礦用直驅(qū)系統(tǒng)用筒式同步型永磁耦合器特性研究

王 雷

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

永磁同步電機直驅(qū)系統(tǒng)通常采用電機與負載硬連接的方式運行[1-2]，尚無有效的機械保護設(shè)備，整套驅(qū)動系統(tǒng)的保護只能依賴變頻器提供的過流保護，一旦變頻器過流保護出現(xiàn)故障，保護動作不及時，電機將過載燒毀[3]。而同步型永磁傳動裝備輸入端和輸出端同步運行，對與運行轉(zhuǎn)速解耦，可實現(xiàn)直驅(qū)電機系統(tǒng)的無損傳遞，且在過載時打滑保護電機，避免電機過載，具有明顯優(yōu)勢[4]。

目前，同步型永磁傳動裝置目前多用于水下機器人解決動密封問題。薛力銘[5]等人將屏蔽技術(shù)與永磁耦合技術(shù)相結(jié)合，形成屏蔽式永磁耦合器，構(gòu)建水下機器人動力靜密封傳輸裝置，實現(xiàn)水下機器人動力靜密封傳輸?shù)挠来篷詈蠈Σ叩目尚行?；于雅莉等人[6]采用解析方法對帶隔套同步型永磁耦合器進行了磁場相關(guān)計算，并基于三維仿真方法進行了橫向?qū)Ρ?，驗證解析計算準(zhǔn)確性，為后續(xù)水下推進器用磁力耦合器的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了堅實的理論依據(jù)。張鐸等人[7]分析了轉(zhuǎn)速和隔離套厚度對渦流損耗的影響，并對磁體厚度、長度等參數(shù)對轉(zhuǎn)矩傳遞性能影響規(guī)律進行了研究，為磁耦合推進器的設(shè)計提供了一定的借鑒意義。但是以上研究主要集中于水下機器人帶隔離套同步永磁耦合器，且設(shè)計方法多借鑒了電磁電機、磁力軸承、特種電磁機構(gòu)等，尚無針對于無隔離套、無損傳動的雙磁盤永磁傳動性能相關(guān)研究，缺少直驅(qū)電機系統(tǒng)傳動應(yīng)用的相關(guān)理論支持，還需開展進一步的深入細致研究。為此以1 臺185 kW 礦用筒式同步型永磁耦合器為研究對象，主要探究無隔離套情況下雙磁盤直接傳動情況下磁場傳遞扭矩、軸向力以及應(yīng)力分布、過載打滑熱損耗及溫升等不同關(guān)鍵特性，探索其應(yīng)用于煤礦直驅(qū)電機系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

1 同步型永磁耦合器結(jié)構(gòu)

筒式同步型永磁耦合器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，耦合器結(jié)構(gòu)對稱分布，主動盤與被動盤皆為永磁體盤，兩盤永磁體的磁場在氣隙中耦合，把磁能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)扭矩傳遞。

圖1 同步型耦合器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of synchronous couplers

同步型耦合器傳動模型如圖2，當(dāng)主動極以速度v 運動時，主動磁極（主動轉(zhuǎn)子上的永磁體）與從動磁極（從動轉(zhuǎn)子上的永磁體）產(chǎn)生的作用力P1和P2在運動方向上的分量是相疊加的，而垂直于運動方向上的分量則方向相反基本抵消。因此從動磁極在平行于運動方向的力的分量作用下，隨主動磁極以同樣的速度v 運動，實現(xiàn)了運動和力的傳遞。

圖2 同步型耦合器傳動基本模型Fig.2 Transmission basic model of synchronous couplers

筒式同步型永磁耦合器的優(yōu)點即可實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)子與從動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，無轉(zhuǎn)差，即使主動轉(zhuǎn)子與被動轉(zhuǎn)子氣隙增加也能保持轉(zhuǎn)速不變，只有當(dāng)主動轉(zhuǎn)子與被動轉(zhuǎn)子間的氣隙增加到一定程度后，2 個轉(zhuǎn)子間的傳遞轉(zhuǎn)矩不能滿足負載需求，從動轉(zhuǎn)子會立即停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)過載保護，但是過載保護時間不可過長，否則永磁體會有燒毀的風(fēng)險。由于筒式同步型永磁耦合器動態(tài)性能較好，啟動轉(zhuǎn)速不隨兩盤間距的變化而變化，只要負載在有效范圍內(nèi)，都可順利啟動，同時非接觸式傳動可解決安裝對中難題。

為保證筒式同步型永磁耦合器應(yīng)用于直驅(qū)電機系統(tǒng)情況下的扭矩傳遞性能，且受力均勻合理、過載溫升可控，過載保護特性合理，需要對同步型永磁耦合器的磁場、結(jié)構(gòu)力學(xué)及溫度場進行仿真計算，保障各物理場在許可范圍內(nèi)，以期實現(xiàn)可靠穩(wěn)定無損傳動功能。

2 磁場仿真

筒式同步型永磁耦合器多采用表貼式結(jié)構(gòu)，為防止轉(zhuǎn)子運行過程中永磁體與轉(zhuǎn)子脫離，需要采用不同方式對永磁體進行固定，常用的方法有螺栓固定、碳纖維護套固定等。本臺永磁耦合器采用凸形永磁體結(jié)構(gòu)，利用凸臺對永磁體進行保護。永磁體上沿為24 mm，下沿21 mm，充磁方向長度為25 mm，永磁體布置示意圖如圖3，外套安裝筒及內(nèi)套安裝筒厚度分別為8 mm 和26 mm。永磁體在圓周方向20 塊均布。

對于筒式同步式永磁耦合器，其運行過程中的傳遞轉(zhuǎn)矩可以用式（1）來表示：

式中：T 為永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩；Tmax為永磁耦合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩；p 為永磁耦合器的級對數(shù)；θ 為永磁耦合器內(nèi)外套中軸線之間的夾角。

圖3 永磁體布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of permanent magnet layout

在靜止?fàn)顟B(tài)下，同步型永磁耦合器之間的夾角為0°，兩轉(zhuǎn)子之間的作用力無切向分量。在運行過程中，θ 隨負載的變化而自適應(yīng)變化，即永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩隨負載變化。當(dāng)pθ=90°時，永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩達到最大值。對于研究的同步型永磁耦合器，在圓周方向上永磁體20 塊均布，永磁耦合器的級對數(shù)為10?？芍?dāng)θ=9°時，永磁耦合器可以傳遞最大轉(zhuǎn)矩。

設(shè)置內(nèi)外轉(zhuǎn)子對應(yīng)永磁體之間的夾角為9°，可以得到永磁耦合器的最大傳遞能力，永磁耦合器軸向長度為1 m 時的傳遞能力為為17.96 kN·m，當(dāng)永磁耦合器的軸向長度為150 mm 時，可以計算得到此時永磁耦合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩為2 690 N·m，滿足185 kW 永磁電機的過載需求。

永磁體輸出磁力線分布云圖如圖4，可以看出磁力線云圖與磁密云圖分布對應(yīng)程度高，且圓周分布規(guī)律明顯。外圈永磁體與對應(yīng)的內(nèi)圈永磁體組成1 個磁極，磁力線封閉于外圈鋼盤內(nèi)，紅色區(qū)域及藍色區(qū)域為磁力線密集區(qū)，即磁密大的區(qū)域，紅色與藍色代表磁力線方向不同。同時，永磁體凸起處磁力線密度大，這是由于為保證永磁體鑲嵌于鋼盤內(nèi)在離心力作用下避免甩出，專門做成滑槽型式卡住永磁體，而永磁體為安裝于槽內(nèi)多出的部分漏磁較多，故其磁密大、云圖顯現(xiàn)顏色較深。而磁力線較少的部分，在磁密中便為藍色顯示，表示磁密度低，磁力線分布及磁密分布合理。由于本臺筒式永磁耦合器為同步式，正常運行時內(nèi)外套之間相對轉(zhuǎn)速為0，所以無渦流損耗出現(xiàn)，即沒有溫升，永磁耦合器一直保持室溫運行。

3 安裝受力

圖4 永磁體磁力線分布云圖Fig.4 Cloud map of magnetic field line distribution

由于筒式同步型永磁耦合器結(jié)構(gòu)主體為永磁體與鋼套，安裝過程存在一定吸力，為確保安裝過程安全可靠，需要進行安裝過程中永磁體受力分析[8-9]。分別對內(nèi)磁套及外磁套安裝第1 塊永磁體、第2塊永磁體及最后1 塊永磁體時的受力進行了計算。安裝第1 塊永磁體時磁場矢量圖及磁密圖如圖5。安裝最后1 塊永磁體時磁場矢量圖及磁密圖如圖6。

圖5 第1 塊永磁體磁場矢量圖及磁密圖Fig.5 The first permanent magnet magnetic field vector diagram and magnetic density map

當(dāng)永磁耦合器內(nèi)磁套安裝第1 塊永磁體時，永磁體徑向吸力約為23 N，軸向吸力約為35 N。當(dāng)永磁耦合器內(nèi)磁套安裝第2 塊永磁體時，永磁體徑向吸力約為19 N，切向吸力約為11 N，軸向吸力約為44 N。當(dāng)永磁耦合器內(nèi)磁套安裝最后1 塊永磁體時，永磁體徑向吸力約為17 N，軸向吸力約為45 N。

當(dāng)永磁耦合器外磁套安裝第1 塊永磁體時，永磁體徑向吸力約為46 N，軸向吸力約為22 N。當(dāng)永磁耦合器外磁套安裝第2 塊永磁體時，永磁體徑向吸力約為41 N，切向吸力約為9 N，軸向吸力約為33 N。當(dāng)永磁耦合器外磁套安裝最后1 塊永磁體時，永磁體徑向吸力約為39 N，軸向吸力約為35 N。

圖6 最后1 塊永磁體磁場矢量圖及磁密圖Fig.6 Magnetic vector diagram and magnetic density diagram of the last permanent magnet

當(dāng)內(nèi)外磁套開始組裝時，2 個磁套之間的軸向力約為1 000 N，當(dāng)出現(xiàn)不對中達到1 mm 時，內(nèi)外磁套之間的徑向力為320 N，此時作用力較大，需要工裝進行固定安裝，以防出現(xiàn)安裝事故。內(nèi)外磁套組裝時磁場矢量圖及磁密圖如圖7。

綜合來看，永磁體安裝過程所需用力較小，可以正常安裝，而內(nèi)外磁套組裝時作用力較大，需要特定工裝進行安裝。

4 過載溫度

永磁耦合器應(yīng)用現(xiàn)場存在負載過大或卡死問題，此時永磁耦合器將出現(xiàn)高溫升，為避免溫升故障的發(fā)生發(fā)生，需對過載運行溫度進行計算[10-11]。當(dāng)永磁耦合器輸出端卡死時，永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩將一直按照式（1）變化，引起電機的輸出轉(zhuǎn)矩也隨之變化，電機在半個周期內(nèi)電動運行，另半個周期會發(fā)電運行。當(dāng)永磁耦合器輸出端卡死時，永磁耦合器的損耗約為40 kW，磁場損耗曲線如圖8。

使用ANSYS Workbench 進行聯(lián)合仿真后，按照經(jīng)驗公式設(shè)置散熱系數(shù)，永磁體溫度分布如圖9。

圖7 內(nèi)外磁套組裝時磁場矢量圖及磁密圖Fig.7 Magnetic field vector diagram and magnetic density diagram during assembling inner and outer magnetic sleeve

永磁耦合器永磁體的溫度最高為114 ℃，選用牌號為N45SH 的永磁體不會出現(xiàn)不可逆退磁，且當(dāng)溫度上升時，永磁體的性能出現(xiàn)下降，使永磁耦合器的最大傳遞能力出現(xiàn)下降，同時減少了渦流的損耗，降低永磁體的溫升。本次進行的永磁耦合器額定傳遞功率滿足設(shè)計需求，過載系數(shù)在2.0 以上，滿足過載運行需求。

5 結(jié) 語

1）針對185 kW 直驅(qū)電機系統(tǒng)，同步型永磁耦合器采用10 對級永磁體排布，在θ=9°情況下，磁場可實現(xiàn)2 600 N·m 扭矩傳動，滿足系統(tǒng)傳動需求，且磁場分布及磁密分布合理。

2）對筒式同步型耦合器安裝過程進行了磁場及受力分析，永磁體安裝所需用力在許可范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)安全可靠安裝，而內(nèi)外磁套安裝時需要特定工裝。

圖9 永磁體溫度分布Fig.9 Temperature distribution of permanent magnet

3）對同步型耦合器進行過載溫度場分析，最高溫升114 ℃，此時高溫將降低永磁體磁性，耦合器傳動能力下降，有利于保護電機，同時可實現(xiàn)2.0 過載倍數(shù)，保證直驅(qū)系統(tǒng)電機順利啟動。