一设计与分析◆ｓｈｅｊｉ ｙｕ Ｆｅｎｘ 双铜套磁力联轴器特性分析 姜浩万宗伟王雪张俊陈智元 （大连交通大学，辽宁大连１ １６０２８） 摘要：对双铜套磁力联轴器的工作原理和结构特性进行了分析，从理论层面阐述了该类型联轴器的启动特性及转矩特性。通过公 式推算讨论双边结构联轴器相对于单边结构联轴器存在优势的原因，论证了该类型联轴器的可行性。 关键词：双铜套磁力联轴器；结构；工作原理；优势 Ｏ 引言 磁力传动装置，即磁力联轴器或磁力耦合器，其工作性能 包括两个方面：传动特性及调速特性。相较于传统的传动装 置，磁力联轴器采用了突破传统传动机制的非接触式传动，这 一新型技术能够极大地减小传动过程中的振动，变刚性连接 为一种能抵消冲击和噪声的柔性连接；同时，相较于变频器和 液力耦合器的调速性能，磁力联轴器也有着明显的优势，主要 体现为磁力联轴器系统运行中的稳定性和可靠性，不受电磁 谐波、传动介质等外界因素影响，且由于其本身的传动方式和 物理特性，相较于变频器和液力耦合器在后期维护费用和使 用寿命上也有极大优势。综合上述特点，本文对一种双铜套调 速磁力联轴器进行了介绍。 １ 联轴器结构及原理简介 双铜套磁力联轴器主要由三部分组成：外层铜套、永磁转 子、内层铜套。外层铜套与内层铜套为固定连接，具有相同的 运转特性，以下简称为铜转子，内外层铜转子与永磁体转子间 为空气气隙，铜转子及永磁转子可分别同联轴器的动力驱动 端和负载端相连运转。 运行时，永磁转子与动力轴端相连，铜转子与外部负载端 相连，永磁转子在动力轴带动下旋转，与铜转子间产生转差， 此时铜转子切割永磁转子产生磁场，从而在内部形成涡流环 产生感生电流，使得铜转子受到洛伦兹力作用进而产生电磁 转矩而跟随永磁转子做同方向的旋转运动，带动负载端运转， 实现转矩从永磁转子向铜转子传递的过程。 该结构磁力联轴器的调速实现方式主要为改变永磁转子 和铜转子的轴向重合长度，即铜转子与磁场的接触面积，从而 改变通过其内部的磁通量，使得铜转子转速变化，实现转速和 负载的调节。 ２理论特性计算 设动力输入轴、输出轴分别以角速度速∞。、∞：旋转，且两者 间存在转差。根据牛顿第三定律，永磁转子所受反作用力应与 负载端相等。设磁场在轴向距离上连续恒定分布，电机恒定状 态下的输出转矩 、主从转子间传递的电磁转矩 以及负载转 矩 应相等，如式（１）所示；而铜转子上由于涡流而产生的功率 损耗 与电磁转矩及主从转子间转差Ａｎ的关系如式（２）所示。 ＝Ｚ （１） ‘２ｗ‘ （２） 该磁力联轴器可以通过调节主从转子间的轴向重合距离 实现电机空载或低负载启动。电机启动阶段，调节调速机构使 １５２ 得永磁转子和铜转子完全脱离，此时永磁转子产生的磁场直 接经由空气自身闭合，铜转子不切割永磁体产生的磁场从而 并不会实现转矩传递，即电机空载启动；当电机转速稳定后， 调节调速机构，使得永磁转子和铜转子的轴向重合长度增加， 逐渐增大传递的转矩，当传递的转矩大于负载时，与负载端相 连的铜转子开始旋转且转速逐渐加快，直到动力端输出转矩 与负载端承载负载转矩平衡，铜转子与永磁转子间轴向重合 长度固定，实现电机的稳定带负载运行。 ３联轴器优势 该磁力联轴器中的永磁转子所选用永磁材料为钕铁硼 （Ｎ￣ｅ３５），外层与内层铜转子所用材料为铜（Ｃｕ），永磁转子与 内外铜转子间为空气气隙。 双边结构性能优于单边结构的一个重要原因就是内外两 层铜转子的结构形式可有效减小联轴器铜转子的电流密度和 漏磁，即减小由于涡流引起的发热损耗，提升联轴器的传动效 率。具体推算过程如下： 铜套中涡流在其径向上电流密度分布并不均匀，通常情 况下电流密度会随径向长度的增加以指数规律衰减，为了便 于计算，我们假设在同一径向长度上涡流值的大小相同并按 照正弦规律变化，从而铜套上的涡流电流密度满足如下规律： 寺 户ｌＪ ＣＯＳ（Ⅳ ）ｅ （３） 式中，ｚ为铜转子到永磁转子的径向距离（ｍ）； 为铜套同一径 向距离电流密度幅值（Ａ／ｍ２）。 根据欧姆定律的微分形式可得出电流密度与电场强度问 的关系为： 户 （４） 根据楞次定律，同一径向长度上铜套内部电场强度为： ×Ｖ （５） 将其代入式（４）得到铜套同一径向长度上的电流密度幅 值为： Ｌ］＝ 曰 （６） 二 式中， 为铜套该径向距离下与永磁转子间的相对线速度 （ｍ／ｓ）。 值为： ＝Ⅳ ｓｒ （７） 将式（６）、（７）代入式（３）得到同一径向长度下铜套的涡流 电流密度有效值为： ．三一 ：——— ＿二 ８８Ⅳ ， Ａ＾ （８） Ｓｈｅｊｉ ｙｕ Ｆｅｎｘｉ◆设计与分析一 则电流有效值为： ．，１ Ｊｌｄ・ｎｄＳ （９） 流增大值小于因铜转子切割磁场有效长度减小导致的涡流减 小值时，总体呈现出铜转子内部涡流减小、发热损耗降低，最 终表现为联轴器总的对外损耗下降。 因双边结构磁力联轴器的永磁转子双侧均有铜转子存 在，故其电流密度分布满足： ．，ｌ — ｏ＇ＢｇＹｖｏ￣ｒｅ ， ４、／２ 三二 ．５结语 ｚ≤ 本文通过对于双铜套磁力联轴器的结构及原理特性进行 （１Ｏ） 分析，得出该类型磁力联轴器的结构优势，并对该类型联轴器 进行分析计算，得出双边结构联轴器相对于单边结构的优势 所在；根据分析结果，得出在运行条件改变的情况下联轴器传 递转矩大小的变化趋势。对于双铜套磁力联轴器的结构原理、 １ ：——— ＝口Ｂ Ｄ ｅ ． ４、／２ ≥皂 式中，ｚ 为永磁转子径向长度（ｎｕｎ），永磁转子径向长度中心处 为坐标零点。 特性优势、运行性能等进行介绍，从理论层面验证了该结构磁 由此可知，双边结构一个很大的优势在于铜套上的电流 力联轴器的合理性和可行性。 密度随着与永磁转子径向距离的变化而下降的趋势并不像单 边结构那样集中和明显，这就直接导致了主从转子大转差运 ［参考文献］ 转下的电流趋肤效应大大下降。双边结构电流涡流的趋肤深 ［１］雷震霖，谢琪，张世伟，等．用于超高真空的磁力耦合传动元 度大约是单边结构的两倍，这将极大地减小由于电流趋肤效 件工作特性的研究［Ｊ］．真空，１９９８（５）：１８—２１． 应而导致的发热损耗。 ［２］王德喜，张世伟．超高真空磁力耦合元件结构参数的计算研 ４联轴器调速特性分析 究［Ｊ］．真空，２０００（３）：１８—２１． ［３］杨超君，蒋生发．耐高温实心转子永磁感应电涡流式磁力传 随着轴向位移长度增加，联轴器主从转子轴向重合长度 动装置：２００６２００７８０７８．６［Ｐ］．２００６－０９－２９． 会逐渐下降，导致铜转子切割磁场的有效长度减小，其内部感 ［４］杨超君，管春松，芦玉根．一种可调式轴向异步磁力联轴器： 生电流随之减小，所受洛伦兹力减小，联轴器输出转矩减小。 ２０１ｉ１０２１９０５４．３［Ｐ］．２０１卜０８—０２． 在转差上升到联轴器损耗峰值之前，随主从转子转差上 ［５］杨超君，周日华，蒋毅一．一种高性能异步盘式磁力耦合器： 升，铜转子对于永磁转子的相对运动速度逐渐上升，铜转子内 ２０１２１０４３４１６６．５［Ｐ］．２０１２－１卜０５． 部产生的涡流增大，则由于涡流引起的铜转子发热损耗上升， ［６］张宏刚．永磁磁力耦合器损耗的计算与分析［Ｄ］．长春：吉林 表现为联轴器的整体损耗值上升。当联轴器损耗达到峰值之 大学，２００８． 后，随着主从转子转差的继续上升，联轴器的轴向位移继续增 大，即主从转子在轴向距离上的重合长度继续减小，铜转子切 收稿日期：２０１７—０７一ｌ３ 割磁场的有效长度逐渐下降，铜转子内部切割磁场产生的感 作者简介：姜浩（１９９３一），男，吉林白山人，硕士研究生，研究 应电流不断减小，当因联轴器内外转子间转差上升导致的涡 方向：机电传动与控制。 （上接第１５１页） ３ 关节式刚柔过渡始触区的高差分析 滑过渡，安全可靠，无打弓、钻弓等故障发生，关节式刚柔过渡 ３．１ 关节式刚柔过渡柔性网到刚性网始触区的高差分析 柔性网到刚性网始触点处保证２０￣５０ ｌｒｌ／ｎ的高差为宜，而刚性 现场对刚柔过渡柔性网到刚性网的始触点高差进行三次 网到柔性网始触点处保证０～１０ Ｉｎｍ的高差为宜。 调整观察，调整高差分别为２０ ｍｎ＇ｌ、５０ ｌｎｒｎ、６０ ｉｎｒｎ，其中高差为 ６０ ｒｌｌｌｌｌ时出现了打火现象，而高差为２０ ｒｆｌｎｌ、５０ ｍｉｌｌ时，均未 ［参考文献］ 出现固定拉弧点且运行状态良好。通过现场观察测量，验证了 ［１］人力资源和社会保障部教材办公室，广州市地下铁道总公 动态检测柔性网过渡到刚性网接触线抬升曲线的准确性，最 司．接触网检修工［Ｍ］．北京：中国劳动社会保障出版社，２０１０． 终得出关节式刚柔过渡柔性网到刚性网始触点处保证２０～ ［２］广州市地下铁道总公司运营事业总部接触网专业组．广州地 铁刚性接触网检修规程［ｚ］，２０１３． ５０ ｍｍ的高差为宜。 ３．２ 关节式刚柔过渡刚性网到柔性网始触区的高差分析 ［３］赵海军．刚柔过渡方式的研究［Ｊ］．电气化铁道，２００８（１）： ２５—２７． 现场对刚柔过渡刚性网到柔性网的始触点高差进行三次 ［４］李金华．架空刚性悬挂的技术分析［Ｊ］．城市轨道交通研究， 调整观察，调整高差分别为０ｎｌｉ／１、１０ＩＴｌｎｌ、２０ ｎｌｌＴｌ，发现高差为 ２０００（３）：３３－３７． ２０ ｍｎｌ时出现了拉弧现象，高差为ｌ０ ｍｉｌｌ出现轻微打火现象， 而高差为０ ｒｌＬＩＴＩ时，未出现固定拉弧点且运行状态良好。通过现 场观察测量，验证了动态检测刚性网过渡到柔性网接触线抬 升曲线的准确性，最终得出关节式刚柔过渡刚性网到柔性网 始触点处保证０～１０ ｉｎｌｎ的高差为宜。 ’ 收稿日期：２０１７—０６—２８ ４总结与建议 作者简介：李丁丁（１９９Ｏ一），男，河北保定人，城市轨道交通 根据前文的分析验证，为了保证刚柔过渡处受电弓能平 供电助理工程师，主要从事广州地铁一号线接触网技术管理工作。 机电信息２０１７年第２４期总第５２２期１５３
