基于風(fēng)機(jī)調(diào)速的永磁調(diào)速器的設(shè)計

摘要：永磁調(diào)速器（Adjustable Permanent Magnetic Coupler， APMC）相比傳統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)，具有維護(hù)方便、容忍對中誤差、減小振動傳遞、避免產(chǎn)生電力諧波污染以及電磁干擾等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成功應(yīng)用于電力、石油化工等行業(yè)中。本文對永磁調(diào)速器的工作原理、磁路結(jié)構(gòu)以及磁力傳遞轉(zhuǎn)矩的原理進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，這些研究工作對永磁調(diào)速器的產(chǎn)品化有著重要意義。

關(guān)鍵詞：永磁調(diào)速器；磁路設(shè)計；磁路結(jié)構(gòu)

永磁調(diào)速器的工作原理

永磁調(diào)速器的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子可以自由的獨立旋轉(zhuǎn)；當(dāng)電機(jī)帶動導(dǎo)體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)體盤切割永磁轉(zhuǎn)子中永磁體的磁力線，在導(dǎo)體表面產(chǎn)生渦流，進(jìn)而形成了感應(yīng)磁場；根據(jù)異性相吸、同性相斥的原理，相鄰感應(yīng)磁場對永磁體產(chǎn)生耦合力，即相鄰感應(yīng)磁場對永磁體的吸力與斥力；這兩種力在旋轉(zhuǎn)方向相疊加，從而帶動永磁轉(zhuǎn)子沿著與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子相同的方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果在負(fù)載側(cè)輸出軸上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而帶動負(fù)載做旋轉(zhuǎn)運動。

氣隙調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙，控制傳遞的轉(zhuǎn)矩，從而獲得可調(diào)整的、可控制的、可重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)負(fù)載速度調(diào)節(jié)；氣隙調(diào)節(jié)裝置除了能夠?qū)崿F(xiàn)基本的手動控制外，還能實現(xiàn)閉環(huán)電氣控制，該裝置的手輪可以與步進(jìn)/伺服電機(jī)相連，工控裝置通過控制步進(jìn)/伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動手輪調(diào)節(jié)氣隙，從而控制永磁調(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，達(dá)到負(fù)載調(diào)速的目的。

永磁調(diào)速器的磁路設(shè)計

永磁調(diào)速器作為一種變功率調(diào)速設(shè)備，可根據(jù)負(fù)載需求手動/電氣控制輸出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)真正的綠色節(jié)能，是節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域中的重大技術(shù)創(chuàng)新。但是由于永磁材料的價格昂貴，使永磁調(diào)速器在使用方面受到了一定的限制，因此在永磁調(diào)速器的設(shè)計中，對磁力傳動部分的磁路設(shè)計，進(jìn)行認(rèn)真的研究分析，制造出性能好、成本低，適用于各種不同工作條件下的永磁調(diào)速器是十分重要的。永磁調(diào)速器的磁路部分是指由導(dǎo)電體、工作氣隙、永磁體以及軟磁體等所組成的部件。由于磁路的設(shè)計任務(wù)和要求在于建立保證工作氣隙中具有設(shè)計確定的磁場強(qiáng)度，即保證設(shè)備工作時所需要的磁力或磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到要求的前提下，力求得到一個具有最高的磁穩(wěn)定性和最小磁路體積的永磁調(diào)速器。因此選擇最佳的磁路形式、配置性能優(yōu)越的永磁材料，確定最佳的磁路尺寸和具有良好的結(jié)構(gòu)性能及滿足一定機(jī)械強(qiáng)度要求的材料選擇和結(jié)構(gòu)件，就成為永磁調(diào)速器磁路設(shè)計中應(yīng)當(dāng)考慮的重要問題。

永磁調(diào)速器磁路結(jié)構(gòu)配置時應(yīng)考慮如下問題：

（1） 保證氣隙中按設(shè)計要求所給出的磁力及磁轉(zhuǎn)矩，提供一個最佳的磁場強(qiáng)度；

（2） 耦合運動磁場的穩(wěn)定性好，磁路體積?。?/p>

（3） 選定良好的材質(zhì)和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

進(jìn)行磁路結(jié)構(gòu)方式的最佳配置，選擇最理想的磁路形貌，通過永磁體之間的規(guī)律性排列組成一個磁通量近于密閉的磁路，營造出磁路中能夠滿足設(shè)計要求的耦合運動磁場，是永磁調(diào)速器設(shè)計中一個極為重要的環(huán)節(jié)。

風(fēng)機(jī)或泵類負(fù)載中永磁調(diào)速器的應(yīng)用

通常風(fēng)機(jī)或水泵在啟動過程中，加速度很大，造成流量或壓力沖擊。電機(jī)在合閘瞬間，啟動電流超出額定工作電流的十幾倍甚至幾十倍，使得變壓器、配電設(shè)備短期嚴(yán)重過載，造成電壓跌落甚至啟動失敗，嚴(yán)重時還可能燒毀電機(jī)。由于啟動過程扭矩變化大，使得電機(jī)和風(fēng)機(jī)或水泵的軸承及油封承受很大的徑向和軸向沖擊，增加了軸承和油封的磨損，使維修頻度增加，維護(hù)成本提高。

永磁調(diào)速器可以實現(xiàn)軟啟動，即在初始位置時調(diào)速器兩端氣隙處在最大狀態(tài)，電機(jī)啟動后，與電機(jī)連接的導(dǎo)體盤很快達(dá)到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，這樣導(dǎo)體盤與永磁體之間有相對的速度差，逐漸減小兩者之間的間隙，產(chǎn)生的磁感應(yīng)力將帶動永磁體轉(zhuǎn)動。隨著間隙減小，與負(fù)載連接的永磁體轉(zhuǎn)動速度逐漸加快，傳遞的扭矩逐漸增大，直至等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)定速轉(zhuǎn)動。此外，永磁調(diào)速器還可以在一定范圍內(nèi)通過調(diào)整導(dǎo)體與永磁體之間氣隙的距離，實現(xiàn)調(diào)速功能。

永磁調(diào)速器在全速運行時傳遞效率可達(dá)98%左右。與其它調(diào)速節(jié)能技術(shù)相比，輸出轉(zhuǎn)速為輸入轉(zhuǎn)速的80%以上時，永磁調(diào)速器的傳遞效率最高，小于80%時，僅次于變頻器。但它有很多性能優(yōu)于變頻器，與變頻調(diào)速相比，永磁調(diào)速器調(diào)速依靠磁場，使電機(jī)與負(fù)載完全隔離，隔絕沖擊和振動的效果好。另外，變頻設(shè)備易產(chǎn)生諧波，對環(huán)境要求高，故障率高，維護(hù)費用高，而永磁調(diào)速器調(diào)速過程不會造成電流諧波和電磁干擾，其功率因數(shù)取決于電機(jī)本身，無需高成本的有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，很容易達(dá)到電網(wǎng)功率因數(shù)的要求，其他的優(yōu)點還有設(shè)備壽命延長、維修率下降、運行負(fù)擔(dān)的減少、可在嚴(yán)酷條件下運行等等。

參考文獻(xiàn)：

1. Bergqvist A， Engdahl G. Magnetic drive pumps for the chemical industry [J]， World Pumps， 2005， 43（7）： 162-167.

2. Peng Ying， RuanJiangjun， Zhang Yu and Gan Yan. A composite grid method for moving conductor eddy-current problem [J]， IEEE Transactions on Magnetics， 2007， 43（7）：3259-3265.

3. 周硯江，潘科榮，陳軍. 電磁懸浮式微驅(qū)動器的有限元分析研究[J]，儀器儀表學(xué)報，2009，30 （9）： 1935-1939.

作者介紹：

盛肖煒（1987.09--），男，漢族，江蘇無錫人，碩士，講師，研究方向：電力電子與電力傳動endprint