磁力耦合器在提升機(jī)上的應(yīng)用探討

董國(guó)梁，屈漢軍，吳超星

提升機(jī)是水泥行業(yè)基礎(chǔ)性生產(chǎn)設(shè)備，具有輸送量大、提升高度高的特點(diǎn)，適用于輸送粉料、粒料及小型塊狀的物料，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、耦合器、減速機(jī)組成。通常提升機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，負(fù)載變化較大，瞬時(shí)過(guò)載和短時(shí)過(guò)載現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，這就要求電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)間柔性連接。而耦合器作為電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)的連接部件，其可靠性決定了提升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

常見(jiàn)的耦合器為液力耦合器，隨著技術(shù)的進(jìn)步，繼而出現(xiàn)了磁力耦合器。本文主要介紹液力耦合器的優(yōu)缺點(diǎn)以及磁力耦合器的發(fā)展歷程、分類、技術(shù)特點(diǎn)，供業(yè)內(nèi)人士參考。

1 液力耦合器

1.1 優(yōu)點(diǎn)

液力耦合器是一種具有良好柔性的聯(lián)軸器，普遍應(yīng)用于拉鏈機(jī)、皮帶機(jī)、提升機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）具有滑差（或稱轉(zhuǎn)速差）特性，可以自適應(yīng)負(fù)載變化。此特性有別于其他耦合器，也是其被全球傳動(dòng)行業(yè)廣泛使用的原因。

（2）具有啟動(dòng)緩沖和過(guò)載緩沖的性能，可隔離扭振，并且在大慣量啟動(dòng)時(shí)，可以減少電動(dòng)機(jī)容量，避免“大馬拉小車”。

（3）有助于緩沖對(duì)減速機(jī)齒輪的沖擊。

1.2 缺點(diǎn)

（1）溫升高。液力耦合器的結(jié)構(gòu)決定了其存在不可避免的溫升，額外產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致透平油的油溫升高，潤(rùn)滑質(zhì)量變差，進(jìn)一步產(chǎn)生更多熱量，形成惡性循環(huán)。

（2）振動(dòng)大。雖然液力耦合器的柔性可以隔離扭振，但因其是機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，無(wú)法隔離其他因素導(dǎo)致的減速機(jī)振動(dòng)。

（3）密封易老化。液力耦合器密封老化會(huì)導(dǎo)致油液滲漏、油溫驟升，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)熔塞爆噴、彈性塊或尼龍銷磨損、甚至棘爪被打爛等現(xiàn)象，提升機(jī)停機(jī)情況時(shí)有發(fā)生，若無(wú)備件，長(zhǎng)時(shí)停機(jī)損失更大。

（4）存在爆裂可能。高寒地區(qū)提升機(jī)停機(jī)，傳動(dòng)油冷凍結(jié)晶再啟動(dòng)可導(dǎo)致液力耦合器爆裂。提升機(jī)逆止器失靈倒轉(zhuǎn)飛車也可導(dǎo)致液力耦合器爆裂（圖1），有致人員傷亡的危險(xiǎn)。

圖1 提升機(jī)逆止器失靈倒轉(zhuǎn)飛車導(dǎo)致液力耦合器爆裂

（5）對(duì)中不良。液力耦合器由起柔性作用的液力耦合主體和彈性聯(lián)軸器兩大組件構(gòu)成。其中，彈性聯(lián)軸器必須滿足比較苛刻的對(duì)中安裝要求。因?qū)χ谐顚?dǎo)致設(shè)備振動(dòng)超差的現(xiàn)象較為普遍（圖2），彈性塊需要頻繁更換，直接影響軸承使用壽命。

圖2 對(duì)中不良導(dǎo)致聯(lián)軸器彈性塊破損

（6）維護(hù)保養(yǎng)難。為避免液力耦合器兩大部件軸向竄位，一般采用熱裝方式，但因?qū)嶋H產(chǎn)品的公差與配合不良，多數(shù)熱裝部件拆卸難度很大，拆卸1～2d是常態(tài)，有些長(zhǎng)達(dá)3d。

此外，油品作為耗材，必須定期或不定期予以更換，更換油品費(fèi)用較大。還有，進(jìn)口的名牌液力耦合器，品質(zhì)雖好，但價(jià)格高，且結(jié)構(gòu)機(jī)理決定了進(jìn)口的名牌液力耦合器與國(guó)產(chǎn)液力耦合器無(wú)本質(zhì)差異。

2 磁力耦合器

磁力耦合器是一種利用永久磁鐵的磁力非接觸傳輸動(dòng)力的裝置，近年來(lái)，磁力耦合器已在國(guó)內(nèi)水泥廠大量替換液力耦合器。

2.1 磁力傳動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介

磁力傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用可追溯到1946年，英國(guó)HDM公司推出磁力泵解決了泵類產(chǎn)品介質(zhì)隔離、密封等問(wèn)題，其原理是利用永磁同性相斥、異性相吸的特性，在結(jié)構(gòu)上主動(dòng)、從動(dòng)轉(zhuǎn)子均被定心，同步工作。隨著強(qiáng)磁釹鐵硼材料的問(wèn)世至普及，1999年美國(guó)Magna-Drive公司將電渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于大型機(jī)械傳動(dòng)，至此創(chuàng)立了一個(gè)全新的產(chǎn)品門類。

國(guó)內(nèi)對(duì)于磁力耦合器技術(shù)和產(chǎn)品的研究相對(duì)較晚，主要集中在各大高校。蘇州大學(xué)楊超君團(tuán)隊(duì)、吉林大學(xué)張宏剛團(tuán)隊(duì)、東南大學(xué)的林鶴云教授等對(duì)磁力耦合器技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題的研究為國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、大連海事大學(xué)、東北大學(xué)等高校也對(duì)磁力耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁場(chǎng)分布、渦流損耗、傳遞力矩等性能參數(shù)進(jìn)行了研究。2013年前后，國(guó)內(nèi)有多家公司陸續(xù)推出了磁力耦合器產(chǎn)品。

2.2 磁力耦合器分類及工作原理

按照產(chǎn)品的核心技術(shù)與特性而非形狀（如桶式與板式）分類，磁力耦合器主流產(chǎn)品可分為異步型和同步型。

異步型（亦稱渦流型）磁力耦合器的工作原理是：導(dǎo)體與磁場(chǎng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流（形如渦旋狀，故稱渦電流或電渦流），利用感生磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)相互作用傳遞扭矩。由于主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同，故稱為異步型磁力耦合器。

同步型磁力耦合器的工作原理是：在主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子內(nèi)分別嵌入永磁體，利用磁極同性相吸、異性相斥的原理，實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)。其主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子同步運(yùn)轉(zhuǎn)，故稱同步型磁力耦合器。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，當(dāng)前主流應(yīng)用的磁力耦合器大致分為三類（見(jiàn)圖3）：第一代渦流型磁力耦合器；第二代渦流型磁力耦合器（代級(jí)劃分來(lái)自廠家）；同步型磁力耦合器。

定性的理想性能的磁力耦合器模型參量見(jiàn)表1。

2.3 磁力耦合器架構(gòu)的技術(shù)分析

三類磁力耦合器均選用目前磁力最強(qiáng)的釹鐵硼磁鐵，型號(hào)一般為N42x～N48x，因產(chǎn)品自身溫升和運(yùn)行環(huán)境的不同，選用的磁鐵的居里溫度（退磁溫度點(diǎn)）不同。

渦流型磁力耦合器，由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子（內(nèi)含永磁體）作為主體，兩類轉(zhuǎn)子之間留有間隙。永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子分別通過(guò)各自的連接法蘭固定套裝在電動(dòng)機(jī)軸和減速機(jī)軸上。

同步型磁力耦合器，在內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與外磁轉(zhuǎn)子的永磁體之間留有間隙。內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和外磁轉(zhuǎn)子分別通過(guò)各自的連接法蘭固定套裝在電動(dòng)機(jī)軸和減速機(jī)軸上。

2.3.1 第一代渦流型磁力耦合器

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有多家企業(yè)生產(chǎn)以Magna-Drive公司產(chǎn)品為原型的典型的異步渦流型磁力耦合器。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言，有廠家介紹定義為“AB-BA”型，其中“A”表示導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，“B”表示永磁轉(zhuǎn)子。在結(jié)構(gòu)上是雙轉(zhuǎn)子對(duì)稱設(shè)置，其導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)是銅盤+鐵盤+散熱片組，“A、A”共軸，“B、B”共軸。

典型的外特性：永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子沿軸向因磁力互吸。

2.3.2 第二代渦流型磁力耦合器

一種新型的異步渦流型磁力耦合器，廠家推介的架構(gòu)特點(diǎn)是“自饋式-無(wú)鐵芯”。所謂“自饋式”，是指在雙盤體的永磁轉(zhuǎn)子上自建閉合磁場(chǎng)；所謂“無(wú)鐵芯”，是指導(dǎo)體轉(zhuǎn)子僅由高導(dǎo)電率的導(dǎo)體構(gòu)成，不含鐵磁材料。導(dǎo)體盤置于兩個(gè)永磁轉(zhuǎn)子之間，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的基盤與導(dǎo)體盤采用散熱體相連。

典型的外特性：永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有磁力互吸。

2.3.3 同步型磁力耦合器

典型的同步型磁力耦合器，內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的外圈鑲嵌若干磁體，外磁轉(zhuǎn)子的內(nèi)圈鑲嵌若干磁體，外轉(zhuǎn)子設(shè)置在內(nèi)轉(zhuǎn)子外圈。

典型的外特性：內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間沿徑向（間隙偏小的方位角方向）有強(qiáng)磁力互吸。

理想模型與磁力耦合器可實(shí)現(xiàn)的效果比較見(jiàn)表2、3。

圖3 三類磁力耦合器示意圖

表1 磁力耦合器定性參量列表

3 提升機(jī)對(duì)磁力耦合器的特殊要求

因提升機(jī)的運(yùn)行對(duì)水泥企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)極為重要，并且提升機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝在頭部高位，系統(tǒng)維修難度大，所以對(duì)磁力耦合器的性能有更高的要求。為了滿足提升機(jī)運(yùn)行要求，磁力耦合器產(chǎn)品除了必須具備更高的可靠性之外，還應(yīng)具備過(guò)載保護(hù)和軸系保護(hù)兩大功能。

表2 理想模型與磁力耦合器可實(shí)現(xiàn)效果比較（1）

表3 理想模型與磁力耦合器可實(shí)現(xiàn)效果比較（2）

3.1 過(guò)載保護(hù)

常用提升機(jī)配置的電動(dòng)機(jī)多數(shù)為四極異步電動(dòng)機(jī)，功率范圍多為45～200kW，堵轉(zhuǎn)電流約7倍額定值，堵轉(zhuǎn)扭矩約1.8倍額定值，最大扭矩約2.2倍額定值。過(guò)載有短時(shí)過(guò)載和長(zhǎng)時(shí)超載（即電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷甚至被堵轉(zhuǎn)）兩種，中控室配電柜的電動(dòng)機(jī)保護(hù)單元是電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)的最后屏障。

（1）短時(shí)過(guò)載保護(hù)。要求磁力耦合器具有良好的柔性，可化解負(fù)載沖擊，減緩對(duì)減速機(jī)高速軸組件的沖擊（液力耦合器的滑差特性具備此功能）。異步型磁力耦合器天然具備這一性能優(yōu)勢(shì)，而同步型磁力耦合器僅在小角度上呈現(xiàn)彈性，不具備柔性。

（2）長(zhǎng)時(shí)過(guò)載保護(hù)。要求磁力耦合器進(jìn)入弱耦合狀態(tài)，可產(chǎn)生更大滑差，給電動(dòng)機(jī)增加一級(jí)保護(hù)。

渦流型磁力耦合器的限矩型產(chǎn)品，就是為實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)功能而設(shè)計(jì)的。其原理是，當(dāng)過(guò)載使得磁力耦合器的滑差增大至門限值以上時(shí)，磁懸浮效應(yīng)使得永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生推力。永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的間隙距離瞬間變大，使激勵(lì)磁場(chǎng)變?nèi)?，即進(jìn)入弱耦合狀態(tài)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入卸載（輕載）狀態(tài)而得以保護(hù)，停機(jī)后，可自動(dòng)恢復(fù)原狀。

同步型磁力耦合器產(chǎn)品，也可通過(guò)設(shè)置門限值實(shí)現(xiàn)滑差，但會(huì)有抖動(dòng)（產(chǎn)生扭振）現(xiàn)象發(fā)生，并且滑差狀態(tài)如保持時(shí)間稍長(zhǎng)（數(shù)十秒以上），渦流就會(huì)使磁體溫度驟升，甚至導(dǎo)致磁體退磁，繼而產(chǎn)生如液力耦合器泄油一樣的現(xiàn)象。磁體退磁是不可逆的，一旦發(fā)生必須更換磁力耦合器。為防止長(zhǎng)時(shí)過(guò)載，還可以對(duì)電動(dòng)機(jī)采取測(cè)溫報(bào)警或控制斷電措施，但采取對(duì)電動(dòng)機(jī)增加冗余保護(hù)的措施更為直接可靠。

3.2 軸系保護(hù)

如前所述，提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于高位，即便是更換維修較小的配件，也會(huì)產(chǎn)生很高的成本，所以保護(hù)軸系整體長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行是極有價(jià)值的。

液力耦合器對(duì)中精度須優(yōu)于0.1mm，而磁力耦合器對(duì)中精度不必像液力耦合器一樣。但是，市場(chǎng)磁力耦合器3mm的對(duì)中（或軸向?qū)ξ唬┤莶罨蚝撩准?jí)偏差需分析辨證看待。下面就第一代渦流型磁力耦合器、第二代渦流式磁力耦合器、同步型磁力耦合器軸系保護(hù)進(jìn)行分析對(duì)比：

（1）第一代渦流型磁力耦合器因轉(zhuǎn)子軸向互吸，電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)都必須承擔(dān)軸向力，而軸向力對(duì)電動(dòng)機(jī)和球軸承是有害的，加之，角度對(duì)中也難于達(dá)到理想狀態(tài)，會(huì)使危害加劇。第一代渦流型磁力耦合器如軸向?qū)ξ徊涣迹瑢⒉荒軡M足對(duì)稱設(shè)計(jì)的要求。

更重要的是，第一代渦流型磁力耦合器熱膨脹現(xiàn)象或許是原創(chuàng)者未曾考慮的一大因素。據(jù)文獻(xiàn)介紹，Y315B3基座的電機(jī)在軸溫為80°C時(shí)，軸長(zhǎng)可增加近0.8mm。該數(shù)值變化對(duì)于必須對(duì)稱設(shè)置的轉(zhuǎn)子位置，其偏差達(dá)到近1.6mm，導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的軸向力，可見(jiàn)，熱膨脹效應(yīng)影響不可忽視。此外，各種使用環(huán)境的溫度變化，還會(huì)使熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的位置變化值難以預(yù)置。

（2）同步型磁力耦合器磁吸力的存在對(duì)于軸向?qū)ξ徊⒉惶舾校菂s對(duì)對(duì)中要求頗為敏感，不論是平行對(duì)中偏差還是角度對(duì)中偏差，都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子存在偏擺現(xiàn)象，產(chǎn)生附加振動(dòng)。

重要的是，同步型磁力耦合器在強(qiáng)磁吸力存在的條件下，強(qiáng)制對(duì)中的安裝方法是一種創(chuàng)新的方法，但有效性存疑。因傳動(dòng)行業(yè)的對(duì)中操作都是在軸系處于自由狀態(tài)下進(jìn)行的，強(qiáng)制對(duì)中似顯不妥。如某水泥廠新裝斗式提升機(jī)配置某品牌磁力耦合器，由于未經(jīng)廠家專業(yè)人員到場(chǎng)精調(diào)，自行裝調(diào)后即開(kāi)啟試車，導(dǎo)致磁力耦合器部件損壞，而后換新。事故分析顯示，因轉(zhuǎn)子間的磁吸力巨大，由無(wú)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行調(diào)整難以滿足要求，是事故發(fā)生的根本原因。

（3）以上兩種磁力耦合器主動(dòng)、從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的磁吸力巨大，對(duì)于軸系保護(hù)是一個(gè)不可忽視的不利因素。磁吸力除了給安裝尤其是二次拆裝調(diào)整帶來(lái)不便外，還需要專家分析和長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)確認(rèn)磁力耦合器對(duì)中、對(duì)位安裝精度的控制（或預(yù)置）范圍，才可以達(dá)到無(wú)危害的程度，。

（4）第二代渦流式磁力耦合器具備轉(zhuǎn)子互不相吸的特性，無(wú)論首次安裝還是系統(tǒng)維護(hù)后的再次調(diào)整都非常便捷。第二代渦流式磁力耦合器被聯(lián)接的兩軸可處于自由狀態(tài)，創(chuàng)新了軸系的保護(hù)，是磁力耦合器產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)較好思路。

4 結(jié)語(yǔ)

磁力耦合器作為提升機(jī)驅(qū)動(dòng)的重要部件，相較于液力耦合器而言，在自身可靠性和安全性方面進(jìn)步明顯，值得繼續(xù)深入研究探索。■