永磁耦合器在轉鼓碎漿機上的應用

黃萌潔

（廣州造紙股份有限公司，廣東廣州，511462）

眾所周知，轉鼓碎漿機是廢紙脫墨制漿生產線非常重要的設備，通過轉鼓回轉，將輸送機送進來的廢紙原料不斷剪切推動前進[1]。轉鼓碎漿機傳動系統(tǒng)一般由電動機、耦合器、減速機組成。轉鼓碎漿機運行過程溫和，可以使用相對較差的原料，生產出較高性能的漿料，多被布置在廢紙分揀或堆放場，生產環(huán)境惡劣；又因其自動化程度高，聯鎖條件多，不可避免地偶有發(fā)生各種聯鎖跳停情況，通常都會導致干濕廢紙在轉鼓底部堆積，該情況下再次啟動轉鼓碎漿機時，啟動電流將非常大，這對碎漿機的傳動系統(tǒng)是巨大的考驗。耦合器作為電動機與減速機的連接部件，其可靠性決定了轉鼓碎漿機運轉率。常見的耦合器為液力耦合器，隨著技術的進步，繼而出現了永磁耦合器[2]。

1 永磁耦合器與液力耦合器

1.1 工作原理

永磁耦合器安裝在電機與負載之間，通過脹套聯軸器與電機輸出軸及負載輸入軸連接。永磁耦合器主要由導體組件、永磁組件及法蘭脹套組成[3]，其結構示意圖如圖1所示。其中，導體組件包括導體轉子和導體筒，連接于電機側；永磁組件包括永磁轉子和永磁筒，連接于負載側，它們之間無剛性接觸。其工作原理為：電機啟動帶動導體組件運動，導體組件、永磁組件之間相對運動，導體組件切割磁力線，在導體中產生渦電流，渦電流進而產生反感磁場，與永磁體產生的磁場交互作用，實現二者之間的扭矩傳遞[4]。因此，電動機和負載之間雖無接觸式連接，但卻能傳遞扭矩。

圖1 永磁耦合器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of magnetic coupling

永磁耦合器安裝在電機和負載之間傳遞扭矩，通過調節(jié)導體轉子與永磁轉子之間的磁場耦合面積實現負載轉速變化。耦合面積越大，通過永磁耦合器傳遞的扭矩越大，負載轉速越高；耦合面積越小，通過永磁耦合器傳遞的扭矩越小，負載轉速越低，其示意圖如圖2所示。

圖2 力矩調節(jié)示意圖Fig.2 Diagram of torque adjustment

液力耦合器的泵輪和渦輪組成一個可使液體循環(huán)流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上，如圖3所示。其工作原理為：電動機帶動輸入軸旋轉時，液體被離心泵輪甩出。這種高速液體進入渦輪后即推動渦輪旋轉，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體返回泵輪，形成周而復始的流動。

圖3 液力耦合器結構示意圖Fig.3 Structural diagram of fluid coupling

1.2 特點分析

（1）傳遞效率

永磁耦合器采用氣隙傳遞扭矩，功率損耗主要包括轉差損耗和機械損耗，最高效率可達98%。液力耦合器的損耗主要有液力損耗、機械損耗和容積損耗，機械效率約為96%。永磁耦合器機械效率略高于液力耦合器，在機械效率方面可以替代液力耦合器。

（2）對環(huán)境和設備的影響

永磁耦合器對使用環(huán)境沒有特殊要求。電壓波動大，諧波含量高，易燃、易爆，潮濕、粉塵含量高，高溫、低溫等場所均可以使用；整個裝置無潤滑部件，不產生任何污染物[5]。永磁耦合器安裝時，通過脹套連接，無需改變原電機、減速機之間的距離；安裝后，對整個系統(tǒng)不產生電磁干擾。由于主動轉子和從動轉子非接觸連接，這樣減速機側的振動就不會傳遞到電機側，電機側的振動也不會傳到減速機側，大大降低了電動機和負載之間的安裝精度要求。

液力耦合器雖然也是非接觸連接，但沒有解決電動機和負載之間的安裝精度問題，需要很精確地對中，對中誤差需要小于0.05 mm，否則設備振動容易超差。此外，液壓油容易泄露，污染環(huán)境。

（3）日常維護

永磁耦合器采用脹套連接，安裝簡單，費時少；投入使用后，故障易診，維護工作量小；沒有易損件。液力耦合器的振動問題致使其負載與電機軸承磨損大，更換周期短；液壓油作為耗材，需周期更換；且其一般采用加熱安裝方式，裝拆難度大，更換耗時較長。

（4）使用壽命

根據可靠性理論，一個系統(tǒng)或設備所用元件越多，系統(tǒng)的可靠性就越低。因為系統(tǒng)中任何一個可靠性低的元件都會影響整個系統(tǒng)的可靠性，這類似于“木桶理論”，即系統(tǒng)的可靠性由系統(tǒng)中可靠性最低的元件決定。由此可知，系統(tǒng)或設備在實現相同功能的情況下，使用元件數量越少，每個元件的故障率越低，系統(tǒng)的可靠性就越高。永磁耦合器主要由2個部件組成，其中導體轉子和永磁轉子的故障率幾乎為0，而液力耦合器的元件數遠遠大于這個數，可靠性相對較低?，F階段液力耦合器使用壽命約為8年，永磁耦合器使用壽命約為20～30年[6]。

（5）成本

按現在采購價，永磁耦合器約為普通國產液力耦合器的5倍。

綜上所述，永磁耦合器較液力耦合器在使用環(huán)境、安裝精度、日常維護、使用壽命均具有優(yōu)勢，且機械效率可滿足液力耦合器機械效率高的要求，本文主要就永磁耦合器在轉鼓碎漿機上的應用進行進一步介紹。

2 永磁耦合器的在轉鼓碎漿機上的應用

2.1 項目背景

某公司廢紙制漿生產線轉鼓碎漿機原傳動連接方式是電機+液力耦合器+減速箱連接。由于液力耦合器設計的局限性，結合近年來轉鼓碎漿機的實際使用工況，多次跳停重開、連續(xù)的漿滿停機及增產等帶來功率變化，導致一年多的時間（2016 年2 月～2017 年7 月）內連續(xù)損壞3 套液力耦合器。該液力耦合器技術要求高，為國外進口產品，采購成本高，時間長。多次損壞不僅影響制漿生產線的連續(xù)運行，甚至造成了紙機生產線的計劃外停機。因此，液力耦合器的故障成為了制約正常生產的瓶頸，亟待解決。項目對比了永磁耦合器和液力耦合器各方面的特點，選擇采用永磁耦合器對其進行改造。

2.2 永磁耦合器的選型

永磁耦合器根據冷卻形式的不同分為：空冷型和液冷型2種；按照調速機構的配置分為：不帶調速裝置和帶調速裝置2種；按照永磁耦合器結構形式又分為：盤式結構型、單筒型和雙筒型。

該公司位于珠江出?？诟浇鞎r有海水倒灌引起的咸潮發(fā)生；需改造的轉鼓碎漿機位于廢紙分揀場內，現場環(huán)境灰塵大；原傳動系統(tǒng)配置的電機為1350 kW 普通高壓電機，無變頻裝置。轉鼓碎漿機設備參數如表1所示，要求其能夠應對超負荷啟動及頻繁啟動；此次改造因現場安裝環(huán)境及時間的限制，要求不改變原設備基礎，不改動原減速箱和電機的位置；選型時主要應從結構簡單、運行更加穩(wěn)定考慮。

表1 轉鼓碎漿機設備參數Table 1 Equipment parameters of drum pulper

（1）冷卻形式選擇

環(huán)境溫度是永磁耦合器非常重要的影響因素，永磁耦合器本身發(fā)熱量較大，若冷卻形式選擇不對，導致永磁耦合器長期在非常高溫的情況下運行，磁體有可能消磁，致使永磁耦合器無法正常驅動設備。因此，需充分考慮現場環(huán)境、永磁耦合器本身的發(fā)熱情況以及經濟性等因素。永磁耦合器有2種常見的冷卻方式，詳見表2，空冷型產品靠設備旋轉產生風流自然冷卻，液冷型產品需外接冷卻介質降溫冷卻；空冷型適合一般環(huán)境，但在某些惡劣環(huán)境下冷卻效果可能不足，液冷型因外接冷卻液及配套的控制裝置，可通過調節(jié)冷卻液流量、控制溫度等精確控制手段應付更加惡劣的環(huán)境；從產品大小及維護量來看，空冷型產品一般結構簡單、尺寸較小，維護方面只需定期吹塵；液冷型產品結構較復雜，尺寸相對較大，需單獨配置一套帶冷卻器、泵、控制系統(tǒng)等的冷卻裝置，設備元件多、故障點多，維護量大、成本高。此改造項目選擇空冷型永磁耦合器，一是此永磁耦合器應用的環(huán)境雖處于廢紙分揀場，但空氣流通情況好，空冷型冷卻能力可以滿足需求；液冷型雖然效果更好，但除了上述所說的成本更高的因素外，因公司所處地點偶有咸潮發(fā)生，水中含氯離子較高，如想保證外置冷卻系統(tǒng)不被氯腐蝕、正常運行，需選擇能抗氯腐蝕材質的熱交換器——鈦板熱交換器，這進一步加大了投資成本。

表2 空冷型、液冷型永磁耦合器對比Table 2 Comparison of air cooled and liquid cooled magnetic coupling

（2）調速機構配置的選擇

永磁耦合器通過調整嚙合尺寸可達到一定的調速效果，但配置調速機構的永磁耦合器能比較精確的控制速度，基本達到替代變頻裝置的目的。因此，應從主要需滿足的需求來選擇。此項目選擇不帶調速機構的永磁耦合器，一是電機為普通高壓電機，沒有配置變頻裝置；二是節(jié)電、調速不是主要需滿足的要求；三是后期可通過調整嚙合尺寸進行小幅度調速。

（3）結構形式的選擇

永磁耦合器的3 種結構形式如圖4 所示。從結構上看，盤式結構型的導體轉子由2個導體盤組成，結構復雜、磁場利用效率低。單筒型的導體轉子由1個導體筒（外筒）組成，只能利用永磁轉子一面的磁場進行扭矩傳遞，磁場利用效率低。雙筒型的導體轉子由2 個導體筒組成（內筒和外筒），在永磁轉子和導體轉子有效耦合時，導體轉子可以充分利用永磁轉子兩面的磁場進行扭矩的傳遞，磁場效率較高。在相同的負載扭矩輸出要求下，盤式結構型和單筒型永磁耦合器要想達到和雙筒型永磁耦合器相等的扭矩傳遞，只能通過如下方法來解決：①增大導體轉子和永磁轉子的直徑以增大磁場有效耦合面積，滿足負載扭矩的輸出；②增大導體轉子和永磁轉子的寬度以增大有效磁耦合面積，實現負載扭矩的輸出。從成本角度看，雙筒型最貴、盤式結構型最便宜、單筒型介于二者之間，如何選擇需根據實際的需求及目的來進行。此項目改造的目的是解決重載啟動的問題，為達到一樣的高扭矩輸出，盤式結構型最重、單筒型次之、雙筒型最輕。原液力耦合器為鋁合金材質，整體較輕；因此，從盡量減少電機、減速箱負載，解決重載啟動問題的角度，應選擇雙筒型永磁耦合器。

圖4 永磁耦合器的3種結構形式Fig.4 Three structures of magnetic couplings

綜上所述，該改造項目選擇空冷型不帶調速機構的雙筒型永磁耦合器。該永磁耦合器各項參數如表3所示，與碎漿機設備參數匹配，無需改動原有設備基礎，減速箱、電機均保持原有位置。

表3 永磁耦合器參數Table 3 Equipment parameters of magnetic coupling

2.3 永磁耦合器的安裝

（1）檢查安裝條件

檢查環(huán)境溫度，需符合工作溫度要求。按規(guī)定停止系統(tǒng)、斷電。拆下原有液力耦合器，檢查電機軸及減速箱軸徑向圓跳動和端面圓跳動，都需≤0.05 mm。檢查電機和負載的軸向竄動，滾珠軸承軸向竄動允許值需符合表4所示。撬動檢查，用撬棍沿徑向撬動電機軸，在電機軸上打表，電機本體保持不動，檢查電機軸跳動；同樣的方式檢查負載軸跳動，兩軸跳動應≤0.1 mm。如上述檢查不能滿足，需檢查原有電機和負載，排查產生跳動的原因，解決后安裝永磁耦合器。

表4 滾珠軸承軸向竄動允許值Table 4 Allowable value of axial movement of ball bearing

（2）安裝前檢查

確認負載與永磁耦合器旋轉方向一致。去除電機、負載軸上及鍵槽的黏粘物、毛刺、臟污，保持它們清潔干燥。測量電機、負載軸徑與永磁耦合器2脹套內徑，保證能夠順利安裝。檢查鍵尺寸，確保其能順利安裝。

（3）安裝導體轉子

松開脹緊套及電機軸套螺栓，然后移開，將脹緊套裝到電機軸套上，并一起裝到電機軸上，用工具敲擊軸套端面直到其符合圖紙要求。緊固脹緊套螺栓，初步脹緊，打表軸套外沿及軸套圓周測量跳動，如圖5 所示，不斷測量調整，保證其跳動≤0.1 mm。取導體轉子剩余部分安裝到電機軸套上，使電機軸套與主動盤緊密配合，然后緊固螺栓，螺栓建議使用螺紋緊固膠，最后緊固脹緊套螺栓。

圖5 電機軸套圓跳動測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of motor shaft sleeve circular runout measurement

（4）安裝永磁轉子

松開脹緊套及負載軸套螺栓，然后移開，將脹緊套裝到負載軸套上，并一起裝到負載軸上，用工具敲擊軸套端面直到其符合圖紙要求。緊固脹緊套螺栓，初步脹緊，打表軸套外沿及軸套圓周測量跳動，如圖6 所示，不斷測量調整，保證其跳動≤0.1 mm。取永磁轉子剩余部分安裝到負載軸套上，使負載軸套與從動盤緊密配合，然后緊固螺栓，螺栓建議使用螺紋緊固膠，最后緊固脹緊套螺栓。

圖6 負載軸套圓跳動測量示意圖Fig.6 Schematic diagram of motor shaft sleeve circular runout measurement

（5）組合導體轉子和永磁轉子

將電機連同導體轉子吊到電機基礎上，使導體轉子和永磁轉子盡量接近，吊裝過程為了防止碰撞或吸合，可把一木板提前置于2 個轉子之間，如圖7 所示。將木板移除，用電機調節(jié)螺桿調節(jié)電機位置，將導體轉子和永磁轉子耦合到圖紙要求尺寸，同時將2個轉子徑向上的間隙調整均勻，要求各處間隙偏差≤0.5 mm。調節(jié)過程中注意導體轉子和永磁轉子不要碰撞，調節(jié)好電機位置后，將電機鎖定。

圖7 電機吊裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of motor hoisting

（6）安裝防護罩

將防護罩罩在永磁耦合器上，調整防護罩位置，確保防護罩不會與2個轉子接觸，并盡量將內部各位置與其之間的距離調整至相對均勻，固定防護罩[7]。

2.4 永磁耦合器調試

檢查安裝好的永磁耦合器，保證各部分連接完好，防護罩沒有與永磁耦合器接觸。在電機及負載軸上粘貼反光紙，以備測速。清理現場雜物，將系統(tǒng)風門或閥門開到最大。人員撤離到安全位置。

按照設備啟動的正常流程啟動電機，運行平穩(wěn)后檢測電機、負載振動、轉速以及溫度，進行間歇性多組測量。

負載及電機振動值≤0.05 mm，導體轉子外側溫度≤130℃。發(fā)現異常及時停機檢查。

2.5 永磁耦合器維護和保養(yǎng)

每次啟動前都應做如下檢查：檢查防護罩是否有松動，是否接觸永磁耦合器；檢查設備周邊是否存在異物或易被吹起來的物品。

日常巡檢：檢測永磁耦合器外側溫度≤130℃，檢測電機、負載振動值≤0.05 mm，發(fā)生異常停機檢查。

設備保養(yǎng)：每半年將防護罩拆下用壓縮空氣吹掃內、外散熱片及防護罩上的灰塵；檢查各連接螺栓是否松動，包括脹緊套的螺栓；檢查轉子之間有無磨損痕跡，保證轉子間隙均勻。溫度過高容易導致磁體消磁，建議運行溫度盡量保持較低，每隔固定的時間測量磁體磁力，如有明顯下降，應將永磁耦合器拆下更換磁體。

2.6 改造后的效果

轉鼓碎漿機改造前后各主要參數對比如表5 所示。從表5可以看出，轉鼓碎漿機正常啟動電機有功功率從改造前的505.22 kW 降低至改造后的301.75 kW；轉鼓碎漿機跳停后負載啟動時電機有功功率從改造前的1860.13 kW 降低至改造后的1117.54 kW。轉鼓碎漿機減速箱振動測量速度值從改造前的5.8 mm/s降低至改造后的1.0 mm/s。在轉鼓碎漿機正常啟動時，負載啟動和減速箱振動值方面改造后比改造前明顯降低。

表5 改造前、后主要參數對比Table 5 Comparison of main parameters before and after transformation

2017 年10 月完成永磁耦合器改造后，至今該公司轉鼓碎漿機沒有再發(fā)生因傳動耦合器故障造成的故障停機，節(jié)約了頻發(fā)故障的液力耦合器的備品采購費用，避免了非計劃的故障停機造成的產量損失，既保證了生產的穩(wěn)定，又為企業(yè)創(chuàng)造了效益。

3 結語

永磁耦合器是一種結構簡單、安全可靠、維護量少的新傳動連接方式，在某公司廢紙制漿轉鼓碎漿機上的應用，表明它在電機軟啟動、過載保護、消除振動、重載啟動等方面有較好的表現，值得在一些需要解決此類問題的工況中繼續(xù)研究應用。