帶式輸送系統(tǒng)中永磁同步耦合器的應用探析

陳思遠

（同煤國電同忻煤礦有限公司， 山西 大同 037003）

1 皮帶輸送機常見驅(qū)動與連接方式簡介

皮帶輸送機常見的驅(qū)動及連接形式主要為液力耦合傳動、永磁同步耦合及變頻啟動，詳見表1[1]。

目前，同煤集團中大部分礦井皮帶輸送機所采取的傳動形式均為液力耦合傳動，即將液力耦合器配置在減速機與電機之間。經(jīng)過大量的實踐可知，液力耦合器在實際應用的過程中存在較大的不足：一是自身體積及質(zhì)量較大。體積過大就必須準備足夠的安裝空間，這無法適用于安裝空間較缺乏的地方；質(zhì)量較大就會導致電機或減速機的軸承遇見較大的徑向荷載，極大影響了軸承的壽命，甚至會出現(xiàn)斷裂問題。二是在堵傳的時候起內(nèi)部的油溫及液壓將會極大提升，使其出現(xiàn)熔塞或熔化，液壓油以較高的速度噴出，對環(huán)境造成污染，對人員的人身造成威脅；如果堵傳的時候極易熔塞，則無法有效熔化，進而發(fā)生爆炸。三是無法完成1∶1 的同步傳動，同時運行的時候內(nèi)部液壓油的溫度會出現(xiàn)上升，因此其不具備較高的效率，對于功率較大的設備而言，這個損耗效率是無法忽略的。四是不具備較高的安裝效率，且必須準確對中，否則將會產(chǎn)生嚴重的振動，對設備的使用年限產(chǎn)生了較大的影響。五是當其發(fā)生故障需要檢查維修的時候，其拆卸過程較為繁瑣，需要運用專用的工裝，因此不具備較高的安裝及拆卸效率。

表1 各種工況與驅(qū)動方式下系統(tǒng)的運行情況表

在重載工況的背景下，皮帶輸送機必須克服傳動系統(tǒng)存在的慣性而穩(wěn)定啟動。因此，在啟動的時候不僅要降低輸送皮帶的破壞張力，而且要盡可能降低傳動系統(tǒng)自身所受到的啟動沖擊，盡可能延長各個核心部件的使用年限，同時還需要降低其對電機造成的熱沖擊，節(jié)能并延長電機的使用年限。

近些年來，永磁同步耦合傳動是一項關鍵的技術，可以將該系統(tǒng)啟動過程中產(chǎn)生的問題加以解決，同時它還具有較強的可靠性、安全性，也可以在惡劣工況下進行使用，同時安裝極為便捷等。根據(jù)該耦合器的構造（如下頁圖1 所示）、運行原理、安裝偏差對振動性能及傳遞扭矩的層面出發(fā)，對該耦合器在皮帶輸送機中的優(yōu)勢及適用性加以驗證。

2 永磁同步耦合器的基本結構與工作原理

圖1 永磁同步耦合器結構示意圖

該耦合器傳動是利用氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的變革性傳輸設備，促使電機端與傳統(tǒng)機械之間的鏈接成為無接觸的磁力連接。該耦合器的構成主要包含主動與從動兩個轉(zhuǎn)子，在兩個轉(zhuǎn)子上安裝相應的永磁磁鋼，并配置一定的氣隙。主動轉(zhuǎn)子與電機軸形成連接，從動轉(zhuǎn)子與減速機之間相互連接。

選擇筒式同步用詞耦合器為對象進行分析，詳細闡述它的運行原理。該耦合器內(nèi)外用磁體數(shù)目相一致的偶數(shù)片所構成，兩個鄰近磁體保持相反的徑向充磁方向，其沿著圓周的方向進行排列。處于靜止的狀態(tài)下，內(nèi)、外永磁轉(zhuǎn)子上所設置的S 極和N 極彼此吸引，并且相互對正，此時內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子并未受到轉(zhuǎn)矩的影響。當外永磁轉(zhuǎn)子隨著主動軸進行轉(zhuǎn)動的時候，開始之時由于受到相應的力矩影響，內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子依舊處于靜止狀態(tài)。此時，與內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子相比，外永磁轉(zhuǎn)子則發(fā)生相應角度的偏移，其N 極對S 極起到了一個較好的推動效果，即兩個磁體之間產(chǎn)生的切向分離形成了一種磁轉(zhuǎn)矩。當該轉(zhuǎn)矩克服了負載及摩擦兩個力矩的時候，外永磁轉(zhuǎn)子就會推動內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子來進行轉(zhuǎn)動，這就是該耦合器的運行原理。

在啟動永磁同步耦合器的時候，主動轉(zhuǎn)子將會隨著電機的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，當主動與從動兩個轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彈性位移之后，負載軸也會隨著從動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，這樣一來，主動與從動兩個轉(zhuǎn)子之間將會存在相應的轉(zhuǎn)角差，即彈性位移角，該轉(zhuǎn)角差與傳遞轉(zhuǎn)矩曲線之間的關系詳見圖2。在這種耦合器啟動的時候，由于主動與從動兩個轉(zhuǎn)子之間存在彈性位移角，因此在啟動皮帶輸送機的時候電網(wǎng)及設備所受到的沖擊將會降低。當其遇到?jīng)_擊載荷的時候，工作點由A轉(zhuǎn)移到B，彈性位移角也從θ1轉(zhuǎn)變?yōu)棣?，沖擊載荷也得到了極大緩解，自行復原至A點。因此，不管是處于啟動時期，還是碰到了沖擊載荷，該耦合器都將具備較強的彈性緩沖能力。

3 永磁同步耦合器的安裝誤差對傳遞轉(zhuǎn)矩特性及振動特性的影響

3.1 對傳遞轉(zhuǎn)矩特性的影響

圖2 永磁同步耦合器轉(zhuǎn)矩曲線

使用聯(lián)軸器進行連接的兩軸，由于制作和安裝的偏差、受到荷載之后的變形及溫度轉(zhuǎn)變等諸多因素的影響，常常無法確保對中的準確性，兩軸之間也會產(chǎn)生相應的偏斜和位移，如圖3 所示。因此，聯(lián)軸器不僅可以傳遞相應的轉(zhuǎn)矩，而且可以完善兩軸之間產(chǎn)生的偏移。

圖3 軸線的相對位移

永磁同步耦合器的安裝部位處于負載軸與驅(qū)動軸之間，在安裝這兩個軸的時候必定會產(chǎn)生相應的偏差，這個偏差主要包含了徑向、軸向及角度三種偏差。但是對于軸向與角度兩種偏差，該耦合器并不存在敏感性，其中軸向可允許竄動量處于3～5 mm，這是不被傳統(tǒng)耦合器所允許的。傳統(tǒng)耦合器對徑向安裝偏差有著較高的敏感性，在安裝的時候起徑向允許變化值為0.05～0.10 mm，否則將會產(chǎn)生較強的振動，因此在安裝的時候應當采取有效的手段來進行準確對中。安裝的時候，如果無法準確對中，則必定會產(chǎn)生強烈的振動，對電機或減速機的使用產(chǎn)生了極大影響，甚至會出現(xiàn)斷裂問題，對正常生產(chǎn)造成影響，其所針對的研究主要為徑向安裝偏差對耦合器傳遞力矩產(chǎn)生的影響，如圖4 所示。

選擇六級永磁同步耦合器為對象來分析徑向安裝偏差轉(zhuǎn)變條件下傳遞轉(zhuǎn)矩的性能規(guī)律，其徑向氣隙值是3.5 mm。分別針對徑向偏差δ 為0、1 mm、2 mm 和3 mm 的峰值轉(zhuǎn)矩值進行分析。為了將徑向偏差與傳遞轉(zhuǎn)矩之間的關系進行直觀表示，采取折線圖來進行反映，詳見下頁圖5。

圖4 不同徑向安裝誤差下永磁同步耦合器截面示意圖

圖5 徑向安裝誤差值對所傳遞轉(zhuǎn)矩變化折線圖

通過上圖可知，處于準確對中的狀況下，永磁同步耦合器所傳遞的峰值扭矩值為200 N·m，隨著徑向?qū)χ衅畹牟粩嘣黾?，其所傳遞的轉(zhuǎn)矩值會呈現(xiàn)出先增加后降低，其中當偏差為2 mm 的時候，其轉(zhuǎn)矩的最大值為212 N·m，要比設計值高6%。當偏差為3 mm 的時候，該耦合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩值最小為194 N·m，要比設計值小3%。這是由于隨著徑向安裝偏差的不斷增加及氣隙減小，其一側(cè)的磁密持續(xù)增加，另一側(cè)的氣隙磁密將會呈現(xiàn)出不明顯的降低，因此傳遞扭矩值則不斷增加；但是當徑向安裝存在較大的偏差時，盡管氣隙會降低，但是一側(cè)的磁密呈現(xiàn)出大幅降低，另一側(cè)的磁密較大，甚至會出現(xiàn)飽和，這就導致傳遞轉(zhuǎn)矩值不斷降低。通過以上的分析可知，徑向安裝偏差并不會對這種傳遞轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的影響，也充分顯示出了該耦合器的優(yōu)勢[2]。

3.2 對系統(tǒng)振動特性的影響

該耦合器的安裝部位處于減速機與電機之間，振動傳感器的安裝部位處于減速機或電動機的軸承端蓋部位，如圖6 所示。以一個160 kW、4 極三相異步電動機驅(qū)動為例子，對各個徑向安裝偏差下存在的振動速度值進行檢測，詳見表3。

通過對各個徑向安裝偏差背景下電動機輸出側(cè)軸承端蓋形成的振動速度進行分析檢測，其結果詳見表3，由此可知，該耦合器在各個徑向下產(chǎn)生的安裝誤差并不會振動產(chǎn)生較大的影響，其振動速度的最小值為2.01 mm/s，要比電動機的振動值小許多。

圖6 振動測量示意圖

表3 幾種安裝誤差情況下電動機的振動值情況表

4 結論

1）永磁同步耦合傳動則由于主動與從動兩個轉(zhuǎn)子之間存在較大的彈性位移角，因此其具備較強的抗沖擊性和啟動緩沖性。

2）對于永磁同步耦合器而言，徑向安裝產(chǎn)生的誤差對其不會產(chǎn)生較大的影響，其低于6%，同時對系統(tǒng)振動也不會產(chǎn)生較大的影響，這就說明永磁同步耦合器的安裝極為簡便，不需要準確對中，并且具備獨具特色的減震及降震性能。

3）依據(jù)傳遞的效率、節(jié)能、運行原理、過載保護等角度，對變頻啟動、永磁同步耦合傳動、液力耦合傳動這三種性能進行對比分析，其結果顯示永磁同步耦合傳動具有最佳的性能。

4）與液力耦合傳動相比，永磁同步耦合傳動具有較強的社會及經(jīng)濟效益。