永磁渦流柔性傳動耦合器在米東熱電廠輸煤皮帶機上的應(yīng)用

張鋒　楊偉　孔令禹　宋飛

摘 要：國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)的輸煤皮帶機系統(tǒng)，其電機與負載之間多采用傳統(tǒng)的液力耦合器連接方式。對比分析了永磁耦合器與液力耦合器的區(qū)別，并根據(jù)磁場有限元分析和力學(xué)原理分析了永磁傳動原理和永磁耦合器代替液力耦合器的必要性。

關(guān)鍵詞：永磁傳動耦合器；輸煤皮帶機；液力耦合器；渦輪

中圖分類號：TH137.331 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0016-02

1 輸煤皮帶機系統(tǒng)概述

米東熱電廠的輸煤皮帶機系統(tǒng)，其電機與負載之間采用的是傳統(tǒng)的液力耦合器連接方式，存在安裝困難、檢修困難、傳動系統(tǒng)振動大、電機的啟動電流大、電機過載保護能力差、備品及備件用量大、使用成本高和油污污染大等缺點。設(shè)備在工頻啟動、運行、停止的過程中，如果無法對其進行及時、有效的調(diào)節(jié)，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的機械噪聲、機械沖擊和震動加劇等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都具有極大的破壞性，會引起粉塵污染、損壞固定件，并會增加進線變壓器的負荷狀況。

永磁調(diào)速技術(shù)是近年來國際上開發(fā)的一項突破性新技術(shù)，其中，磁力非接觸傳遞扭矩具有高效節(jié)能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、可極大減少整體系統(tǒng)振動、減少系統(tǒng)維護和延長系統(tǒng)使用壽命等特點。尤其是其不產(chǎn)生高次諧波，且在低速運行下不會造成電機發(fā)熱的優(yōu)良調(diào)速特性，更使其成為了電機設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的首選。

2 永磁渦流柔性傳動與液力耦合器的比較

2.1 工作原理上的區(qū)別

液力耦合器是一個內(nèi)含兩個環(huán)形輪片的密封機構(gòu)。驅(qū)動輪被稱為“泵輪”，被驅(qū)動輪被稱為“渦輪”，泵輪和渦輪都被稱為“工作輪”。在工作輪的環(huán)狀殼體中，徑向排列著許多葉片。泵輪和渦輪裝合后，形成環(huán)形空腔，內(nèi)部充有工作油液。泵輪通常在內(nèi)燃機或電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，帶動工作油液做比較復(fù)雜的向心力運動。高速流動的油液在力的作用下沖擊渦輪葉片，然后將動能傳給渦輪，使渦輪與泵輪同方向旋轉(zhuǎn)。油液從渦輪的葉片邊緣又流回到泵輪，行成循環(huán)回路，其流動路線如同一個首尾相連的環(huán)形螺旋線。

永磁傳動技術(shù)是透過氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的革命性傳動設(shè)備，電機與負載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無需機械連接，電機旋轉(zhuǎn)時帶動導(dǎo)體主動轉(zhuǎn)子在裝有強力稀土磁鐵的磁盤從動轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的強磁場中切割磁

力線，因而在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦電流。該渦電流會在導(dǎo)體主動轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場與永磁場之間磁性的相互吸合與排斥拉動從動轉(zhuǎn)子，從而實現(xiàn)了電機與負載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。

根據(jù)磁場有限元分析及力學(xué)原理分析永磁傳動原理。

接近時 平行時 永久磁線在磁盤上的排列

圖1 磁鐵棒N極與導(dǎo)體板的位置不同時所產(chǎn)生的效果

如圖1所示，當(dāng)磁鐵棒N極接近導(dǎo)體板時，導(dǎo)體上會產(chǎn)生一個N極磁場來抵抗磁棒N極接近，導(dǎo)體板上的磁場由逆時針方向的感應(yīng)電流（渦電流）產(chǎn)生，此現(xiàn)象被稱為“楞次定律”。同理，當(dāng)磁鐵棒N 極平行于導(dǎo)體方向板移動時，導(dǎo)體板上會產(chǎn)生抵抗磁鐵棒N極前進的磁場和兩個磁場方向相反的磁場，并在磁鐵棒N極前進的前方產(chǎn)生N極磁場，抵抗磁鐵棒前進，在磁鐵棒N極前進的后方產(chǎn)生S極磁場，抵抗磁鐵棒前進，而且磁鐵棒越靠近導(dǎo)體板，導(dǎo)體板上抵抗磁鐵棒相對運動的力量就越大。

如圖2所示，當(dāng)永磁體相對

導(dǎo)體盤運動時，力學(xué)原理分析有

三個力作用在永磁體，即遠離端

渦電流產(chǎn)生的磁偶——拉力1、

永磁體與鋼盤間的磁力——吸力

2和靠近端渦電流產(chǎn)生的磁偶——

推力3.

ΣX方向的力量等于產(chǎn)生扭

矩的力量，則（F1X+F3X）；

ΣY方向的力量等于互相吸引或排斥（推開）的力量，則（F1Y+F2Y-F3Y）；

當(dāng)轉(zhuǎn)差大到某程度時，會導(dǎo)致 F3Y>（F1Y+F2Y）。

力不平衡產(chǎn)生的位移會使永磁盤遠離導(dǎo)體盤，永磁盤與導(dǎo)體盤之間的氣隙自動變大，電機的扭矩傳遞減緩，從而使電機與皮帶機脫開，以保護電機和皮帶。

2.2 日常維護量比較

液力耦合器內(nèi)部的主要易損件為油封、軸承，日常檢修需要加補油品，更換易損件，維護量大，還需要配備充足的備品和備件；永磁耦合器的內(nèi)部無易損件，日常運行中免維護，無備品和備件。

2.3 減振效果分析

液力耦合器與皮帶機、減速機的連接為機械硬連接，不僅不能起到減振的效果，而且還會傳遞振動；永磁耦合器與皮帶機、減速機的連接為無接觸柔性連接，有很好的減振效果，且不傳遞振動。

2.4 過載保護功能比較

當(dāng)液力耦合器運行的負載超出其過載能力時，內(nèi)部油溫會急劇上升，導(dǎo)致易熔塞融化，從而產(chǎn)生噴油現(xiàn)象，既污染了環(huán)境，又造成了故障停機事故；當(dāng)永磁耦合器運行的負載超出其過載能力時，會造成軸向作用力不平衡，永磁盤與導(dǎo)體盤在磁偶力的作用下產(chǎn)生位移，兩盤之間的氣隙自動放大，扭矩傳遞放緩，皮帶慢慢停下來，從而保護了電機和皮帶。

2.5 傳動效率比較

液力耦合器在傳動中的效率損失在形成油腔中，最大傳動效率為90%；永磁耦合器在啟動瞬間有一定的效率損失，但很小，通過測試得出傳動效率在96%以上。

2.6 對環(huán)境影響比較

液力耦合器易產(chǎn)生油污，產(chǎn)生的污染對車間環(huán)境有影響；永磁耦合器無污染物的排放。

2.7 節(jié)能分析

根據(jù)電機的機械特性，如果永磁耦合器保證傳動有3%的滑差，就可以使電機輸出最大的扭矩，同時保證電機具有最大5%的節(jié)能空間。

3 永磁渦流柔性傳動耦合器的應(yīng)用

由于永磁耦合器在米東熱電廠為首次應(yīng)用，考慮到系統(tǒng)的安全性，并驗證永磁耦合器的性能，特選擇在輸煤系統(tǒng)筒倉的3號、5號輸煤皮帶機上進行使用，3號皮帶電機為6 kV系統(tǒng)，5號皮帶電機為0.4 kV系統(tǒng)。改造前，技術(shù)人員對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行了詳細的測試，記錄了電流、振動、運行維護等數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，編制了輸煤皮帶機永磁耦合器研究的三項措施和方案，并組織現(xiàn)場技術(shù)人員、廠家指導(dǎo)安裝人員和現(xiàn)場安全員進行技術(shù)交底。應(yīng)用完畢后，發(fā)現(xiàn)運行電流、振動值和維護量均有不同程度的下降。

目前，米東熱電廠輸煤系統(tǒng)3號、5號皮帶機采用了永磁耦合器，提高了運行的安全性、穩(wěn)定性，減少了檢修人員的維修工作，并產(chǎn)生了一定的節(jié)能效益。

應(yīng)用前 應(yīng)用后

圖3 永磁偶合應(yīng)用前后比較

永磁耦合合應(yīng)用前后的比較和應(yīng)用效果的對比分別如圖3和表1所示。從表1中可以看出，應(yīng)用永磁耦合器后，電機側(cè)和減速機側(cè)的振動值均有所降低，電機空載和帶載運行時的電流較安裝前減小，綜合節(jié)能率大于3%.

表1 永磁偶合的應(yīng)用效果對比

皮帶機 電機側(cè)振動 減速機側(cè)振動 空載運行電流 負載運行電流

3號乙側(cè)

應(yīng)用前 水平0.068 mm 水平0.034mm 13.9 A 19.7 A

垂直0.043 mm 垂直0.027 mm

軸向0.038 mm 軸向0.023 mm

3號乙側(cè)

應(yīng)用后 水平0.051 mm 水平0.028 mm 13.6 A 18.6 A

垂直0.032 mm 垂直0.022 mm

軸向0.022 mm 軸向0.021 mm

5號乙側(cè)

應(yīng)用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

軸向0.033 mm 軸向0.021 mm

5號乙側(cè)

應(yīng)用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

軸向0.026 mm 軸向0.020 mm

4 結(jié)束語

神華新疆米東熱電廠輸煤系統(tǒng)中3號、5號皮帶機的永磁耦合器應(yīng)用達到了預(yù)期效果，降低了設(shè)備的維護工作量；減振效果好，實現(xiàn)了無機械連接的扭矩傳遞；有一定節(jié)能效果，降低了啟動沖擊電流，節(jié)能效果達到3%～10%；緩沖的軟啟動減少了電機的沖擊電流，延長了設(shè)備的使用壽命；提高了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

參考文獻

[1]秦宏波.電機系統(tǒng)能效現(xiàn)狀和節(jié)能潛力分析方法綜述[J].上海節(jié)能，2009（02）：4-10.

〔編輯：王霞〕

目前，米東熱電廠輸煤系統(tǒng)3號、5號皮帶機采用了永磁耦合器，提高了運行的安全性、穩(wěn)定性，減少了檢修人員的維修工作，并產(chǎn)生了一定的節(jié)能效益。

應(yīng)用前 應(yīng)用后

圖3 永磁偶合應(yīng)用前后比較

永磁耦合合應(yīng)用前后的比較和應(yīng)用效果的對比分別如圖3和表1所示。從表1中可以看出，應(yīng)用永磁耦合器后，電機側(cè)和減速機側(cè)的振動值均有所降低，電機空載和帶載運行時的電流較安裝前減小，綜合節(jié)能率大于3%.

表1 永磁偶合的應(yīng)用效果對比

皮帶機 電機側(cè)振動 減速機側(cè)振動 空載運行電流 負載運行電流

3號乙側(cè)

應(yīng)用前 水平0.068 mm 水平0.034mm 13.9 A 19.7 A

垂直0.043 mm 垂直0.027 mm

軸向0.038 mm 軸向0.023 mm

3號乙側(cè)

應(yīng)用后 水平0.051 mm 水平0.028 mm 13.6 A 18.6 A

垂直0.032 mm 垂直0.022 mm

軸向0.022 mm 軸向0.021 mm

5號乙側(cè)

應(yīng)用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

軸向0.033 mm 軸向0.021 mm

5號乙側(cè)

應(yīng)用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

軸向0.026 mm 軸向0.020 mm

4 結(jié)束語

神華新疆米東熱電廠輸煤系統(tǒng)中3號、5號皮帶機的永磁耦合器應(yīng)用達到了預(yù)期效果，降低了設(shè)備的維護工作量；減振效果好，實現(xiàn)了無機械連接的扭矩傳遞；有一定節(jié)能效果，降低了啟動沖擊電流，節(jié)能效果達到3%～10%；緩沖的軟啟動減少了電機的沖擊電流，延長了設(shè)備的使用壽命；提高了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

參考文獻

[1]秦宏波.電機系統(tǒng)能效現(xiàn)狀和節(jié)能潛力分析方法綜述[J].上海節(jié)能，2009（02）：4-10.

〔編輯：王霞〕

目前，米東熱電廠輸煤系統(tǒng)3號、5號皮帶機采用了永磁耦合器，提高了運行的安全性、穩(wěn)定性，減少了檢修人員的維修工作，并產(chǎn)生了一定的節(jié)能效益。

應(yīng)用前 應(yīng)用后

圖3 永磁偶合應(yīng)用前后比較

永磁耦合合應(yīng)用前后的比較和應(yīng)用效果的對比分別如圖3和表1所示。從表1中可以看出，應(yīng)用永磁耦合器后，電機側(cè)和減速機側(cè)的振動值均有所降低，電機空載和帶載運行時的電流較安裝前減小，綜合節(jié)能率大于3%.

表1 永磁偶合的應(yīng)用效果對比

皮帶機 電機側(cè)振動 減速機側(cè)振動 空載運行電流 負載運行電流

3號乙側(cè)

應(yīng)用前 水平0.068 mm 水平0.034mm 13.9 A 19.7 A

垂直0.043 mm 垂直0.027 mm

軸向0.038 mm 軸向0.023 mm

3號乙側(cè)

應(yīng)用后 水平0.051 mm 水平0.028 mm 13.6 A 18.6 A

垂直0.032 mm 垂直0.022 mm

軸向0.022 mm 軸向0.021 mm

5號乙側(cè)

應(yīng)用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

軸向0.033 mm 軸向0.021 mm

5號乙側(cè)

應(yīng)用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

軸向0.026 mm 軸向0.020 mm

4 結(jié)束語

神華新疆米東熱電廠輸煤系統(tǒng)中3號、5號皮帶機的永磁耦合器應(yīng)用達到了預(yù)期效果，降低了設(shè)備的維護工作量；減振效果好，實現(xiàn)了無機械連接的扭矩傳遞；有一定節(jié)能效果，降低了啟動沖擊電流，節(jié)能效果達到3%～10%；緩沖的軟啟動減少了電機的沖擊電流，延長了設(shè)備的使用壽命；提高了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

參考文獻

[1]秦宏波.電機系統(tǒng)能效現(xiàn)狀和節(jié)能潛力分析方法綜述[J].上海節(jié)能，2009（02）：4-10.

〔編輯：王霞〕