mm附近可能有最值，因此新增了83mm、87mm、103mm三個數值便于比較，最終得到槽長度與傳遞轉矩的關系。

5結論

本文基于電磁學、機械設計理論、材料技術、磁力驅動技術等基礎理論知識，同時結合國內外最新研究成果，并參照煤礦井下安全生產標準，及傳動系統工況要求，在原有40KW礦用永磁耦合器基礎上，提出一種將導體盤開槽、開槽處填充軛鐵的新型耦合器結構，對這種新型結構的礦用永磁耦合器的解析模型、電磁場和機械特性展開系統深入的研究工作，得出如下結論：1）在銅盤開槽處填充軛鐵結構時，會使得軛鐵所在位置的磁感應強度明顯增大，氣隙和銅質輻條間的磁場得到了加強，開槽后的渦電流較多地集中在徑向路徑流動，中心區域的渦電流進一步減小，傳遞轉矩得到提高。2）其他條件相同時，銅盤開槽角度在0°～9°時，每改變1°得到一個轉矩變化值，隨著開槽角度的增大，傳遞的轉矩呈線性變化，在2°時得到最大轉矩；在1°～2°之間，每改變0􀆰1°得到一個轉矩值，可以發現在1􀆰4°時有最大轉矩，說明在該模型下開槽角度取1􀆰4°×20＝28°為最佳角度。3）其他條件不變，保持28°的開槽角度，改變槽數和每個槽的開槽角度，發現隨著槽數增多，轉矩反而變小；仍保持28°的開槽角度，改變所開槽的長度，可以發現隨著槽長度的改變，轉矩成線性變化，而且在85mm時，可以得到最大轉矩。本文所研究的開槽結構中，開槽處所填充的軛鐵磁導率較高，引起氣隙磁場的磁場分布發生變化，磁力線從永磁體出發，經過氣隙，大部分的磁力線由軛鐵進入外鋼盤構成閉合主磁路，使導體盤和氣隙間的磁場得到加強，有利于產生更大的轉矩。因此，開槽導體盤結構比未開槽導體盤結構對永磁耦合器的轉矩性能有較大提升，可以通過改變槽參數來得到合適的轉矩。

參考文獻：

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作者：張娜；趙遠 單位：山西天地煤機裝備有限公司