永磁耦合器應(yīng)用于刮板輸送機(jī)的可行性分析

1、永磁耦合器應(yīng)用于刮板輸送機(jī)的可行性分析覃新川School of Mecha ni cal and Power Engin eer ingEast China Uni versity of Scie nee and Tech no logyShan ghai, Chinaqxczm.c n姜超越,錢蘇醒School of Mecha ni cal and Power Engin eeri ngEast China Uni versity of Scie nee and Tech no logyShan ghai, Chinademo n13518輸出軸Abstract In order to s

2、olve the problem of scraper conveyor plug resulting from collapse of coal seam, some coal mine machinery companies consider applying permanent magnetic coupling replacing fluid coupling in scraper conveyor. In assumed conditions, some equations about torque, power and heat productivity, which were d

3、educed from the operating principle were used in practical. Finally, we get the conclusion that applying permanent magnetic coupling can't deal with this problem in given conditions.Keywords: permanet magnet coupling; magnetic induction; torque; heat productivityI. 簡(jiǎn)介永磁耦合技術(shù)（渦流式磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)）是美國(guó)能源部 岀資為海

4、軍艦艇開發(fā)的一項(xiàng)新的驅(qū)動(dòng)連接技術(shù)，1999年由美國(guó)Magna Drive公司轉(zhuǎn)化到民用領(lǐng)域，主要應(yīng)用于風(fēng) 機(jī)、水泵類載荷的驅(qū)動(dòng)。國(guó)內(nèi)主要由中達(dá)電通股份有限公 司負(fù)責(zé)制造、經(jīng)銷。永磁耦合技術(shù)解決了旋轉(zhuǎn)負(fù)載系統(tǒng)的對(duì)中、軟啟動(dòng)、 減震、調(diào)速及過(guò)載保護(hù)等問題。它是通過(guò)導(dǎo)磁體和永磁體 之間的氣隙實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的扭矩傳輸，使電動(dòng)機(jī)和負(fù) 載側(cè)沒有機(jī)械連接。通過(guò)調(diào)整氣隙的大小可以實(shí)現(xiàn)傳遞扭 矩的大小，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載速度的調(diào)節(jié)。永磁耦合技術(shù)在大 功率傳遞中與變頻器調(diào)速方案相比具有無(wú)可比擬的優(yōu)越 性，這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的可靠性、長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng) 濟(jì)性等各個(gè)方面。長(zhǎng)期以來(lái)，采煤工作面所使用的煤礦井下刮板輸送機(jī) 由

5、于工作環(huán)境所致，經(jīng)常出現(xiàn)由于載荷突然成倍增加導(dǎo)致 電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象（大量煤炭塌幫，導(dǎo)致負(fù)載成倍增 加）。傳統(tǒng)的處理方式是依靠人工卸載（將多余的煤炭人 工卸載至采空區(qū)扔掉），其不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)多，且 造成對(duì)資源的極大浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)某煤機(jī)集團(tuán)考慮應(yīng)用永磁耦 合器代替原刮板輸送機(jī)的液力耦合器，希望實(shí)現(xiàn)刮板輸送 機(jī)的低速大扭矩啟動(dòng)，要求啟動(dòng)扭矩為電機(jī)額定扭矩的 23倍，或者依靠永磁耦合器的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，避免刮板 輸送機(jī)的悶車現(xiàn)象發(fā)生。由于煤礦井下刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng) 功率較大（此次研究的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率初定為855kW ），在高轉(zhuǎn)差率（實(shí)現(xiàn)低速驅(qū)動(dòng)）條件下，發(fā)熱量較大（初步預(yù) 計(jì)發(fā)熱量為200kW左右），如

6、何計(jì)算發(fā)熱量？怎樣將這 些發(fā)熱量傳出等理論問題成為研制工作的難點(diǎn)。由于傳遞 功率過(guò)大，發(fā)熱量計(jì)算等理論問題成為研制工作的難點(diǎn)。 為此廠家希望我們通過(guò)理論分析，確定這一設(shè)想的可行 性。II. 基本工作原理與假定條件永磁耦合器主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三部 分組成。如圖1所示為永磁耦合器的原理簡(jiǎn)圖，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子 固定在電機(jī)軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和 永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（氣隙），其減小的調(diào)整通過(guò)控制器 來(lái)完成。這樣電動(dòng)機(jī)和負(fù)載由原來(lái)的機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)榇胚B 接，通過(guò)調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的間隙就可實(shí)現(xiàn)負(fù) 載軸上的輸出扭矩變化，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)整的、可控制的、 可重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速。電機(jī)軸（輸

7、入軸）氣隙圖1永磁耦合器原理簡(jiǎn)圖計(jì)算模型的基本假定條件： 磁力線的分布：不考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度在導(dǎo)體盤（材質(zhì)為 電解鋁或電解銅）中的衰減（因金屬鋁、銅的相對(duì)磁導(dǎo)率Jr偏小，工程計(jì)算可取 "r =1 ）；具體講：由于導(dǎo)體盤厚度較?。▽?shí)際有效部分僅為2.2mm ），可設(shè)磁場(chǎng)在此范圍內(nèi)（沿厚度）大小、方向均不變；沿徑向?yàn)槌?shù)；沿環(huán) 向?yàn)檎乙?guī)律變化； 在正常工作范圍內(nèi)，導(dǎo)體盤與驅(qū)動(dòng)軸之間的轉(zhuǎn)速差 很?。ㄆ渥畲笾到咏姍C(jī)轉(zhuǎn)速），導(dǎo)致導(dǎo)體盤上的磁場(chǎng)變 化頻率很小，銅導(dǎo)體盤在趨膚效應(yīng)最明顯時(shí)的趨膚深度（磁場(chǎng)變化的頻率最大為：fmax = 1500 = 25 HZ ）達(dá)到6016.28毫米。從而對(duì)于厚度僅

8、為4毫米的銅導(dǎo)體盤可不考慮導(dǎo)體盤上感生電流的趨膚效應(yīng)；ill. 穩(wěn)定條件下的電磁關(guān)系由于永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)（由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)），永磁轉(zhuǎn)子在 導(dǎo)體盤上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在導(dǎo)體盤上的感生電場(chǎng)的強(qiáng) 度可表示為：f-v B -0n B0sin r(1)300為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的相對(duì)線速度；r0為徑30n =-壓為導(dǎo)體盤（電機(jī)）轉(zhuǎn)速n與永E ne其中：V向單位向量；久磁鐵盤n2的轉(zhuǎn)速差；由于速度的擬均勻性，因此，當(dāng)磁場(chǎng)沿環(huán)向的分布為 正弦分布時(shí)，感生電場(chǎng)的分布也基本與磁場(chǎng)分布一致。只刑兀是因v =r -，由于r?的線性關(guān)系，使得靠近轉(zhuǎn)軸方向偏小。于是感生電流密度為：Ene在JI日而微弧長(zhǎng)E = v B=0B0 sin3

9、0日。（徑向）導(dǎo)體板（條）在磁場(chǎng)中所受的力為：dF =ldl B =（j b.：dvdl） B其中，b為導(dǎo)體板厚度；當(dāng) b的厚度很小時(shí)，可認(rèn)為在此 范圍內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度不變；由于環(huán)形金屬條不切割磁力線，因此在磁極有效作用 范圍內(nèi)，感應(yīng)電流只有徑向分量才對(duì)轉(zhuǎn)矩有貢獻(xiàn)；切向分 量對(duì)轉(zhuǎn)矩沒有貢獻(xiàn)。微元力矩：dM =dF =（j 匕：燈劉1） B 一對(duì)磁極產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：j0. r2(2)(3)(4)PLn當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針（磁力線起源處M =2d 二（j br;?d l B）N極在前, 磁力線回收處S極在后）時(shí)，且永久磁鐵在轉(zhuǎn)盤上方，則 N極下方導(dǎo)體板的感應(yīng)電流方向?yàn)橛赏獠恐赶蜣D(zhuǎn)軸中心， 而S極下方

10、導(dǎo)體板的感應(yīng)電流方向?yàn)橛赊D(zhuǎn)軸中心指向外 部。兩者（感應(yīng)電流）在磁場(chǎng)下產(chǎn)生的力（或相對(duì)于轉(zhuǎn)軸 的力矩）與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。所以，一對(duì)磁極產(chǎn)生的驅(qū) 動(dòng)力矩為：B 一M =2 d8J r px（j br（dl 汨）01"02=2b o 丫：、（E：dl B）(5)24* n兀2P2日0兀日必 30B04f °4in 2R0一個(gè)單磁極消耗的功率（發(fā)熱量）：21："2B0 sin brdr30 二0 1 2 , 0 -sin .才二04=辭叫芒氐4IV. 具體算例現(xiàn)有永磁耦合器已知條件：磁感應(yīng)強(qiáng)度B0min =1.18T，導(dǎo)體板厚度b = 2.2mm， 鋁導(dǎo)體盤電導(dǎo)=3.8

11、2 107 s m ；熱導(dǎo)率208W/（m K）；永久磁鐵所在位置：片=250mm, r2 = 350mm ；單個(gè)永久磁鐵所占弧角 二0二二.13 （最多可布置26個(gè)永久磁 鐵，實(shí)際布置12個(gè)永久磁鐵）；采用雙圓盤結(jié)構(gòu)。代入已知數(shù)據(jù)，單個(gè)磁鐵在不同轉(zhuǎn)速差下運(yùn)行時(shí)的發(fā) 熱量為：n24 J?兀1 小i PP= B° b ；=sin23304 n 2日 0 4甘。=0.4298n2 W12個(gè)磁極的總發(fā)熱量為：P“ = 12 0.4298n2W = 5.1581 n2W總、根據(jù)（8 ）、（ 9）兩式可計(jì)算岀對(duì)于給定電機(jī)在給定 轉(zhuǎn)差率時(shí)永磁耦合器的發(fā)熱量。表1不同轉(zhuǎn)速差下，永磁耦合器的發(fā)熱量(

12、B =1.18T)(單邊)轉(zhuǎn)速差（rpm）1020304050發(fā)熱量（kW）0.51582.0634.4628.25312.89轉(zhuǎn)速差（rpm）6080100200300發(fā)熱量（kW）18.5733.0151.57206.3464.2不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)一對(duì)磁極產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩：甘n兀2d2日0兀日 12兀日aM =2bB° ：sin f304 兀2弘 4 日0= 8.209n N m6對(duì)永久磁鐵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：M 總二 6 8.209n N m= 49.273n N m 于是，永磁耦合器傳遞的總功率為：2 二 M n2 _ M n2(8)(9)(10)(11)49.273 nrh609.55

13、9.55其中，門2 :“厲- n, n1 = 1485為電機(jī)輸岀軸轉(zhuǎn)速，單位 為 rpm ；根據(jù)（11）、（12）兩式可計(jì)算岀在給定轉(zhuǎn)差率時(shí)永磁耦 合器所能傳遞的總功率和相應(yīng)的扭矩。表2:不同轉(zhuǎn)速差下，永磁耦合器的扭矩和功率（B =1.18T）（單邊）轉(zhuǎn)速差1020304050(rpm)扭矩（Nm)492.6985.21477.71970.22462.8功率（kW）76.06141.1225.1298.1370.1轉(zhuǎn)速差6080100200300(rpm)扭矩（Nm)2955.23940.34926985214777功率(kW)440.9579.1714.31325.4準(zhǔn)備配備的電機(jī)型號(hào)為：Y

14、BSS 855 4 -4142SJ ;功率為855kW ;其額定轉(zhuǎn)速為 1485rpm，額定轉(zhuǎn)矩為 5498N.m。從表2可以看出：欲使永磁耦合器傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩達(dá)到和 接近電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 5498N.m，由于磁力耦合器為雙圓盤 結(jié)構(gòu)，磁力耦合器的轉(zhuǎn)速差將達(dá)到60rpm左右；從表1可知，此時(shí)永磁耦合器的發(fā)熱量（也就是功率損耗）計(jì)算值 為18.57kW，占電機(jī)輸岀功率的4.04%，這在一般情況下是可以接受的；但是，如果希望永磁耦合器輸岀的力矩為 額定值的兩倍左右，則由表2可以看岀，此時(shí)永磁耦合器的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差將達(dá)到 100rpm左右，相 應(yīng)的由表1可知其此時(shí)永磁耦合器的發(fā)熱量計(jì)算值為 5

15、1.57kW，占電機(jī)輸岀功率的 6.73%，這個(gè)數(shù)值在通常情 況下是不能被接受的，但作為事故處理（刮板輸送機(jī)因載 荷突然增加所導(dǎo)致的堵死現(xiàn)象）的短時(shí)運(yùn)行，也是可以接 受的。不過(guò)還要注意一點(diǎn)，此時(shí)永磁耦合器傳遞的功率已 達(dá)2X 714.3kW，也就是說(shuō)根據(jù)能量守恒定律，選定 855kw異步電動(dòng)機(jī)不可能帶動(dòng)永磁耦合器達(dá)到這個(gè)狀態(tài)。V.結(jié)論與展望根據(jù)上述分析，考慮應(yīng)用永磁耦合器代替原刮板輸送 機(jī)的液力耦合器，希望實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的低速大扭矩啟 動(dòng)，要求啟動(dòng)扭矩為電機(jī)額定扭矩的23倍。在現(xiàn)有條件下，存在相當(dāng)?shù)睦щy，可能難于實(shí)現(xiàn)。主要原因是單個(gè)永 磁耦合器的調(diào)速范圍相當(dāng)有限。當(dāng)然，采取一定的技術(shù)措 施，比

16、如串聯(lián)2級(jí)甚至多級(jí)永磁耦合器來(lái)縮小單個(gè)永磁耦 合器的調(diào)速范圍也是可能達(dá)成目標(biāo)的。同時(shí)，采用永磁耦合器作為刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)和減速 器之間的連接部件，并利用永磁耦合器作為調(diào)速部件，企 圖在刮板輸送機(jī)悶車后實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，或者依靠永磁耦合器的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，避免刮板輸送機(jī)的悶車現(xiàn)象發(fā)生。 應(yīng)該說(shuō)這是一個(gè)很好的創(chuàng)新想法，值得嘗試。但是，在刮 板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)和減速器之間安裝永磁耦合器實(shí)際上構(gòu)成 了一個(gè)全新的拖動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于這樣一個(gè)全新的拖動(dòng)系統(tǒng)具 有什么特殊的性質(zhì)？是否能夠滿足上述要求？或者需要采 取什么具體的措施才能滿足上述要求，必須將這個(gè)全新的 拖動(dòng)系統(tǒng)作為整體來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，否則盲目的實(shí)驗(yàn)至 少會(huì)走

17、不少?gòu)澛?，甚至?dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗。因此，如果 現(xiàn)場(chǎng)有這樣的需求，對(duì)這個(gè)全新的拖動(dòng)系統(tǒng)作為整體來(lái)進(jìn) 行系統(tǒng)的分析是必須進(jìn)行的工作。另外，我們的分析也相當(dāng)粗造，還有待進(jìn)一步的細(xì) 化，更需要試驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)。references1 E.J. Davies, An Experimental and Theoretical Study of EddyCurrent Couplings and Brakes. IEEE Trans. on PAS, PAS-67, 1963.2 Thomas W. Nehl & Bruno Lequesne. Nonlinear Two-Dimensional Finite Element Modeling of Permanent Magnet Eddy Current Couplings and Brakes. USA: General Motors Corporation, 1994.3 Kezhong Zhao,