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一種機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置

2018-01-24 07:59張鴻飛趙曉峰
鍛壓裝備與制造技術(shù) 2017年6期
關(guān)鍵詞:齒輪軸永磁體氣隙

張鴻飛 ,賈 ,趙曉峰 ,姚 鶴

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省金屬塑性成型裝備智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050)

鍛造操作機(jī)是鍛造行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的輔助操作裝置,在提高生產(chǎn)率、改善生產(chǎn)條件、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高鍛造質(zhì)量方面非常重要[1-2]。目前傳統(tǒng)的鍛造操作機(jī)主要是全液壓型驅(qū)動(dòng)控制,其響應(yīng)速度較慢,而且鍛造操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)、機(jī)械星型齒輪減速器、機(jī)械齒輪傳動(dòng)形式,如圖1所示。由于機(jī)械齒輪傳遞效率高,傳動(dòng)比穩(wěn)定,可傳遞轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域[3-5],但是機(jī)械齒輪傳動(dòng)中主、從動(dòng)輪輪齒直接接觸,容易發(fā)生疲勞斷裂、摩擦損耗,產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊、噪聲及需要良好的潤(rùn)滑;而且由于液壓馬達(dá)自身的特殊性,在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定、工作運(yùn)行時(shí)有沖擊、振動(dòng)、漏油,容易造成環(huán)境污染、維修不便,且進(jìn)口價(jià)格昂貴[6]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鍛造操作機(jī)的研究主要在其機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、控制系統(tǒng)、疲勞[7-9]等方面,而對(duì)其傳動(dòng)形式研究很少。

圖1 傳統(tǒng)鉗桿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)裝置

基于以上背景,本文提出了一種機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置,如圖2所示。它集磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪與伺服電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)于一體,其控制精度、響應(yīng)速度、單位體積力密度可與傳統(tǒng)液壓馬達(dá)、機(jī)械星型齒輪減速器組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相媲美[10]。

圖2 機(jī)電集成鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)裝置

1 三維模型

基于SolidWorks,按表1建立了一種機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型,如圖3所示。主要由伺服電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子(內(nèi)轉(zhuǎn)子軸及其外表面永磁體)、調(diào)磁環(huán)、外轉(zhuǎn)子(小齒輪軸及其內(nèi)表面永磁體)、嚙合的大小機(jī)械齒輪、鉗桿構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)、外轉(zhuǎn)子構(gòu)成第一級(jí)傳動(dòng);小齒輪軸、大齒輪、鉗桿構(gòu)成第二級(jí)傳動(dòng)。

表1 主要參數(shù)

圖3 三維結(jié)構(gòu)模型

2 工作原理

如圖3所示,機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置具有兩級(jí)減速機(jī)構(gòu),即小齒輪軸內(nèi)部集成的磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪,構(gòu)成為第一級(jí)傳動(dòng);小齒輪軸與大齒輪嚙合傳動(dòng),構(gòu)成第二級(jí)傳動(dòng);內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面間隔布置有極對(duì)數(shù)為p1的N極、S極永磁體,小齒輪軸內(nèi)表面間隔布置有極對(duì)數(shù)為p2的N極、S極永磁體,調(diào)磁環(huán)由導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁材料組成環(huán)形,導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁極對(duì)數(shù)均為p1+p2。

當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面上的永磁體在氣隙1內(nèi)產(chǎn)生主諧波次數(shù)為N1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),正好與內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體極對(duì)數(shù)吻合,經(jīng)調(diào)磁環(huán)磁場(chǎng)調(diào)制后,在氣隙2內(nèi)產(chǎn)生主諧波次數(shù)為N2的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),正好和小齒輪軸內(nèi)表面永磁體極對(duì)數(shù)吻合,實(shí)現(xiàn)其等磁極耦合傳動(dòng),從而使得小齒輪軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)其第一級(jí)減速傳動(dòng);當(dāng)小齒輪軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),小齒輪軸的輪齒與大齒輪輪齒做嚙合運(yùn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鉗桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)其第二級(jí)減速傳動(dòng)。

機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的第一、第二級(jí)傳動(dòng)的減速比及承載能力可分別調(diào)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體極對(duì)數(shù)、小齒輪軸內(nèi)表面永磁體極對(duì)數(shù)、徑向厚度、軸向長(zhǎng)度、永磁體剩磁等參數(shù)以及小齒輪軸、大齒輪輪齒數(shù)等參數(shù)實(shí)現(xiàn),其轉(zhuǎn)速可通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)節(jié)控制,實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)鉗桿低速大扭矩傳輸,實(shí)現(xiàn)鉗桿的回轉(zhuǎn)夾持功能。

3 有限元分析法

3.1 有限元模型

機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的第一級(jí)轉(zhuǎn)矩特性主要依賴于小齒輪軸內(nèi)部集成的磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),因此采用有限元法分析其轉(zhuǎn)矩特性時(shí),只需單獨(dú)建立并分析小齒輪軸及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限元2D模型即可?;贏nsoft Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析軟件,建立了如圖4所示的有限元分析模型,包括結(jié)構(gòu)2D模型、初始網(wǎng)格劃分模型、磁力線分部模型。

從圖4a初始網(wǎng)格剖分上看,考慮到氣隙部分的磁阻比永磁體和小齒輪軸大,所以氣隙1、2部分的網(wǎng)格劃分較密,內(nèi)轉(zhuǎn)子軸上的永磁體與內(nèi)轉(zhuǎn)子軸的網(wǎng)格單元共用邊界節(jié)點(diǎn),同樣小齒輪軸內(nèi)表面上的永磁體與小齒輪軸的網(wǎng)格單元也共用邊界節(jié)點(diǎn),且裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過(guò)程中內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子單元?jiǎng)傂赞D(zhuǎn)動(dòng),氣隙1、2中間位置處為非節(jié)點(diǎn)共用區(qū),機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)過(guò)程中邊界節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)插值實(shí)現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子與調(diào)磁環(huán)之間磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算,雖然插值計(jì)算會(huì)帶來(lái)一定的誤差,但氣隙網(wǎng)格較密,對(duì)整體計(jì)算精度影響不大。

采用有限元方法得到機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的磁力線分布如圖4b所示。機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的磁力線有兩種情況:①內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子傳動(dòng)部分相鄰永磁體邊緣接觸部分的磁力線就近閉合;②內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線經(jīng)調(diào)磁環(huán)、小齒輪軸內(nèi)表面永磁體、小齒輪軸形成回路,使得內(nèi)轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)及外轉(zhuǎn)子間存在耦合磁場(chǎng),實(shí)現(xiàn)耦合傳動(dòng)。

圖4 二維有限元模型

3.2 磁通密度及空間諧波

內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為π/8時(shí),利用有限元法得到氣隙1、2中間位置處的徑向、切向磁通密度,如圖5所示。由圖可知?dú)庀?、2的徑向和切向氣隙磁密經(jīng)由調(diào)磁環(huán)磁場(chǎng)調(diào)制后,基本成正弦規(guī)律曲線變化,且氣隙2的磁密較氣隙1更密,幅值更大。

對(duì)氣隙1、2中間位置處的徑向磁通密度進(jìn)行傅里葉變換即得到其所對(duì)應(yīng)的空間諧波次數(shù),如圖6所示。由圖可知?dú)庀?、2的空間主諧波次數(shù)正好與所設(shè)計(jì)的內(nèi)轉(zhuǎn)子軸外表面永磁體極對(duì)數(shù)和小齒輪軸內(nèi)表面永磁體極對(duì)數(shù)吻合,說(shuō)明經(jīng)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后,內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間可以實(shí)現(xiàn)等磁極耦合傳動(dòng),除主諧波外,還存在著其他諧波分量。

圖5 氣隙磁通密度

圖6 氣隙空間諧波次數(shù)

3.2 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

基于Ansoft Maxwell的magnetostatic分析,小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)固定不動(dòng),內(nèi)轉(zhuǎn)子緩慢線性地轉(zhuǎn)過(guò)一定的機(jī)械角度(一個(gè)周期),即可得出外轉(zhuǎn)子的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線;內(nèi)轉(zhuǎn)子固定,外轉(zhuǎn)子緩慢線性地轉(zhuǎn)過(guò)一定機(jī)械角度,也可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性曲線,機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的第一級(jí)傳動(dòng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線,如圖7所示。

圖7 內(nèi)外轉(zhuǎn)子靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置在運(yùn)行過(guò)程中,其驅(qū)動(dòng)能力取決于內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩,當(dāng)小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)的負(fù)載大于外轉(zhuǎn)子所承受的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的時(shí)候,內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間將失去磁耦合力作用,小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)靜止不動(dòng),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子做振蕩衰減運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)鉗桿裝置的過(guò)載自我保護(hù)。

3.3 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

在帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行仿真過(guò)程中,以內(nèi)轉(zhuǎn)子為輸入,小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)為輸出,基于Ansoft Maxwell的Transient分析,得出了機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)、外轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性曲線,如圖8所示。

圖8 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

由圖8可知,機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中,其轉(zhuǎn)矩具有微小波動(dòng)特性,且其所傳遞的轉(zhuǎn)矩符合傳動(dòng)比4.25。由于仿真過(guò)程中外轉(zhuǎn)子的機(jī)械特性,如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦阻尼未加考慮,導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),外轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

3.4 啟動(dòng)特性

在空載啟動(dòng)仿真過(guò)程中,以內(nèi)轉(zhuǎn)子為輸入,小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)為輸出。內(nèi)轉(zhuǎn)子軸在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下,以85rpm的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)小齒輪軸旋轉(zhuǎn),仿真時(shí)間為500ms,基于Ansoft Maxwell的Transient分析,機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置由啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中,內(nèi)轉(zhuǎn)子、小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩如圖9、圖10所示。

圖9 啟動(dòng)轉(zhuǎn)速

圖10 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

由圖9可知,機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)磁耦合作用驅(qū)動(dòng)小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn),且其轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比符合4.25。小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)在內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)下外轉(zhuǎn)子速度由開始的較大波動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行,其速仍然具有微小波動(dòng),小齒輪軸(外轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn)速度由暫態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行時(shí)間很短。

由圖10可知,機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)后由暫態(tài)振蕩進(jìn)入到穩(wěn)態(tài),由于空載起步,所以內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩繞坐標(biāo)軸原點(diǎn)零位置上下波動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的氣隙1、2內(nèi)的磁場(chǎng)主諧波次數(shù)與其對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)吻合,且各氣隙內(nèi)磁場(chǎng)為包含主諧波在內(nèi)的多次諧波疊加,從而揭示了其磁耦合工作機(jī)理。

(2)基于Ansoft Maxwell,利用麥克斯韋應(yīng)力張量法,得出的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子靜態(tài)轉(zhuǎn)矩呈正弦規(guī)律變化,且內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩分別為200N·m和850N·m。

(3)機(jī)電集成鍛造操作機(jī)鉗桿永磁傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子在工作過(guò)程中其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均具有微小波動(dòng),且其工作狀態(tài)由暫態(tài)到穩(wěn)定時(shí)間很短。

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