双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究.pdf

第4 5 卷第2 期 2 0 2 0 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．2 F e b ．2 0 2 0 移动阅读 王爽，郭永存，胡坤，等．双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 2 8 1 1 8 1 8 ． d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 6 7 0 W A N G S h u a n g ，G U 0Y o n g c u n ，H UK u n ，e ta 1 ．A n 出y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fv i b r a t i o na n dn o i s eo fd o u b l ed i s k m a g n e t i cc o u p l e r [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 2 8 1 1 8 1 8 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 6 7 0 双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究 王爽1 ’2 ，郭永存1 ，胡坤1 ’2 ，李德永1 ’2 1 ．安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 l ；2 ．安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要为了在双盘式磁力耦合器设计阶段分析振动噪声特性，优化双盘式磁力耦合器设计，提出 了一种利用模态叠加原理来分析其振动噪声的方法。双盘式磁力耦合器具有高转矩密度与高效率 等优势，因此逐渐发展成为煤矿机械柔性传动装置。由于双盘式磁力耦合内部的转子磁场非正弦 分布以及涡电流谐波等因素影响，双盘式磁力耦合器输出转矩中不可避免的存在波动。若根据计 算得出的双盘式磁力耦合器的电磁振动噪声特点，在设计时选取振动噪声小的参数进行优化组合， 可在实际中降低其电磁振动及噪声，有利于减少制造成本。本文结合双盘式磁力耦合器的结构特 征，提出了一种模态叠加响应法计算电磁振动噪声，建立了其电磁径向力的解析模型，并在多物理 场耦合作用下分析主要电磁径向力波在工作频率内的谐波响应，最后在额定功率为5 5k w 双盘式 磁力耦合器实验台上进行试验验证。基于麦克斯韦张量法，建立了双盘式磁力耦合器的径向电磁 力解析模型，并得出0 阶与1 0 阶电磁径向力波是产生振动噪声的最主要原因；利用多物理场耦合 分析法进行谐波响应N V H 特性分析，结果显示0 阶力波的振动加速度与形变量均大于1 0 阶力波 的振动加速度与形变量，因此双盘式磁力耦合器的电磁振动主要来源于0 阶力波；在额定功率为 5 5k w ，最高转速为15 0 0r ／m i n 的双盘式磁力耦合器实验台进行振动测试，试验结果显示 在15 0 0r ／m i n 时，试验得出的最大振动峰值及频率约为3 5m ／s 2 和49 5 0H z ，与有限元仿真结果的 误差对应为6 ．3 ％和1 ．1 ％；而当变频电机的输入转速依次增大时，振动加速度的理论值、仿真值与 试验值的曲线形态较为接近，误差较小；噪声估计值与实测值的最大误差仅为8 ．9 ％，基本验证了 本文所提出模态叠加法的正确性。 关键词双盘式磁力耦合器；振动噪声；多物理场耦合法；有限元分析 中图分类号T H l 3 3文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 2 0 8 1 1 0 8 A n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fv i b r a t i o na n dn o i s eo fd o u b l ed i s k m a g n e t i cc o u p l e r W A N GS h u a n 9 1 ’- ，G U 0Y o n g c u n l ，H UK u n l ’- ，L ID e y o n 9 1 ’2 1 ．S 缸把研k 6 0 m ￡o r yo ，胞n i 昭R 唧o w eo ，l dD 如础l e rP r 黜n ￡i o no n dc o 玎f r o f 流眈印c o n f 胁懈，J 4 凡 “踟妇m 矗y0 ，＆曲n ∞o 树死矾加嘶，H 眦i M n 2 3 2 0 0 1 ，吼i m ；2 ．c o f f 昭eo ，慨 o n i ∞Z 西酒n e e n g ，A 砒u i 踟觇Ⅳ如o ，n 出∞切，m m i m n2 3 2 0 0 1 ，吼i M A b s t r a c t I no r d e rt oa n a l y z ea n do p t i m i z et h ec h a r a c t e r i s t i e so fV i b r a t i o na n dn o i s ei nt h ep r o c e s so fd o u b l ed i s km a g n e t i cc o u p l e rd e s i g n ，t h em e t h o dt oa n a l y z et h ev i b r a t i o na n dn o i s ew i t hm o d a ls u p e I p o s i t i o ni sp I D p o s e d ．T h ed o u b l e d i s km a g n e t i cc o u p l e rh a st h ea d v a n t a g e so fh i g ht o r q u ed e n s i t ya n dh i g he m c i e n c y ，h e n c e ，i th a sg r a d u a l l yb e c o m ea 收稿日期2 0 1 8 1 2 一1 9修回日期2 0 1 9 一0 3 1 8责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 9 0 4 0 0 7 ；安徽省自然科学基金资助项目 1 9 0 8 0 8 5 Q E 2 2 7 ；中国博士后科学基金资助项目 2 0 1 9 M 6 6 2 1 3 3 作者简介王爽 1 9 9 l 一 ，女，安徽马鞍山人，讲师，博士。T e l 0 5 5 4 6 6 6 8 9 4 9 ，E m a i l 8 h u a n g w 0 9 4 1 2 6 ．c o m 通讯作者郭永存 1 9 6 5 一 ，男，安徽舒城人，教授，博士生导师。T e l 0 5 5 4 6 6 6 8 0 0 0 ，E m a i l g I l o y c l 9 6 5 1 2 6 ．c o “ 万方数据 8 1 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 l l e x i b l et r a n s m i s s i o nd e V i c ei nc o a lm i n em a c h i n e r y ．D u et ot h en o n s i n u s o i d a ld i s t r i b u t i o no ft h em t o rm a g n e t i ct i e I d a n de d d yc u r r e n th a 珊o n i c si nt h ed o u b l e d i s km a g n e t i cc o u p l i n gs y s t e m ，t h e r ea r ei n e V i t a b l en u c t u a t i o n si nt h eo u t p u t t o r q u eo ft h ed o u b l e d i s km a g n e t i cc o u p l e r ．A c c o r d i n gt ot h e s ec h a m c t e r i s t i c so ft h ec o u p l e r ，t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o n o ft h ep a m m e t e r so fl o wv i b r a t i o na n dn o i s ec a nr e d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o na n dn o i s ei np r a c t i c e ，w h i c hi s h e l p f u li nr e d u c i n gt h em a n u f a c t u r i n gc o s t ．T h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt op r e d i c ta n dc a l c u l a t et h ec h a m c t e r i s t i c so f e l e c t m m a g n e t i cv i b r a t i o na n dn o i s ea c c u r a t e l ya tt h ed e s i g ns t a g eo ft h ed o u b l e d i s km a g n e t i cc o u p l e rf o rr e d u c i n g c o s ta n di m p r 0 V i n gi t so p e r a t i o ns t a b i l i t y ．T h em o d a ls u p e r p o s i t i o nr e s p o n s em e t h o dw a sp r o p o s e dt oc a l c u l 砒ee l e c t r 0 一 m a g n e t i cV i b r a t i o nn o i s eb a s e do nt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o u b l e d i s km a g n e t i cc o u p l e ri nt h i sp 印e r ．T h e a n a l y t i c a lm o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a lf o r c ew a se s t a b l i s h e d ，a n dt h eh a 瑚o n i cr e s p o n s eo ft h em a i ne l e c t m m a g - n e t i cr a d i a lf o r c ew a v ei nt h ew o r k i n gf t e q u e n c yw a sa n a l y z e du n d e rt h ec o u p l i n ga c t i o no fm u l t i p l ep h y s i c a lf i e l d s ．A l s o ，a ne x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nw a sc o n d u c t e do nad o u b l e d i s km a g n e t i cc o u p l e rt e s tb e n c hw i t ham t e dp o w e ro f 5 5k W ．B a s e do nt h eM a x w e Ut e n s o rm e t h o d ，a na n a l y t i c a lm o d e lo ft h em d i a le l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo ft h ed o u b l e d i s k m a g n e t i cc o u p l e rw a se s t a b l i s h e d ．I tw a sc o n c l u d e dt h a tt h em a i nc a u s eo fv i b r a t i o na n dn o i s ei st h ee l e c n ．o m a g n e t i c m d i a lf o r c ew a v eo fo r d e r sOa n d1 0 ．T h eN V Hc h a r a c t e r i s t i co fh a 瑚o n i cr e s p o n s ew a sa n a l y z e db ym e a n so fm u l t i - p h y s i c a lf i e l d c o u p l i n ga n a l y s i s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o na n dd e f 0 珊a t i o no ft h e0 - o r d e rf o r c e w a V ea r eg r e a t e rt } l a nt h a to ft l l e1 0 一o r d e rf o r c ew a v e ．T h u s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cv i b m t i o no ft h ed o u b l e d i s km a g n e t i c c o u p l e ri sp r i m a r i l ya t t r i b u t e dt ot h e0 - o r d e rf o r c ew a v e ．V i b m t i o nt e s t sw e r ec o n d u c t e do nad o u b l e d i s km a g n e t i c c o u p l e rt e s tb e n c hw i t har a t e dp o w e ro f5 5k Wa n dm a i m u ms p e e do f1 5 0 0r ／m i n ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h em a x i m u mv i b r a t i o np e a k sa n df b q u e n c i e sa r ea b o u t3 5m ／s 2a n d49 5 0H za t15 0 0I ／m i n ，a n dt } l ee n ．o r sc o r - r e s p o n d i n gt ot h e6 n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t sa r e6 ．3 ％a n d1 ．1 ％．W h e nt h ei n p u ts p e e do ft h eV a r i a b l ef b q u e n c ym o t o ri n c r e a s e si nt u m ，t h et h e o r e t i c a lv a l u ea n ds i m u l a t i o nv a l u eo ft h ev i b m t i o na c c e l e r a t i o na r ec l o s et ot h ec u Ⅳe s h a p eo ft h et e s tv a l u e ，a n dt h ee r m ri ss m a l l ．T h em a 】【i m u me Ⅱo rb e t w e e nt h en o i s ee s t i m a t i o na n dt h em e a s u r e dV a l u e i so n l y8 ．9 ％，w h i c hb a s i c a U yv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft } l em o d a ls u p e r p o s i t i o nm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e r ． K e yw o r d s d o u b l ed i s km a g n e t i cc o u p l e r ；v i b r a t i o na n dn o i s e ；m u l t i p h y s i c a lf i e l dc o u p l i n gm e t h o d ；f i n i t ee l e m e n ta n a l v s i s 磁力耦合器因其结构简单、传动效率高、低碳节力才是引起电机振动和噪声的主要因素‘9 1 ；S L A M 能等优点成为煤矿机械传动装置的重点研究对象之 一‘川。双盘式磁力耦合器具有高转矩密度与高效率 等优势，因此逐渐发展成为煤矿机械柔性传动装 置‘2 q 1 。由于双盘式磁力耦合内部的转子磁场非 弦分布以及涡电流谐波等因素影响‘4 | ，双盘式磁 耦合器输出转矩中不可避免的存在波动㈣，然而， 盘式磁力耦合器在实际工况运行中仍会产生较大的 振动，给生产环境带来一定的噪声，如何降低振动噪 声是今后双盘式磁力耦合器大规模推广应用的关键 之一[ 6 | 。 近年来，国内外许多学者对电磁振动噪声机理展 开了研究。J u N GJw 和L E EsH 对混合动力汽车 的永磁同步电动机进行减振降噪设计，主要通过减小 径向电磁力和切向电磁力的2 次和6 次谐波实 现一o ；P A R KS 等针对一台双定子一单转子的盘式电 机进行了仿真，并分析盘式电机振动与噪声特点旧1 ； I S L A MR 和H u s A I NI 通过对永磁同步电机进行有 限元仿真后发现，相比于齿槽转矩和转矩波动，电磁 等分析了永磁同步电机的振动噪声特性，得出 1 2 槽的二阶模态时产生的噪声最大0 | 。国内学者 对于电磁振动与噪声的研究时间较晚。王志华等建 立了关于转子结构参数的电磁力数学计算公式，并分 析了极尖、根宽度对引起电磁振动与噪声的主要磁力 谐波的机理1 | ；左曙光等考虑削弱爪机电机的磁力 谐波来降低振动噪声，运用解析计算法分析爪机转子 的结构对磁力谐波的影响规律2 1 ；吴晓文等将直流 偏磁前后5 0 0k V 自耦变压器的加速度频谱变化特性 对比分析，并利用最小二乘支持向量机法对直流偏磁 的主特征进行了模式识别引；方源等构建了动力总 成有限元模型，并基于弱磁一固耦合法对动力总成的 电磁振动噪声问题进行分析4o ；综上所述，电磁振动 噪声研究多集中在永磁电机，对于双盘式磁力耦合器 的电磁振动噪声特性研究较少，若根据计算得出的双 盘式磁力耦合器的电磁振动噪声特点，在设计时选取 振动噪声小的参数进行优化组合，可在实际中降低其 电磁振动及噪声，有利于减少制造成本。因此在双盘 M 极 正力双 万方数据 第2 期王爽等双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究 8 1 3 式磁力耦合器的设计阶段准确预测及计算电磁振动 噪声特点对降低成本、提高其运行稳定性具有非常重 要的意义。 笔者结合双盘式磁力耦合器的结构特征，提出了 一种模态叠加响应法计算电磁振动噪声，建立了其电 磁径向力的解析模型，并在多物理场耦合作用下分析 主要电磁径向力波在工作频率内的谐波响应，最后在 额定功率为5 5k w 双盘式磁力耦合器实验台上进行 试验验证。 1 径向电磁力的计算 1 ．1双盘式磁力耦合器的结构及工作原理 双盘式磁力耦合器的结构模型如图l 所示，其主 要由调速机构、永磁转子和铜导体转子3 部分组成。 动力通过联轴器传递至双盘式磁力耦合器，使双盘式 磁力耦合器上的铜盘开始转动 此时，双盘式磁力耦 合器的永磁转子静止不动，铜盘与永磁转子之间存在 转差 ，根据电磁感应定律，铜盘上会产生涡电流，而 涡电流磁场与永磁磁场两者相互作用，将带动永磁转 子转动；永磁转子固定在输出轴上，输出轴一侧通过 传感器与动态扭矩传感器联接，扭矩传感器另一侧与 负载电机联接，带动负载电机的转动。由于双盘式磁 力耦合器的工作原理，本文忽略磁饱和等非线性因 素。 图l双盘式磁力耦合器的结构模型 F i g ．1 s t n I c t u r a l Ⅱ划e lo fd o u b l ed i s km a g I l e t i cc o u p l e r 1 ．2 电磁径向力解析模型的建立 由于径向磁通密度远大于切向磁通密度，故在计 算双盘式磁力耦合器的电磁力时，根据麦克斯韦张量 法，单位面积的径向电磁力瞬时值八t ，a 可用式 1 表示【l5 | ，即 以∽ 氅型 1 句上。 式中，￡为时间，s ；0 c 为空间角度， o ；6 2 t ，a 为气隙 磁密度，T ；‰为真空磁导率，数值为4 1 T 1 0 ‘7 N ／A 2 。 空间r 阶径向力波的m 次时间谐波，．。的解析 式为 Z ．。 七。c o s m ∞l ￡一r o c 一9 。 ，，孢 1 ，2 ，⋯，n 2 式中，r 为空间力波的阶次；矗。为力波的幅值，m ；∞。 为铜导体转子的角速度，r a d ／s ；8 。为m 次时间谐波 的相位角， o 。 假设径向电磁力无轴向分量，则合成空间r 阶径 向力波为 ， ，．1 Z ．2 ⋯ Z 。。 ⋯ ，，。 ∑尼。c o s 砌l 卜m 一9 。 m 2 l ∑忌。c o s 籼l t 一9 。 c o sm m 。I ∑| j } 。s i n 蚴l t 一日。 s i nm ∑[ ‰ t c o s m y 。 t s i n m ] 3 多e 中，戈m 尼m c o s 砌l t 一9 m ；y m 后m s i n ，砌l ￡一9 m 。 分析式 3 可知，空间r 阶电磁力径向力波可分 解为c o s m 与s i n 砌 两个正交波形的叠加。系数 z 。 t 与‰ t 与双盘式磁力耦合器的输入转速有关。 单元面积上径向电磁力的瞬时值八t ，a 可以表示为 所有空间电磁径向力波的叠加，即 八￡，0 c ∑[ ‰ t c o s m y 。 ￡ s i n m ] 4 则单元面积上径向电磁力的加速度瞬时值可以表示 为 o t ，n ∑[ ‰ t c o s m y 。 t s i n m ] ／M 5 式中，M 为单元面积上的质量，k g 。 1 ．3 谐波分析与有限元模拟 噪声源主要是由电磁噪声、机械噪声、通风噪声 3 个部分所组成的。对于双盘式磁力耦合器而言，电 磁噪声是最主要的噪声源。振动与噪声主要由永磁 转子与导体转子谐波磁场相互作用引起。则铜导体 转子磁场的谐波次数7 [ 1 6 1 可以表示为 7 七l 1 p ，七l 0 ，1 ，2 ，3 ，⋯⋯ 6 则永磁转子磁场的谐波次数秽可以表示为 秽 2 | | } 2 1 p ，南2 0 ，l ，2 ，3 ，⋯⋯ 7 其中，p 为磁极对数。故永磁转子与导体转子谐波磁 场相互作用产生的径向力波次数为 r E 篡≮≯ ㈣ 万方数据 8 1 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 由式 8 可知，双盘式磁力耦合器电磁径向力波 次数可能为0 或者双盘式磁力耦合器磁极对数的整 数倍。当南． 七 o 时，径向力波次数依次为0 和1 0 ， 因此双盘式磁力耦合器气隙中的空间电磁径向力波 阶数除了0 阶以外，最低的电磁径向力阶次为磁极 数，即1 0 阶。 根据表l 中的参数，代入式 4 得出解析值与有 限元软件仿真值 图2 ，即为当最大转速15 0 0r ／m i n 时，永磁转子电磁径向力密度空间谐波的傅里叶分解 对比图。 表l 双盘式磁力耦合器参数 T a b I e1P a r a m e t e r so fd o u b l ed i s km a g n e t i cc o u p l e r s 参数数值 磁极对数 永磁转子外径／n n 永磁转子内径／n 一 永磁转子厚度／m m 铜导体外径／m m 铜导体内径／m m 铜导体厚度／m m 额定功率／k w 最大转速／ r n l i n “ 冷却方式 永磁体尺寸／n n 3 7 8 】5 4 3 2 ．2 3 7 8 1 5 4 8 ．2 5 5 l5 0 0 风冷 7 6 3 8 3 2 ．2 图2 最大转速时电磁径向力密度对比 F i g ．2E l e c l m m a g n e t i cr a d i a lf b r c ed e n s i t y 1 i a g r a n la t 【h e m a x i m u ms p e e d 由图2 可以得知，无论是解析值或有限元仿真值 结果均显示0 阶电磁径向力波最大，1 0 阶电磁径向 力波其次，更高阶电磁径向力波较小，可以忽略。究 其原因为电磁径向力波的阶次越低，则双盘式磁力耦 合器变形相邻节点之间的距离越远，径向变形量越 大，因此低阶电磁径向力波是引起双盘式磁力耦合器 振动与噪声的主要来源。 2 电磁径向力波谐波响应N V H 特性分析 2 ．1 有限元分析 根据图2 的结果，低次电磁径向力波是造成双盘 式磁力耦合器振动的主要来源。1 0 阶次以上的电磁 径向力密度较小，故本文针对0 阶次与1 0 阶次电磁 径向力波的响应进行计算。 参照图2 ，选取O 阶与1 0 阶力波单位面积电磁 径向力波依次根据式 3 分解，经过离散化后加至永 磁转子圆周外侧，观测点选择永磁转子外表面进行观 察加速度变化与形变，如图3 所示。利用多物理场耦 合分析法，分别计算不同阶数空间电磁径向力波在不 同频率下的力波响应，由于双盘式磁力耦合器的工作 环境。“ 。，故本文耦合分析法中选取频率范围为0 ～ 60 0 0H z ，分析永磁转子在r 阶空间电磁径向力波在 不同频率下的响应，与不同输入转速下的径向电磁力 密度，如图3 ～5 所示。 x “1 沏I 点 测点 图3r 阶单位面积的电磁径向力波加载及观测点 F i g ．3 R a 【l i a le l e 【‘t l ‘o m a g l l e mf o r c ew a v el o a J i j l ga n d o b s e r v a t i np o i n t sp e ru 1 1 j ta r e ao f 卜o “l e r 从图4 ，5 可以看出，0 阶力波与1 0 阶力波 的49 0 0H z 处，永磁转子的加速度较大，但1 0 阶力 波的最大加速度为1 3 ．8n ∥s 2 ，0 阶力波的最大加速 度为4 2 ．3n ∥s 二，即1 0 阶力波的最大加速度明显小于 。阶力波；由图4 可知，随着输入转速逐渐增加，径向 电磁力密度依次增大。 由图4 可知，永磁转子在49 0 0H z 有较大振动； 分析图6 可知，0 阶电磁径向力波的最大形变量为 0 ．4 8 24m m ，明显大于1 0 阶电磁径向力波的最大形 变量 0 ．1 0 05n m 。故双盘式磁力耦合器的电磁振 动主要来源于0 阶力波。 2 ．2 叠加响应分析 r 阶响应叠加后的结果为 什 y ∞ 2 ∑y 。。‰ “ ∞ 9 r2 0 其中Z ∞ 为电磁径向力波的幅值；∞为转速，r a d ／ 万方数据 第2 期王 爽等双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究 8 1 5 频率／k H z a 加速度幅值变化 p 量 世 心 口 目 输入转速／f r m i n 1 b 不同输入转速下径向电磁力密度变化 图40 阶力波变化 F i g ．4C h a n g e1 1 1 a po f0 一o r d e r 频率，k H z a 加速度幅值变化 输入转速／ r m i n1 b 不同输入转速下径向电磁力密度变化 图51 0 阶力坡变化 F i g ．5C h a n g em a po flO o r d e r s ；R 为响应的最高阶数；％。。 。 为r 阶单位面积电磁 径向力作用在永磁转子外圆周面后，观察到的形变量 随频率变化的值，该值可由多物理场模拟得到；y ∞ 为某一转速下所有电磁径向力波的叠加值随频率变 a 0 阶力波 f b 1 0 阶力波 图6 不同阶数力波的最大形变量 F 唔．6 M a x i m u n l 1 e f o r m a t i o no ff o r c ew a v e so fd i f k l ’e n t r d e r s 化的值，只考虑0 阶与1 0 阶；‰。m 。，与y ∞ 可以是 偏移量、速度或者加速度，本文取偏移量。 3 模态叠加法与流程分析 本文提出一种模态叠加法，分析双盘式磁力耦合 器的振动噪声。具体流程如下 1 依据理论分析结果，利用三维磁场有限元分 析软件计算双盘式磁力耦合器在不同转速下的电磁 力大小，并对其进行空问谐波傅里叶分解。 2 利用多物理场耦合法计算双盘式磁力耦合 器永磁转子在单位面积电磁径向力作用下不同频率 时的结构响应，如加速度。 3 将结构响应线性叠加后得到双盘式磁力耦 合器合理频率范围内振动情况。 4 利用声压级理论，分析噪声特性。流程分析 如图7 所示，图中，M 为模态的阶数。 4 实验研究 4 ．1 试验参数 为了验证上文电磁径向力波谐波响应分析的正 确性，本文针对一台双盘式磁力耦合器试验样机进行 gm／蚓斟淤 』斗28 2 7 2 6 ●6 O 5 4 4 3 3 2 2 ●●O O O O O O 0 O O O O Luuv蚓锹酸 5 m吣昕％∞∞∞舵叭 O O O O O 0 O O O O 万方数据 8 1 6 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 一一燮堕塑童矍一j 电磁场l- 机械结构 } 一酉一翁 oo 电磁力波 “仁3 模态分析“仁4 力波次数、幅值} 结构模态频率、振型 [ 二二至[ ] 声辐射形式 。⋯7 。 [ 二二亘[ 二] 图7 流程分析 F i g ．7 F l o wa n a l y s i sd i a g r a m 分析，样机参数见表1 ，样机试验图如图8 所示。主 要包括A w A5 6 3 6 型声级计 测量频率为2 0 ～ 1 25 0 0H z ，测量上限为 1 3 0d B ，M c c l 6 0 8 G 数据采 集卡 量程为1 0V 模拟输出 ，C T 5 2 0 1 恒流适配源， c T l 0 1 0 L C 振动加速度传感器 灵敏度 为1 0 3 ．6m V ／g 。受双盘式磁力耦合器安装条件和 试验测试成本的限制，无法将传感器布置在高速旋转 的永磁转子上以直接测量它的振动加速度，由于双盘 式磁力耦合器振动将通过永磁转子引起输出轴轴套 纵向振动，因此本文通过在轴套处布置加速度传感器 测量输出轴轴套纵向振动信号以间接反映其振 动‘1 8 ] 。 4 ．2 实验内容 4 ．2 ．1 试验方法 试验时，启动变频电机后，首先设置负载转矩为 2 0 0N m ，在控制台输出指令使执行机构调节永磁 转子与铜盘之间的气隙保持不变，逐步改变变频电 机 输入电机 的转速，使其提供0 ～15 0 0r ／m i n 的转 速。记录下不同输入转速下，双盘式磁力耦合器永磁 转子的振幅。 4 ．2 ．2 信号及数据处理 通过振动采集系统获取双盘式磁力耦合器在不 同输入转速下的加速度振幅数据。图9 为最大转速 变频电机双盘式磁力耦合器永磁转子输出轴轴套负载电机 信号处理器数据采集卡上位机 振动加速度传感器 图8 样机试验 F i 昏8P r o t o t y p et e s t 图915 0 0r ／m i n 振动加速度频域 F i g ．9F r e q u e n c yd o n l a i nd i a g r a n lo fv i b r a t i o na c c e l e r a t i o n a t15 0 0r ／m i n 15 0 0r ／m i n 时，双盘式磁力耦合器的振动加速度频 域图。与图4 中响应频谱加速度图对比可知，双盘式 磁力耦合器振动存在丰富的振动峰值，当变频电机的 输入转速为l5 0 0r ／m i n 时，最大的振动峰值及频率 约为3 5 - n ／s 2 和49 5 0H z ，与仿真得到的最大振动峰 值及频率的误差对应为6 ．3 ％和1 ．1 ％，产生误差存 在的原因为未考虑磁饱和等非线性状态，但两者结果 较为接近。 将表1 的参数代人式 5 ，可得出0 阶力波的振 动加速度的近似表达式为 o 一0 ．0 0 00 5 2 戈一11 0 0 ．4 2 3 9 ．3 1 0 式中，z 为双盘式磁力耦合器的输入转速，r ／m i n ；o 为 永磁转子的振动加速度，r n ／s 2 。 图1 0 为变频电机的输入转速以1 0 0r ／m i n 步长 逐渐递增时，双盘式磁力耦合器的振动加速度平均值 的变化曲线图。分析可知，当输入转速小 万方数据 第2 期王爽等双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究 8 1 7 于1 1 0 0r ／m i n 时，振动加速度整体呈现增加趋势；当 输人转速大于11 0 0r ／m i n 时，振动加速度整体呈现 减小趋势，并在l1 0 0r ／m i n 时振动加速度达到最大 值，这与式 1 0 的理论分析较为接近；试验值、仿真 值与理论值3 者曲线形态近似，即与电磁径向力波谐 波响应理论分析的结果相吻合，也验证了谐波响应 N V H 特性分析的正确性。 图1 0 不l 司输入转速『 加速度变化 F i g ．1 0 A c c e l e r a t i o nc h a n g e sa td i f f b r e n ti n p u ts p e e d s 5 双盘式磁力耦合器的振动噪声计算 r 阶双盘式磁力耦合器的电磁径向力波的声压 级水平7 。1 83 可表示为 ，，’D 、 L P 1 0 l g I 争 1 1 、1s r e f ， 式中，P 。为双盘式磁力耦合器对应频率辐射的声功 率，w ；砩为声压级水平，d B ；P 。。，为