资源描述：
一种基于 Ｐ Ｌ Ｃ控制的可调速磁力联轴器设计 陈 竞 （ 河南工业和信息化职业学院， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０ ） 摘 要 传统的机械式传动结构形式复杂， 且存在许多影响系统动态性能的因素。结合磁力联轴器传动的优点， 设计 了一种新型的数字控制调速的同轴型圆筒式磁力联轴器， 在满足传递力矩要求的同时， 一方面可减少原动机的体积， 另一方面又使得整个系统省去皮带轮、 机械齿轮等传动装置， 实现无接触式、 可调速传动， 减少振动、 噪声等影响， 克服 变频调速存在的不足之处， 获得了良好的效果。 关键词 磁力传动； 可调速； Ｐ Ｌ Ｃ控制； 磁力联轴器 中图分类号 Ｔ Ｈ １ ３ ３ ． ４ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ ７ － ４ ４ １ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ － ０ １ ０ ９ － ０ ３ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｏ ｆ ａＳ ｐ ｅ ｅ ｄＡ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅＭａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃＣ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇＢ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎＰ Ｌ ＣＣ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｊ ｉ ｎ ｇ （ Ｈ ｅ ｎ ａ ｎＣ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ＆Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ，Ｊ ｉ ａ ｏ ｚ ｕ ｏＨ ｅ ｎ ａ ｎ ４ ５ ４ ０ ０ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｉ ｓ ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘ ，ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｄｂ ｙｍ ａ ｎ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ． Ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ 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另外还有润滑要求， 并且精度也会受 到影响。永磁磁力联轴器属于磁耦合传动的一种， 可 以实现非接触的动力传递， 它取消了传统传动装置中 的动密封， 实现了静密封、 零泄漏。将永磁磁力联轴 器应用于传动系统中， 可以实现主动件与从动件的完 全分离， 并可以实现多种运动形式的组合， 许多较为 复杂传动机构的结构形式会得到简化。 １ 磁力传动原理 磁力传动机构可以是通常状况的力和转矩的传 递机构［ ２ ］， 也可以是全密封装置下的力和转矩的传 动机构。 全密封动力传递机构主要由以下三部分组成 （ １ ）主动磁机械运动部件和从动磁机械运动部 件， 由主动磁组件和从动磁组件以及与之相配套的机 械结构构成， 其中包括用于配合运动行式转换的导向 装置等。 （ ２ ）在主、 从动磁运动部件之间工作气隙中设置 的隔离套部件以及工作状态（ 如温度、 压力等） 测试 监控机构等。 （ ３ ）运动的动力机构及控制系统。 磁力传动机构运动系统简图如图 １所示。 图 １ 磁力传动机构运动系统示意图 １ ． 动力控制系统 ２ ． 动力机 ３ ． 主动磁组部件 ４ ． 隔离套 ５ ． 负载传动及导向机构 ６ ． 从动磁组部件 ７ ． 负载机构 ８ ． 运动状态检测器 ９ ． 温度检测机构 其工作过程如下［ ３ ］ ①动力控制系统控制指挥 动力机工作。根据运行要求， 动力机工作转速可调， 转向可变换； ②动力机带动主动磁组件运行工作； ③ 主、 从动磁组件之间透过隔离套器壁相互磁耦合， 当 主动磁组件进行运动时， 从动磁组件由于磁场的耦合 ９０１ 机械研究与应用２ ０ １ ５年第 ２期 （ 第 ２ ８卷， 总第 １ ３ ６期） 设计与制造 收稿日期 ２ ０ １ ５ － ０ ２ － ２ ６ 作者简介 陈 竞（ １ ９ ８ ４ － ） ， 女， 河南偃师人， 硕士研究生， 助教， 研究方向 机电一体化。 作用开始运动； ④从动磁组件带动和控制负载运动； ⑤件 ８主要检测从动磁组件及件 ５ 、 件 ７的工作运行 状态； 件 ９主要检测隔离套内部温度、 压力等状态； 隔 离套除了用作密封隔离外， 还对主、 从动磁组件起定 位、 支撑作用以及控制从动磁组件的定向运动作用。 ２ 调速磁力联轴器的基本结构设计 结合磁力联轴器传动的优点， 设计了一种新型的 Ｐ Ｌ Ｃ控制调速的同轴型圆筒式磁力联轴器， 该磁力调 速器控制装置工作原理示意图如图 ２所示。它主要 由气隙调节器、 Ｐ Ｌ Ｃ控制装置、 传感器和控制台等部 分组成。 图 ２ 磁力调速器及控制装置工作原理示意图 （ １ ）气隙调节器 气隙调节器是调整永磁组件 与导磁组件之间的工作气隙（ 对于圆盘式磁力调速 器） 或相互作用面积（ 对于圆筒式磁力调速器） 的机 构。永磁组件与导磁组件之间的气隙或相互作用面 积发生变化时， 气隙减小（ 或作用面积增大） ， 传递的 扭矩增大， 永磁组件转速也升高； 气隙增大（ 或作用 面积减小） ， 传递的扭矩减小， 永磁组件转速也降低； 永磁组件与导磁组件之间的气隙达到一定值（ 或作 用面积为零） ， 永磁组件转速为零， 即负载转速为零。 （ ２ ）Ｐ Ｌ Ｃ控制装置 磁力调速器要求工作可靠， 并可根据所驱动负载要求实现自动调速。为了实现 上述控制任务， 本系统采用三菱 Ｆ Ｘ １ ＮＰ Ｌ Ｃ作为系统 的控制器。Ｐ Ｌ Ｃ实时检测电动机输出轴速度、 负载输 入轴速度、 以及压力、 流量或其它控制信号量， 通过 Ｐ Ｉ Ｄ控制算法， 输出信号控制， 驱动气隙调节器， 使磁 力调速器的工作气隙变化， 实现调速目的。磁力调速 器的整个控制装置应为全自动， 可直接由 Ｐ Ｌ Ｃ进行 远程操控。当自动控制装置出现故障时， 也可就地操 纵控制装置手动调节工作气隙。 （ ３ ）传感器 传感器是把被测量［ ４ ］（ 如压力、 流 量等） 变换为另一种与之有确定对应关系， 并且容易 测量的量（ 通常为电学量） 的装置。它是一种获得信 息的重要手段， 它所获得信息的正确与否， 关系到整 个控制系统的精度。 （ ４ ）操作台（ 人机界面） 通过操作台的按钮、 开关， 可以设置控制装置工作方式。本控制装置具备 “ 手动／ 自动” 两种工作方式。当自动方式有故障时， 可就地操纵控制装置手动调节工作气隙。利用液晶 显示屏显示设备运行状态， 输出轴速度及相关参数。 ３ Ｐ Ｌ Ｃ控制电路设计 ３ ． １ Ｐ Ｌ Ｃ选型 Ｆ Ｘ １ Ｎ系列是功能很强大的微 Ｐ Ｌ Ｃ ［ ５ ］， 可扩展到 多达 １ ２ ８Ｉ ／ Ｏ点， 并且能增加特殊功能模块或扩展 板。通信和数据链接功能选项使得 Ｆ Ｘ １ Ｎ在体积、 通 信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。该 型号 Ｐ Ｌ Ｃ具备定位和脉冲输出功能 一个 Ｐ Ｌ Ｃ单元 能同时输出 ２点 １ ０ ０ｋ Ｈ ｚ 脉冲， Ｐ Ｌ Ｃ配备有 ７条特殊 的定位指令， 包括零返回、 绝对位置读出、 绝对或相对 驱动以及特殊脉冲输出控制。 根据系统功能， 本设计项目选择 Ｆ Ｘ １ Ｎ － ２ ４ Ｍ Ｔ型 Ｐ Ｌ Ｃ ， 其具体技术参数见表 １ 。 表 １ Ｐ Ｌ Ｃ技术参数表 型号 Ｉ ／ Ｏ 总数 输入输出 数目 类型 数目 类型 尺 寸 ｍ ｍ（英 寸 ） （宽 ） （ 厚） （ 高） Ｆ Ｘ １ Ｎ － ２ ４ Ｍ Ｔ ２ ４１ ４ 漏型１ ０继电器 ９ ０ ７ ５ ９ ０ （ ３ ． ６ ３ ． ０ ３ ． ５ ） ３ ． ２ Ｐ Ｌ Ｃ外围电路设计 本设计的 Ｐ Ｌ Ｃ外围电路设计如图 ３所示。 图 ３ Ｐ Ｌ Ｃ外围电路原理图 ０１１ 设计与制造 ２ ０ １ ５年第 ２期 （ 第 ２ ８卷， 总第 １ ３ ６期）机械研究与应用 ４ 性能测试结果与分析 根据本设计的目的和试验现场的具体情况， 设计 了一套简便易行的试验测试设备， 如图 ４所示， 为了 精确测试扭矩、 转速、 温度， 在试验平台上连接了转速 扭矩测试仪。温度检测采用红外温度传感器。 图 ４ 试验系统组成框图 ４ ． １ 导磁体盘采用黄铜时的空载试验 图 ５为导磁体盘采用黄铜时， 负载端轴不带负载 的转速与永磁体移动距离的关系曲线。随着永磁体 逐渐进入导磁体内腔， 负载轴的转速逐渐升高。 额定输出时的转速差 １ ４ ９ １ － １ ４ ６ ８ ＝ ２ ３（ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ） 图 ５ 导磁体盘采用黄铜时负载轴空载转速变化曲线 ４ ． ２ 导磁体盘采用黄铜时的带载试验 负载轴驱动发电动机， 每相带 ４ｋ Ｗ 负载时， 其 转速与永磁体移动距离的关系曲线如图 ６所示。 图 ６ 导磁体盘采用黄铜时负载轴带载转速变化曲线 负载轴转速达到 １２ ７ ３ｒ ／ ｍ ｉ ｎ时， 发电动机输出 相电压 １ ７ ４Ｖ ， 导磁体表面温度 １ １ ０℃。发电功率为 （ １ ７ ４ ／ ２ ２ ０ ） （ １ ７ ４ ／ ２ ２ ０ ） ３ ８ ＝ １ ５（ ｋ Ｗ） 。 在全耦合状态时， 如果每相带 ８ｋ Ｗ 负载， 输出 转速由 １３ ６ ５ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 降到 １２ ７ ３ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 。 ４ ． ３ 导磁体盘采用紫铜时的空载试验 导磁体盘采用紫铜时， 负载轴空载转速变化曲线 如图 ７所示。 图 ７ 导磁体盘采用紫铜时负载轴空载转速变化曲线 ４ ． ４ 导磁体盘采用紫铜时的带载试验 导磁体盘采用黄铜时， 负载发电动机每相带 ４ ｋ Ｗ负载时， 其转速与永磁体移动距离的关系曲线如 图８所示。在全耦合状态下， 导磁体表面温升２ ５℃， 转速差 １ ４ ７ １ － １ ４ ３ １ ＝ ４ ０（ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ） 。 图 ８ 导磁体盘采用紫铜时负载轴带载转速变化曲线 参考文献 ［ １ ］ 段伟山． 磁力传动机构的分析与研究［ Ｄ ］ ． 天津 天津大学， ２ ０ ０ ８ ． ［ ２ ］ 赵克中． 磁耦合双向传动控制器的研究［ Ｄ ］ ． 沈阳 东北大学， ２ ０ ０ ６ ． ［ ３ ］ 彭科容． 永磁磁力耦合器结构与特性研究［ Ｄ ］ ． 哈尔滨 哈尔滨 工业大学， ２ ０ ０ ８ ． ［ ４ ］ 张明月． 传感器技术在数控系统上的应用［ Ｊ ］ ． 电大理工， ２ ０ １ ０ （ ３ ） ３ － ４ ［ ５ ］ 李翠翠， 龙 斌． Ｔ Ｐ Ｘ ６ １ ９卧式数显镗床电气控制系统的 Ｐ Ｌ Ｃ改 造［ Ｊ ］ ． 煤炭技术， ２ ０ １ ３ （ １ ０ ） ２ ４ － ２ ５ ． １１１ 机械研究与应用２ ０ １ ５年第 ２期 （ 第 ２ ８卷， 总第 １ ３ ６期） 设计与制造
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