關(guān)于盤式永磁調(diào)速器的若干技術(shù)研究

欒榮華

摘 要：該文介紹了一種新型節(jié)能調(diào)速設(shè)備，即筒式永磁調(diào)速器，介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理，比較了其與盤式永磁調(diào)速器、變頻器和液力耦合調(diào)速器的優(yōu)勢(shì)所在，并進(jìn)行了成本、可靠性、壽命、可維護(hù)性方面的分析比較。筒式永磁調(diào)速器是未來電機(jī)調(diào)速的首選產(chǎn)品，對(duì)工業(yè)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：筒式永磁調(diào)速器 變頻器 液力耦合調(diào)速器

中圖分類號(hào)：TH3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（c）-0091-02

永磁調(diào)速（永磁傳動(dòng)）是傳動(dòng)史上的一場(chǎng)革命，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能降耗的特點(diǎn)很好的應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了在采礦、冶金、發(fā)電、造紙、石化、水務(wù)、灌溉、供水、水泥、發(fā)電等若干行業(yè)離心式風(fēng)機(jī)以及離心式泵方面的廣泛應(yīng)用[1]。

筒式永磁調(diào)速器是在盤式永磁調(diào)速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代永磁調(diào)速器，該技術(shù)的使用將解決液力耦合調(diào)速器以及盤式永磁調(diào)速器、變頻器使用方面所帶來的負(fù)面影響。

1 結(jié)構(gòu)及原理

盤式永磁調(diào)速器如圖1所示，由筒狀導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、筒狀永磁轉(zhuǎn)子和調(diào)節(jié)器3部分組成，筒狀永磁轉(zhuǎn)子在筒狀導(dǎo)體轉(zhuǎn)子內(nèi)，之間無硬連接，由空氣間隔，安裝在各自的旋轉(zhuǎn)軸上相對(duì)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)；筒狀導(dǎo)體轉(zhuǎn)子沿軸線方向與筒狀永磁轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置通過利用調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)這一操作，從而將二者之間的嚙合面稍作改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者之間傳遞轉(zhuǎn)矩大小的調(diào)整。筒狀導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和筒狀永磁轉(zhuǎn)子分別安裝在原動(dòng)機(jī)的輸入軸上和負(fù)載端的輸出軸上，在筒狀導(dǎo)體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，二者之間會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，基于永磁場(chǎng)的作用，筒狀導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上會(huì)產(chǎn)生漩渦，進(jìn)而產(chǎn)生永磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)之間的相互作用，來驅(qū)動(dòng)二者沿著相同的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，最終把輸入驅(qū)動(dòng)端軸的轉(zhuǎn)矩傳遞到負(fù)載端的輸出軸上；嚙合面積的大小將決定負(fù)載輸出端上轉(zhuǎn)矩的大小，嚙合面積減小，扭矩也減小，反之亦然。

通過調(diào)節(jié)器對(duì)筒狀永磁轉(zhuǎn)子的作用，沿著軸向進(jìn)行往返運(yùn)作時(shí)，二者之間嚙合的面積的大小將隨之發(fā)生變化。嚙合的面積越大，傳遞的扭矩也越大，轉(zhuǎn)速越高；反之亦然。當(dāng)嚙合的面積為零，傳遞的扭矩也為零，此時(shí)二者將完全脫開，筒狀永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為零，即負(fù)載的轉(zhuǎn)速也為零。

2 筒式永磁調(diào)速器與盤式永磁調(diào)速器的比較

2.1 基本原理比較

從基本原理的角度來說，盤式永磁調(diào)速器與筒式永磁調(diào)速器是一致的，兩者都是通過導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，交變的感應(yīng)磁場(chǎng)從而在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生，交變的永磁場(chǎng)與交變的感應(yīng)磁場(chǎng)之間相互嚙合，從而產(chǎn)生傳遞的扭矩，將動(dòng)力從原動(dòng)機(jī)側(cè)傳遞到負(fù)載側(cè)。兩者均由三部分組成，分別是導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。如果稱盤狀永磁調(diào)速器是第一代，那么筒狀永磁調(diào)速器就是第二代。盤狀永磁調(diào)速器的作用就是調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子的間距，也就是改變氣隙大小，氣隙越小，傳遞的扭矩越大，負(fù)載轉(zhuǎn)速也就越高，反之亦然。筒狀永磁調(diào)速器則是通過調(diào)節(jié)二者之間的磁場(chǎng)嚙合面積大小，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)傳遞的扭矩大小變化，嚙合的面越小，則傳遞扭矩越小，負(fù)載的轉(zhuǎn)速也就越低，反之亦然。

2.2 體積與重量比較

將傳遞相等功率作為前提條件下：（1）在外徑上，第一代永磁調(diào)速器要比第二代永磁調(diào)速器大50～200 mm；（2）在永磁轉(zhuǎn)子的重量上，第一代永磁調(diào)速器比第二代產(chǎn)品重1/3左右；（3）在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的重量上，第一代永磁調(diào)速器比第二代產(chǎn)品重1/3左右；（4）在軸間距上，第一代永磁調(diào)速器比第二代產(chǎn)品大50～150 mm；

因?yàn)橄鄬?duì)來說，第二代永磁調(diào)速器的重量較輕、體積較小，從而其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)較小，最終對(duì)系統(tǒng)的整體影響也就越小。

2.3 安裝與維護(hù)比較

在對(duì)中上，永磁調(diào)速器都沒有很高的要求，從而都可以很方便地安裝，但兩者相比較而言，筒狀永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，推拉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不復(fù)雜，可靠性較高。盤狀永磁調(diào)速器采用4只角接觸軸承來進(jìn)行推拉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)繁復(fù)，造成繁重的軸承更換工作量。而筒狀永磁調(diào)速器采用2只角接觸軸承的推拉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，更容易更換軸承。

2.3.1 調(diào)速范圍比較

盤狀永磁調(diào)速器的有效調(diào)速范圍在40%～98%；而筒狀永磁調(diào)速器的有效調(diào)速范圍在0～98%。

2.3.2 軟啟動(dòng)功能比較

盤狀永磁調(diào)速器的啟動(dòng)屬于輕載；而筒狀永磁調(diào)速器在啟動(dòng)時(shí)屬于零負(fù)載。

2.3.3 過載保護(hù)比較

對(duì)盤狀永磁調(diào)速器的保護(hù)，不能將負(fù)載完全脫開，屬于部分；而筒狀永磁調(diào)速器彌補(bǔ)了這一缺憾，實(shí)現(xiàn)了徹底將負(fù)載脫開，來進(jìn)行全面保護(hù)。

2.3.4 允許軸向竄量比較

盤狀永磁調(diào)速器，要求氣隙均勻度上兩邊都要將范圍控制在1 mm以內(nèi)，不然軸向上就會(huì)有附加載荷產(chǎn)生，進(jìn)而損害系統(tǒng)軸承，因而難以很好地應(yīng)用軸向竄量較大的系統(tǒng)；而筒狀永磁調(diào)速器在軸向竄動(dòng)量上則將范圍提升到不超過10 mm即可，因此附加載荷不會(huì)產(chǎn)生。如圖2、圖3所示。

第一代永磁調(diào)速器可允許不同心度誤差5 mm，而第二代僅允許2 mm。

2.3.5 推拉力比較

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，前者的推拉力為后者的10～15倍。

2.3.6 推拉機(jī)構(gòu)比較

相比較而言，第一代永磁調(diào)速器采用角行程電動(dòng)執(zhí)行器，通過兩根連桿將電動(dòng)執(zhí)行器與永磁調(diào)速器的推拉機(jī)構(gòu)相連，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試復(fù)雜，占地面積大；而第二代則在改變現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用直行程電動(dòng)執(zhí)行器，直接在主傳動(dòng)軸向的上方安放，減少了占地面積，安裝調(diào)試也不復(fù)雜。（見圖4、圖5）

2.3.7 散熱和噪音比較

導(dǎo)體上的熱能傳遞是不可避免的，因而散熱功能成為永磁調(diào)速器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一環(huán)，盤狀永磁調(diào)速器的發(fā)熱由側(cè)面而出，散熱實(shí)屬不易；而簡(jiǎn)狀永磁調(diào)速器的熱量由外圈而出，散熱比較容易。

在噪音設(shè)計(jì)上，盤狀永磁調(diào)速器0.5 m處的噪音參數(shù)一般處在110～130 dB，噪音過高需要對(duì)其進(jìn)行額外處理；而筒狀永磁調(diào)速器噪音相對(duì)較小，在距其0.5 m處測(cè)量，噪音參數(shù)一般在80～95 dB，采用普通防護(hù)罩便可。

3 幾種常見調(diào)速技術(shù)比較

永磁調(diào)速、變頻調(diào)速、液力耦合調(diào)速通過比較，發(fā)現(xiàn)：（1）總費(fèi)用依次為最低、較高、最高；（2）對(duì)中要求依次為最低（2 mm）不需要激光對(duì)中、激光對(duì)中、激光對(duì)中；（3）減震效果依次為最好（降低50%～85%）、較好、較好；（4）維護(hù)工作量及成本依次為最?。ń咏饩S護(hù)）且成本最低、很高、很高；（5）過載保護(hù)依次為最可靠且完全排除了因過載造成的電機(jī)系統(tǒng)損壞且將異常停機(jī)時(shí)間降低到最低、可靠且異常停機(jī)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、可靠且異常停機(jī)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)；（6）電壓波動(dòng)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的影響依次為影響最小、影響大且可能導(dǎo)致變頻器工作異?；蛘咄C(jī)、影響較??；（7）節(jié)能效果依次為節(jié)能效果與變頻調(diào)速相當(dāng)并且在低速時(shí)節(jié)能效果比變頻器稍差、最高、損失較大且節(jié)能效果最低；（8）軟啟動(dòng)依次為電機(jī)和負(fù)載獨(dú)立啟動(dòng)性能最好且最節(jié)能、性能較好且有較大的熱量產(chǎn)生、性能較好且可以對(duì)電機(jī)和負(fù)載獨(dú)立啟動(dòng)；（9）精度依次為很高、最高、很低；（10）設(shè)備價(jià)格依次為較高、較高、最低；（11）調(diào)速范圍依次為較大（0～98%）、最大（可超頻）、最小；（12）體積依次為最小、最大、較大；（13）對(duì)環(huán)境的影響依次為：對(duì)環(huán)境友好且可適用于各種惡劣環(huán)境、產(chǎn)生大量的諧波且電網(wǎng)的質(zhì)量又影響變頻器的正常運(yùn)行、不產(chǎn)生諧波并且液壓油易污染環(huán)境；（14）日常維護(hù)依次為工作量小且不需要專門的技能和專有維護(hù)平臺(tái)、需要專門的技能和維護(hù)平臺(tái)、不需要專門的技能和維護(hù)平臺(tái)。

4 結(jié)語

無論是從經(jīng)濟(jì)效益還是從生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性來看，采用筒式永磁調(diào)速器具有盤式永磁調(diào)速器、變頻器和液力耦合調(diào)速無法比擬的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最佳應(yīng)用選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳順根.永磁調(diào)速裝置的節(jié)能性能試驗(yàn)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25（3）：261-263.

[2] 趙國(guó)祥，馬文靜.永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器在閉式冷卻水泵上的節(jié)能改造[J].節(jié)能，2010（4）：41-43.