張 萌， 趙海森， 劉曉芳， 姚 鵬， 周慶根

(1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063；3. 天津永磁節(jié)能科技有限公司，天津 300222)

0 引 言

變頻調(diào)速技術(shù)因其運行效率高、調(diào)節(jié)便捷等優(yōu)點成為廣泛采用的調(diào)速方式，但其運行中會產(chǎn)生大量高次諧波，對電網(wǎng)造成污染，并具有運行故障率高、維修費用高等缺點。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了一種新型調(diào)速技術(shù)——永磁磁力耦合器調(diào)速，其利用渦流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與永磁磁場的相互作用調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速，具有柔性起動、結(jié)構(gòu)簡單、無諧波污染等優(yōu)點，已成為風(fēng)機、泵類負(fù)載的優(yōu)選節(jié)能調(diào)速設(shè)備[1]。永磁磁力耦合器根據(jù)結(jié)構(gòu)通常可分為橫向磁通式和徑向磁通式兩種[2]。

已有大量文獻在永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行性能方面開展了相關(guān)研究。例如，文獻[3]利用釤鈷永磁體設(shè)計永磁齒輪，最大傳遞力矩為5.5N·m。文獻[4]對一臺磁力耦合器進行了靜態(tài)磁場分析，得出導(dǎo)體環(huán)中磁通沿徑向及軸向的分布情況，并對渦流進行了參數(shù)化分析。文獻[5]對一臺可調(diào)速異步盤式磁力聯(lián)軸器進行了三維磁場數(shù)值計算，得出靜態(tài)和瞬態(tài)下的氣隙磁場分布，并研究了氣隙長度、永磁體厚度等關(guān)鍵參數(shù)對力矩的影響。文獻[6]對圓盤形永磁耦合器的關(guān)鍵系數(shù)進行有限元分析，并研究了樣機的調(diào)速性能和軸向吸引力趨勢。文獻[7-8]采用2-D和3-D時步有限元法相結(jié)合的方法分析了永磁磁力耦合器的渦流損耗，提出了一種可減少渦流損耗的新結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

上述文獻大多針對橫向磁通式永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能仿真分析開展研究。受結(jié)構(gòu)影響，徑向式和橫向式兩種耦合器之間存在較大差別，而對于徑向磁通式永磁磁力耦合器的調(diào)速性能、自身損耗及傳動效率等方面研究內(nèi)容涉及較少。針對該問題，本文以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例，設(shè)計搭建了能效測試試驗平臺，對其調(diào)速特性、自身損耗特性及效率特性進行了系統(tǒng)試驗研究，所得結(jié)論為下一步永磁磁力耦合器性能改善提供了參考。

1 徑向磁通式永磁磁力耦合器工作原理

徑向磁通式永磁磁力耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由可完全分離的主、從動轉(zhuǎn)子組成，兩個轉(zhuǎn)子之間沒有機械連接。主動轉(zhuǎn)子包含銅層導(dǎo)體，從動轉(zhuǎn)子由徑向充磁的永磁體組成。工作時，由原動機帶動主動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，主、從動轉(zhuǎn)子間發(fā)生相對運動，導(dǎo)體銅盤切割永磁體磁力線，在銅盤內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流感生附加磁場，與永磁磁場相互作用，帶動從動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)力矩傳輸。對于徑向磁通式永磁磁力耦合器，可通過改變主、從動轉(zhuǎn)子之間的軸向耦合程度實現(xiàn)調(diào)速。

圖1 徑向磁通式永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)

2 永磁磁力耦合器能效測試試驗方案設(shè)計

以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例，設(shè)計能效測試試驗方案。以風(fēng)機為負(fù)載，對其進行調(diào)速，測量在不同轉(zhuǎn)速下徑向磁通式永磁磁力耦合器的調(diào)速性能與能效特性。可通過旋轉(zhuǎn)操作桿來調(diào)節(jié)樣機主、從動轉(zhuǎn)子間的耦合程度。能效測試試驗方案示意圖如圖2所示。永磁磁力耦合器的主動轉(zhuǎn)子與原動機同軸旋轉(zhuǎn)，在從動側(cè)與風(fēng)機負(fù)載之間加裝轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器，可測得永磁磁力耦合器的輸出轉(zhuǎn)速及傳遞轉(zhuǎn)矩的大小。

圖2 能效測試試驗方案示意圖

依據(jù)試驗方案所搭建的能效測試試驗平臺如圖3所示。試驗采用1.1kW單相電機作為原動機，其額定轉(zhuǎn)速為2900r/min。由單相調(diào)壓器為電機供電，保證試驗過程中電機始終運行在額定電壓220V。在電機輸入側(cè)連接功率分析儀，實時測量輸入試驗系統(tǒng)的有功功率和電壓。在永磁磁力耦合器主動轉(zhuǎn)子外圍設(shè)置鍵相，通過手持式閃光測速儀測量輸入轉(zhuǎn)速。從動轉(zhuǎn)子與ZH07型轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器相連，該扭矩儀準(zhǔn)確度等級02級，轉(zhuǎn)矩量程20N·m，可實時測量永磁磁力耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速。多翼離心式通風(fēng)機作為負(fù)載，該負(fù)載的軸功率P∝n3。

圖3 能效測試試驗平臺

在試驗中可得到下述所需電氣量： 由功率分析儀測得的試驗系統(tǒng)的輸入有功功率Pin(即異步電機的輸入有功功率)、由手持式閃光測速儀測得的磁力耦合器的輸入轉(zhuǎn)速n1、由扭矩儀所測得的傳遞轉(zhuǎn)矩T及輸出轉(zhuǎn)速n2。為保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，需在相同條件下重復(fù)進行若干次，當(dāng)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)具有較高重復(fù)度時，認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)及處理方法

由永磁磁力耦合器的主動側(cè)轉(zhuǎn)速n1和從動側(cè)轉(zhuǎn)速n2可得永磁磁力耦合器的轉(zhuǎn)差率sc為

sc=(n1-n2)/n1

(1)

永磁磁力耦合器為恒轉(zhuǎn)矩傳輸設(shè)備[9-10]，運行過程中主、從動轉(zhuǎn)子間的傳遞轉(zhuǎn)矩為T。由傳遞轉(zhuǎn)矩T及從動側(cè)轉(zhuǎn)速n2，計算可得其輸出功率P2，即驅(qū)動負(fù)載風(fēng)機功率為

(2)

式中：Ω2——永磁磁力耦合器的輸出角速度。

同理，可得到永磁磁力耦合器的輸入功率，即電機輸出功率P1。

P1=TΩ1

(3)

由式(2)和式(3)可得

(4)

永磁磁力耦合器自身損耗pc及系統(tǒng)運行效率η為

pc=P1-P2

(5)

(6)

根據(jù)上述方法，對實測得到的數(shù)據(jù)進行處理，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

3.2 永磁磁力耦合器調(diào)速性能

永磁磁力耦合器的調(diào)速特性曲線如圖4所示。隨著耦合程度增加，原動機轉(zhuǎn)速n1逐漸降低，但降幅較小，永磁磁力耦合器輸出轉(zhuǎn)速n2則迅速增大至最大值，后趨于平穩(wěn)，如圖4(a)所示。永磁磁力耦合器主、從動轉(zhuǎn)子間始終存在轉(zhuǎn)速差，耦合器需依賴此轉(zhuǎn)差產(chǎn)生渦流進而傳遞轉(zhuǎn)矩。隨著耦合程度的變化，傳遞轉(zhuǎn)矩T快速響應(yīng)，如圖4(b)所示。

由于風(fēng)機負(fù)載的特殊性，存在最佳調(diào)速范圍，即其最低轉(zhuǎn)速不小于調(diào)速設(shè)備輸入轉(zhuǎn)速的60%。通常風(fēng)機負(fù)載只在其額定轉(zhuǎn)速的70%～95%范圍內(nèi)進行調(diào)速。因為低轉(zhuǎn)速時，風(fēng)機本身的運行效率很低，運行不經(jīng)濟；而在輸出轉(zhuǎn)速過高時，調(diào)速效果不明顯[11]。由圖4可知，在永磁磁力耦合器輸出轉(zhuǎn)速處于輸入轉(zhuǎn)速的70%～95%范圍內(nèi)，即輸出轉(zhuǎn)速n2為2000～2450r/min時，永磁磁力耦合器耦合程度為8～18mm，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差率及轉(zhuǎn)矩在該過程中變化明顯，體現(xiàn)了良好的調(diào)速性能。

圖4 永磁磁力耦合器的調(diào)速特性曲線

當(dāng)耦合程度超出上述調(diào)速范圍時，耦合程度的變化對于永磁磁力耦合器調(diào)速性能的影響甚微。這是受輸入功率P1的限制所致。輸入、輸出功率變化曲線如圖5所示。由圖可知，當(dāng)耦合程度超過18mm時，若想增大永磁磁力耦合器輸出功率P2，只能通過增大輸入功率P1，即增加異步電機輸出功率來實現(xiàn)。在此區(qū)間內(nèi)，永磁磁力耦合器作為一種無機械連接的聯(lián)軸器，可承受一定程度的軸振并高效傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖5 輸入、輸出功率變化曲線

圖6 永磁磁力耦合器損耗特性曲線

3.3 永磁磁力耦合器損耗特性

永磁磁力耦合器損耗特性曲線如圖6所示。由圖可知，其自身損耗隨耦合程度增加呈先增大后減小的趨勢。運行時其損耗主要包括渦流損耗和摩擦損耗，試驗中摩擦損耗很小，可忽略不計。渦流損耗的大小與銅盤內(nèi)感應(yīng)磁場的幅值和頻率相關(guān)[12]，即其大小受永磁磁力耦合器主、從動轉(zhuǎn)子間的耦合程度和轉(zhuǎn)差率兩個因素共同影響。

當(dāng)耦合距離小于12mm時，增加耦合程度，主、從動轉(zhuǎn)子間的有效作用面積增大，使得由耦合程度變化而引起的渦流損耗增加；超過12mm后，永磁磁力耦合器的調(diào)速性能達到最大，磁化曲線已飽和，繼續(xù)改變耦合程度不再影響渦流損耗，故在此過程中，由耦合程度變化而引起的渦流損耗保持不變。另一方面，在試驗中轉(zhuǎn)差率sc隨著耦合程度增大而減小，感應(yīng)磁場頻率隨之減小，導(dǎo)致渦流損耗近似線性減小[13]。受上述兩個因素共同影響，磁力耦合器自身損耗最終呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

考慮到永磁磁力耦合器最佳調(diào)速范圍為耦合距離8～18mm，超出此范圍時耦合器不適用于調(diào)速，而是作為高效傳動聯(lián)軸器繼續(xù)運行。結(jié)合在不同區(qū)間內(nèi)永磁磁力耦合器運行情況分析其自身損耗特性，可得如下結(jié)論。

(1) 在最佳調(diào)速范圍內(nèi)，永磁磁力耦合器的自身損耗隨著耦合程度增加而顯著降低。耦合距離為8mm時，輸出轉(zhuǎn)速n2已高于2000r/min，自身損耗為此范圍內(nèi)的最大值150W；在最佳調(diào)速范圍內(nèi)的最小損耗約為30W。這說明在永磁磁力耦合器表現(xiàn)較好的調(diào)速性能時，其自身損耗也較小。

(2) 耦合程度12mm處為耦合器自身損耗變化的拐點。當(dāng)耦合程度在8～12mm范圍內(nèi)時，隨著耦合程度的增大，其自身損耗迅速降低，斜率很大，說明在這個調(diào)速范圍內(nèi)，永磁磁力耦合器呈現(xiàn)出調(diào)速響應(yīng)速度快且平滑的優(yōu)點。當(dāng)耦合程度高于12mm時，隨著耦合程度的增大，其自身損耗依然相應(yīng)減小，但減小的速度開始減慢，斜率變小，即永磁磁力耦合器呈現(xiàn)低損耗、高效率運行的特點。

(3) 當(dāng)耦合程度高于18mm時，永磁磁力耦合器的輸出功率P2及輸出轉(zhuǎn)速n2均受到輸入功率P1的制約，耦合程度與轉(zhuǎn)差率的變化都不再是其自身損耗的影響因素。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 2500r/min 時，耦合器的自身損耗最終會維持在約11W不變。即在此范圍內(nèi)，永磁磁力耦合器可低損耗穩(wěn)定運行，表現(xiàn)出高效傳動特性。

3.4 永磁磁力耦合器傳動效率

永磁磁力耦合器運行效率曲線如圖7所示。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其運行效率較低，調(diào)速性能差，運行不經(jīng)濟。在永磁磁力耦合器的最佳調(diào)速范圍內(nèi)，即耦合程度為8～16mm時，其運行效率單調(diào)遞增，呈近似線性關(guān)系，最低效率為75%，最高效率可達95%。說明在此范圍內(nèi)，永磁磁力耦合器可平滑而快速地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并能夠保證較高的運行效率，自身損耗較小。隨著耦合程度增加，運行效率單調(diào)遞增，當(dāng)耦合程度高于16mm時，永磁磁力耦合器的效率始終維持在約98%，表現(xiàn)了其在高轉(zhuǎn)速下高效傳遞的優(yōu)點。

圖7 運行效率曲線

4 結(jié) 語

本文以一臺徑向磁通式永磁磁力耦合器為例，對其調(diào)速性能、自身損耗特性及運行效率特性進行了系統(tǒng)試驗研究。

永磁磁力耦合器在調(diào)速范圍內(nèi)表現(xiàn)出了良好的綜合性能，超出此范圍時，表現(xiàn)出優(yōu)異的高效傳動性能。試驗所得結(jié)論為進一步研究永磁磁力耦合器的性能改善提供了參考。

【參考文獻】

[1] 褚文強，辜承林.新型橫向磁通永磁電機磁場研究

[J].中國電機工程學(xué)報，2007,27(24)： 58- 62.

[2] JIAN L N, CHAU K T, YU G. Comparison of coaxial magnetic gears with different topologies [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(10): 4526- 4529.

[3] TSURUMOTO K, KIKUCHI S. A new magnetic gear using permanent magnet[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1987, 23(5): 3622-3624.

[4] 王曉遠(yuǎn)，李娟，齊利曉．永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)渦流損耗密度的計算[J]．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29(1)： 48-51.

[5] ZHANG Y Q, LU K Y, YE Y Y. Permanent magnet eddy current loss analysis of a novel motor integr-ated permanent magnet Gear[J]. IEEE Transactions On Magnetics, 2012, 48(11): 3005-3008.

[6] 孫曉光，王鳳翔，徐云龍,等.高速永磁電機鐵耗分析和計算[J].電機與控制學(xué)報,2010,14(9): 26-30.

[7] OKITSU T, MATSUHASHI D, MURAMATSU K. Method for evaluating the eddy current loss of a permanent magnet in a PM motor driven by an inverter power supply Using Coupled 2-D and 3-D Finite Element Analyses[J]. IEEE Transactions On Magnetics, 2009, 45(10): 4574- 4577.

[8] NIU S X, CHEN N N, HO S L, et al. Design optimization of magnetic gears using mesh adjus-table Finite Element Algorithm for Improved Torque[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, 48(11): 4156- 4159.

[9] 楊超君，鄭武，李志寶.可調(diào)速異步盤式磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算及其影響因素分析[J].電機與控制學(xué)報，2012，16(1)： 85-91.

[10] 趙清，邵龍，于靜澤,等.變速磁力耦合器研究[J]. 電氣應(yīng)用，2013,32(4): 82-87.

[11] 姚永亮，黃華.風(fēng)機調(diào)速技術(shù)的選擇分析及節(jié)能應(yīng)用[J].風(fēng)機技術(shù)，2007(5): 53-55.

[12] NIU S X, HO S L, FU W N, et al. Eddy current reduction in high speed machines and eddy current loss analysis with multislice time-stepping finitee-lement method[J]. IEEE Transactions on Magne-tics, 2012, 48(2): 1007-1010.

[13] 徐永向，胡建輝，鄒繼斌.表貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)子渦流損耗解析計算[J].電機與控制學(xué)報，2009,13(1): 63-67.