永磁傳動(dòng)技術(shù)對(duì)比分析及同步偶合器磁場設(shè)計(jì)

劉金偉，李冬冬，張 斌

（微山金源煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引 言

我國作為當(dāng)今世界煤礦需求大國，煤礦能源在我國能源使用中占據(jù)近三分之二比例，煤礦能源的開發(fā)也成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一條重要因素。煤機(jī)裝備是煤炭行業(yè)發(fā)展的重要支撐，在采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等生產(chǎn)過程中發(fā)揮重要作用[1]。其中，刮板機(jī)、皮帶機(jī)等恒扭矩負(fù)載廣泛應(yīng)用于煤礦開采及運(yùn)輸領(lǐng)域，其可靠性對(duì)煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要[2]。而恒扭矩設(shè)備運(yùn)行過程中，直起直停會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生重載沖擊，易引發(fā)電機(jī)及設(shè)備故障，停產(chǎn)維修，造成經(jīng)濟(jì)損失[3]。同時(shí)，隨著煤炭需求量的增大，皮帶機(jī)等恒扭矩設(shè)備不斷向大功率發(fā)展，多機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用日漸增加。多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)由于運(yùn)量及安裝位置不同，易出現(xiàn)電機(jī)功率不平衡問題，導(dǎo)致皮帶張緊程度不均，造成皮帶及滾筒磨損或電機(jī)過載損壞。

永磁偶合器采用非接觸式磁力傳動(dòng)，無諧波干擾，不產(chǎn)生電應(yīng)力，不損害電機(jī)軸承；且為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無需介質(zhì)，傳動(dòng)效率高，運(yùn)行十分可靠。通過調(diào)節(jié)永磁體與銅盤氣隙精確控制轉(zhuǎn)速及扭矩，不僅可以保證恒扭矩負(fù)載軟啟動(dòng)及多機(jī)功率平衡，緩解煤機(jī)裝備直起直停對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的重載沖擊，克服長距離運(yùn)輸電機(jī)出力不均、互為負(fù)載的難題，避免電機(jī)斷軸、滾筒磨損、皮帶斷裂等問題，保障煤機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行。

1 永磁偶合器類型及優(yōu)勢對(duì)比

礦用永磁傳動(dòng)裝置是一種新型傳動(dòng)系統(tǒng)，以磁場為媒介，采用非接觸式機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)到工作機(jī)的功率傳遞。通過調(diào)節(jié)永磁體之間氣隙可以精確調(diào)節(jié)負(fù)載速度以實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。該產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定、無干擾、免維護(hù)、適應(yīng)惡劣的煤礦生產(chǎn)環(huán)境。目前，礦用永磁傳動(dòng)裝置根據(jù)原理主要分為同步型和異步型，其中異步型又分為限矩型和調(diào)速型。

1.1 同步型永磁偶合器

圖1 為同步型永磁偶合器結(jié)構(gòu)示意圖，偶合器結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，主動(dòng)盤與被動(dòng)盤皆為永磁體盤，兩盤永磁體的磁場在氣隙中偶合器，把磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞。傳動(dòng)模型如圖2 所示，當(dāng)主動(dòng)極以速度v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)磁極（主動(dòng)盤上的永磁體）與從動(dòng)磁極（從動(dòng)盤上的永磁體）產(chǎn)生的作用力P1 和P2 在運(yùn)動(dòng)方向上的分量是相疊加的，而垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的分量則方向相反基本抵消。因此從動(dòng)磁極在平行于運(yùn)動(dòng)方向的力的分量作用下，隨主動(dòng)磁極以同樣的速度v 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。

同步型永磁偶合器的優(yōu)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)盤與從動(dòng)盤同步旋轉(zhuǎn)，無轉(zhuǎn)差，當(dāng)主動(dòng)盤與被動(dòng)盤氣隙增加時(shí)也能保持轉(zhuǎn)速不變，只有在主動(dòng)盤與被動(dòng)盤增加到一定氣隙時(shí)，被動(dòng)盤被脫開，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。由于同步性較好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速不隨兩盤間距的變化而變化，只要在有效范圍內(nèi)，都可順利啟動(dòng)。煤礦大型皮帶機(jī)大部分采用的是同步型永磁偶合器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與負(fù)載端的同步運(yùn)行，避免丟轉(zhuǎn)，同時(shí)通過磁力軟連接克服了聯(lián)軸節(jié)等硬連接造成的對(duì)中難、振動(dòng)大等問題，運(yùn)行效果良好。

圖1 同步型永磁偶合器結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳動(dòng)基本模型

1.2 限矩型永磁偶合器

圖3 限矩型磁力偶合器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 所示是礦用限矩型永磁偶合器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過聯(lián)軸器與磁力偶合器連接，驅(qū)動(dòng)銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，銅環(huán)切割永磁體磁力線產(chǎn)生感應(yīng)渦流，形成渦流磁場與永磁體磁場相互作用生成轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)永磁體盤旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電機(jī)到工作機(jī)的功率傳遞。礦用限矩型磁力偶合器不具有調(diào)速功能，可以通過滑差來自適應(yīng)負(fù)載變化，具有傳動(dòng)效率高且免維護(hù)的優(yōu)勢。

其運(yùn)行優(yōu)勢主要包括以下幾方面：

1）啟動(dòng)特性：限矩型磁力偶合器可以實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)，電機(jī)不必克服負(fù)載慣性，將電機(jī)帶載啟動(dòng)電流降為空載啟動(dòng)電流，因此大大減小了峰值電流，縮短峰值電流浪涌持續(xù)時(shí)間，可以節(jié)約能源，減少設(shè)備磨損。

2）均衡負(fù)載：煤礦機(jī)械在實(shí)際生產(chǎn)過程中大多采用多機(jī)聯(lián)動(dòng)作業(yè)，由于各電機(jī)在安裝和實(shí)際生產(chǎn)中的具體情況不同，會(huì)出現(xiàn)各個(gè)電機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載出現(xiàn)差異，這需要傳動(dòng)系統(tǒng)均衡負(fù)載，使電機(jī)達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，傳動(dòng)效率最高。礦用限矩型磁力偶合器可依靠滑差來自適應(yīng)負(fù)載，達(dá)到均衡負(fù)載目的。

3）過載保護(hù)：當(dāng)負(fù)載端出現(xiàn)過載時(shí)，磁力偶合器滑差增大，兩個(gè)永磁體盤迅速脫開，永磁體盤和銅盤之間氣隙達(dá)到最大，確保過載情況下電機(jī)可以正常運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載端恢復(fù)正常時(shí)，滑差逐漸減小，兩個(gè)永磁體盤在離心體作用下被推開，自適應(yīng)負(fù)載后電機(jī)正常運(yùn)行。

1.3 調(diào)速型永磁偶合器

圖4 調(diào)速型永磁偶合器

如圖4 所示，調(diào)速型永磁偶合器主要由鋼盤、導(dǎo)磁體、永磁體、散熱片、外殼、調(diào)速機(jī)構(gòu)及輸入輸出軸等組成。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)磁體切割氣隙間的磁力線，形成渦流。導(dǎo)磁體渦流使導(dǎo)磁體在磁場中受洛倫茲力作用，根據(jù)牛頓作用力與反作用力關(guān)系，大小相等、方向相反的力會(huì)作用在磁體盤上，使磁體盤按照一定的轉(zhuǎn)速跟隨導(dǎo)磁體旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)磁體和永磁體盤分別與電機(jī)和工作機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)和工作機(jī)的軟啟動(dòng)[4]。電動(dòng)執(zhí)行器根據(jù)控制器指令調(diào)節(jié)氣隙大小，改變磁感線切割頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的無級(jí)調(diào)速。由于調(diào)速型永磁偶合器可以實(shí)現(xiàn)高精實(shí)時(shí)調(diào)速，除了具有限矩型偶合器過載保護(hù)等功能，更具有軟啟動(dòng)及多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡功能。

軟啟動(dòng)功能：磁力偶合器功率特性曲線復(fù)雜，其轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速曲線是輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差先增大后逐步減小，匹配轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化的煤礦恒扭矩負(fù)載時(shí)會(huì)與其產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn)，導(dǎo)致負(fù)載在起動(dòng)后升速加速，啟動(dòng)速度急劇上升，難以保證負(fù)載平滑啟動(dòng)，軟啟動(dòng)控制困難。針對(duì)該情況，建立了磁場數(shù)學(xué)模型，采用模型參考自適應(yīng)法（MRAS）作為軟啟動(dòng)控制策略[5]，不再關(guān)注于參數(shù)本身的整定，而是調(diào)節(jié)可調(diào)模型使響應(yīng)誤差與參考模型的響應(yīng)誤差足夠接近，進(jìn)而可調(diào)模型的輸出就是實(shí)際輸出值。參考模型根據(jù)不同負(fù)載的特性設(shè)置理想狀態(tài)下的軟啟動(dòng)S 型曲線方程，自適應(yīng)模塊通過仿真偶合器磁場特性擬合得到的轉(zhuǎn)差- 氣隙- 轉(zhuǎn)矩特性曲面方程組實(shí)現(xiàn)，可調(diào)模型則在基本軟啟動(dòng)方法的基礎(chǔ)上，通過偶合器氣隙建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，梳理出傳遞函數(shù)。三者配合，通過調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)的適應(yīng)S 型曲線的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)于工況變化的自適應(yīng)目的，最終保證啟動(dòng)加速度≤0.15m/s2

多機(jī)功率平衡功能：由于偶合器自身特性曲線的高度非線性特征，使其在調(diào)速控制時(shí)常常由于微小的輸入導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)速劇烈變化，影響多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的控制精度，難以實(shí)現(xiàn)功率平衡。針對(duì)該問題，采用模糊自適應(yīng)整定PID 控制策略[6]，采集啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行后期多機(jī)電流的平均值作為基準(zhǔn)電流，通過建立模糊判定表找到PID 參數(shù)與本機(jī)電流和基準(zhǔn)電流的誤差及其誤差變化之間的模糊關(guān)系，進(jìn)而確立模糊方程組。當(dāng)由于參數(shù)不同、機(jī)械安裝或負(fù)載發(fā)生變化引起不平衡度較大時(shí)，通過方程可以迅速確立新的PID 參數(shù)，完成模糊計(jì)算部分。將本機(jī)電流作為輸入?yún)?shù)，通過模糊計(jì)算單元執(zhí)行PID 閉環(huán)控制，從而計(jì)算出氣隙大小，執(zhí)行各套設(shè)備各自的氣隙調(diào)節(jié)，完成第一次功率平衡調(diào)節(jié)。每次功率平衡調(diào)節(jié)后重新進(jìn)行不平衡度判斷和模糊計(jì)算，直到不平衡度≤3%。同時(shí)，搭建了半物理仿真平臺(tái)，進(jìn)行控制策略驗(yàn)證[7]。

2 同步型永磁偶合器磁場設(shè)計(jì)

2.1 磁場仿真結(jié)果及分析

本臺(tái)磁力偶合器采用凸形磁鋼，磁鋼上沿為24mm，下沿21mm，充磁方向長度為25mm，外套安裝盤及內(nèi)套安裝盤半徑如圖所示，厚度分別為8mm 及26mm。磁鋼尺寸如圖5 所示排布，在圓周方向20 塊均布：

圖5 磁鋼布置示意圖

2.2 磁場仿真結(jié)果及分析

由于本臺(tái)磁力偶合器為同步式，正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)外套之間相對(duì)轉(zhuǎn)速為0，所以無渦流損耗出現(xiàn)，即沒有溫升，磁力偶合器一直保持室溫運(yùn)行。

同步式磁力偶合器的傳遞轉(zhuǎn)矩可以用式 （1）來表示：

式中：T 為磁力偶合器的傳遞轉(zhuǎn)矩；Tmax為磁力偶合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩；p 為磁力偶合器的級(jí)對(duì)數(shù)；θ 為磁力偶合器內(nèi)外套中軸線之間的夾角。

由于在圓周方向上磁鋼20 塊均布，磁力偶合器的級(jí)對(duì)數(shù)為10。當(dāng)θ=9°時(shí)，磁力偶合器可以傳遞最大轉(zhuǎn)矩，為2600N.m。

本臺(tái)磁力聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩為：

當(dāng)磁力偶合器額定運(yùn)行時(shí)，傳遞功率為185kW，磁力偶合器轉(zhuǎn)速為1485r/min，則此時(shí)磁力偶合器內(nèi)外套的夾角為2.724°。

當(dāng)磁力偶合器輸出端卡死時(shí)，磁力偶合器的傳遞轉(zhuǎn)矩將一直按照公式（1）變化，引起電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也隨之變化，電機(jī)在半個(gè)周期內(nèi)電動(dòng)運(yùn)行，另半個(gè)周期會(huì)發(fā)電運(yùn)行。

圖6 損耗曲線及傳遞轉(zhuǎn)矩曲線

當(dāng)磁力偶合器輸出端卡死時(shí)，磁力偶合器的損耗約為40kW，使用ANSYS Workbench 進(jìn)行聯(lián)合仿真后，按照經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置散熱系數(shù)后，磁力偶合器磁鋼的溫度最高達(dá)到了114℃，選用牌號(hào)為N45SH 的磁鋼不會(huì)有較大的損失，且當(dāng)溫度上升時(shí)，磁鋼的性能出現(xiàn)下降，使磁力偶合器的最大傳遞能力出現(xiàn)下降，同時(shí)減少了渦流的損耗，降低磁鋼的溫升。本次進(jìn)行的磁力偶合器額定傳遞功率滿足設(shè)計(jì)需求，過載系數(shù)在2.0 以上。

圖7 外磁鋼溫度分布及內(nèi)磁鋼溫度分布

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)比現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)及不同類型永磁偶合器性能，得到以下結(jié)論：

1）磁力偶合器相較于液力耦合器、變頻器等調(diào)速設(shè)備具有可靠性高、免維護(hù)、無干擾等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于煤礦煤機(jī)裝備調(diào)速系統(tǒng)。

2）同步型、限矩型、調(diào)速型永磁偶合器有各自優(yōu)勢，適用于工況需求不同場合。同步型無轉(zhuǎn)差，不丟轉(zhuǎn)，同步性能好；限矩型過載保護(hù)功能強(qiáng)大，且可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)空載啟動(dòng)；調(diào)速型以其高精實(shí)時(shí)調(diào)速優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)及多機(jī)功率平衡，尤其適用于皮帶機(jī)、刮板機(jī)等恒扭矩負(fù)載調(diào)速。

3） 針對(duì)煤礦采用的同步型永磁偶合器進(jìn)行了磁場設(shè)計(jì)，傳遞功率滿足要求，過載系數(shù)大于2.0。

4） 永磁偶合器不僅能夠確保恒扭矩負(fù)載軟啟動(dòng)及功率平衡控制，而且可以實(shí)現(xiàn)礦用風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能調(diào)速，具有廣闊的應(yīng)用前景。