限矩型磁力耦合器在柳塔煤礦的應(yīng)用

王 鵬，劉 鑫，趙 虎

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，陜西 榆林719000）

破碎機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維修簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域。目前煤礦破碎機(jī)主要是通過電動(dòng)機(jī)連接液力偶合器后再連接負(fù)載，從而完成扭矩的輸出，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的功率傳遞[1-5]。但是液力偶合器在使用中存在諸多問題難以解決，后期維護(hù)成本較高，已嚴(yán)重制約煤礦安全及高效生產(chǎn)。

1 液力偶合器存在的問題

目前神東煤炭公司已在柳塔礦12123 綜采工作面使用液力偶合器進(jìn)行生產(chǎn)，通過神東煤炭公司在各礦井的液力偶合器使用情況，發(fā)現(xiàn)雖然液力偶合器相比傳統(tǒng)聯(lián)軸器具備諸多優(yōu)勢(shì)，但是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)仍然存在許多難以解決的實(shí)際問題：①液力偶合器同軸度要求高，對(duì)安裝精度要求嚴(yán)格，拆裝時(shí)間長(zhǎng)[6]；②由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備沖擊負(fù)載較大，負(fù)載波動(dòng)性強(qiáng)，液力偶合器油溫極易升高，且易導(dǎo)致內(nèi)部動(dòng)密封過早失效出現(xiàn)漏油情況；③當(dāng)瞬時(shí)大負(fù)荷沖擊電機(jī)時(shí)，液力偶合器易熔塞升溫需要一定的時(shí)間，而使得保護(hù)措施不能及時(shí)動(dòng)作，易造成電機(jī)損壞的問題；④液力偶合器自身湍動(dòng)能損失大，內(nèi)部損耗較大，效率較低；⑤當(dāng)負(fù)載端出現(xiàn)卡死狀態(tài)后，液力偶合器過載保護(hù)進(jìn)行噴油，需要重新注油才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了后期維護(hù)周期和成本，也增加了井下的不安全因素，對(duì)環(huán)境造成污染。

2 磁力耦合器原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隨著永磁材料的不斷進(jìn)步，永磁傳動(dòng)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，磁力耦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，不損害電動(dòng)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)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的重載沖擊，克服長(zhǎng)距離運(yùn)輸電動(dòng)機(jī)出力不均、互為負(fù)載的難題，避免電動(dòng)機(jī)斷軸等問題，保障煤機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行，具有廣闊的應(yīng)用前景[7-8]。

2.1 工作原理

磁力耦合器利用永磁體的同性相斥、異性相吸的原理，它是傳動(dòng)技術(shù)、材料技術(shù)、制造技術(shù)的集成體[9]。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過電動(dòng)機(jī)端聯(lián)軸節(jié)與磁力耦合器本體連接，驅(qū)動(dòng)銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，銅轉(zhuǎn)子切割永磁體磁力線產(chǎn)生感應(yīng)渦流，形成渦流磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)相互作用生成轉(zhuǎn)矩從而帶動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的功率傳遞。銅轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有空氣間隙（稱為氣隙），其沒有傳遞扭矩的機(jī)械連接，電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間形成了軟（磁）連接，可通過調(diào)節(jié)氣隙來實(shí)現(xiàn)工作機(jī)軸扭矩、轉(zhuǎn)速的變化。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

磁力耦合器從結(jié)構(gòu)上可分為2 種：一是筒式結(jié)構(gòu)；二是盤式結(jié)構(gòu)[10]。當(dāng)內(nèi)、外磁體均為徑向充磁時(shí)，耦合磁極成徑向配置的永磁耦合器為筒式永磁耦合器；而內(nèi)、外磁體均為軸向充磁時(shí)，耦合磁極成軸向配置的永磁耦合器則為盤式永磁耦合器。

磁力耦合器從原理上可分為2 種：一種是同步型；一種為異步型。同步型磁力耦合器的主動(dòng)盤與被動(dòng)盤皆為永磁體盤，兩盤永磁體的磁場(chǎng)在氣隙中耦合，把磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)傳扭。異步型磁力耦合器的主動(dòng)盤為永磁體，被動(dòng)盤為銅盤，利用永磁體磁場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)的相互作用來傳扭。

磁力耦合器從氣隙調(diào)節(jié)方式上可分為2 種：一是限矩型；二是調(diào)速型。限矩型磁力耦合器可以通過滑差來自適應(yīng)負(fù)載變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣隙大小，其具有在負(fù)載卡死或其它扭力過大條件下使負(fù)載完全脫離電機(jī)的能力。限矩型磁力耦合器啟動(dòng)時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子就會(huì)移向扭力較小位置，而離心體仍保持水平狀態(tài)，從而抑制這種軸向位移，保證小氣隙運(yùn)行，提供較大的啟動(dòng)力矩。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，離心體在離心力的作用下變?yōu)榇怪庇谒椒较?，永磁轉(zhuǎn)子仍然處于小氣隙的位置，而當(dāng)負(fù)載卡死或超過限定值的時(shí)候，排斥力迫使永磁轉(zhuǎn)子移向遠(yuǎn)離銅導(dǎo)體的位置，此時(shí)離心體不再限制永磁轉(zhuǎn)子位移，氣隙將被拉大，從而減小了電機(jī)與負(fù)載之間的傳遞扭矩，電機(jī)得到完全保護(hù)。當(dāng)停止電機(jī)或卸掉負(fù)載后，其能夠自動(dòng)復(fù)位，無需操作員介入。

調(diào)速型磁力耦合器可通過控制器調(diào)節(jié)氣隙的大小，其具有手動(dòng)或信號(hào)控制2 種模式。對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)控制器接到1 個(gè)控制信號(hào)后，控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算和轉(zhuǎn)換后，給其執(zhí)行元件發(fā)出調(diào)節(jié)指令，執(zhí)行元件就會(huì)調(diào)節(jié)銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的氣隙，從而根據(jù)適時(shí)的負(fù)載輸入扭矩的要求，改變工作機(jī)的工作點(diǎn)，即調(diào)節(jié)了工作機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。

3 限矩型磁力耦合器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

柳塔煤礦用限矩型磁力耦合器結(jié)構(gòu)圖如圖1，耦合器主要由輸入組件、銅盤、永磁體盤、磁鋼、輸出組件等組成，輸入組件包括主動(dòng)輸入聯(lián)軸節(jié)、彈性梅花盤、從動(dòng)聯(lián)軸節(jié)、外罩、散熱片等。輸送組件包括磁盤組件、輸出軸等。其是以磁場(chǎng)為介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的非接觸式傳動(dòng)。

圖1 柳塔煤礦限矩型磁力耦合器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of limited torque magnetic coupling in Liuta Coal Mine

3.2 優(yōu) 點(diǎn)

限矩型磁力耦合器由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理具有以下優(yōu)點(diǎn)：①磁力耦合器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(shì)；②實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)緩沖啟動(dòng)、停機(jī)功能，降低啟動(dòng)峰值、減少啟動(dòng)時(shí)間、可實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)電氣使用壽命；③隔離電動(dòng)機(jī)側(cè)與負(fù)載側(cè)的振動(dòng)，減少整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)；④允許較大的對(duì)中誤差，包括電動(dòng)機(jī)與永磁耦合器之間的角度、水平偏移和軸向偏移；⑤采用非物理性連接，通過氣隙來傳遞扭矩，降低設(shè)備振動(dòng)和運(yùn)行噪音；⑥對(duì)于沖擊型負(fù)載及有堵轉(zhuǎn)可能的設(shè)備具有緩沖與自動(dòng)保護(hù)的功能, 相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)功能，且過載保護(hù)后，排除干擾即可自動(dòng)復(fù)位；⑦磁力耦合器本身不耗電，不產(chǎn)生諧波和電磁干擾，高效節(jié)能。

磁力耦合器對(duì)比液力偶合器具有以下優(yōu)勢(shì)：①軟啟動(dòng)特性優(yōu)于液力偶合器，減小啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；②傳動(dòng)效率及節(jié)能效果高于液力偶合器，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)能降耗，減少運(yùn)行成本；③設(shè)備整體體積小于液力偶合器，節(jié)省安裝空間；④過載時(shí)無需噴油，也不用加傳動(dòng)液，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，后期維護(hù)時(shí)間少，節(jié)省人力成本及油液成本。

4 限矩型磁力耦合器的仿真

針對(duì)神東煤炭公司柳塔煤礦400 kW 破碎機(jī)受沖擊載荷，且易過載的實(shí)際使用工況，采用限矩型磁力耦合器替換原液力偶合器，可有效解決原液力偶合器所存在的問題。

限矩型磁力耦合器的基本參數(shù)如下：①功率：400 kW；②轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；③輸入軸徑：φ85 mm；④輸出軸徑：φ85 mm；⑤最大外徑：φ680 mm；⑥磁鋼數(shù)量塊：48。

限矩型磁力耦合器設(shè)計(jì)為與神東公司原有已使用液力偶合器相同的軸向尺寸，可直接替換而無需其他改造，有利于現(xiàn)場(chǎng)的快速安裝替換使用。磁力耦合器采用N45SH 釹硼鐵永磁體，永磁體陣列結(jié)構(gòu)采用Halbach 形式，總體結(jié)構(gòu)采用異步盤式結(jié)構(gòu)，通過三維建模并利用有限元軟件分析得出其性能參數(shù)足以滿足傳遞400 kW 功率的使用要求。

散熱問題同樣一直是磁力耦合器的研究重點(diǎn)，良好的散熱條件，可以減小設(shè)備的熱負(fù)荷，防止磁鋼退磁失效，確保永磁耦合器可以長(zhǎng)期有效的工作。根據(jù)磁力耦合器基本原理可知，銅盤切割磁感線會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流的產(chǎn)生會(huì)在銅盤中生成較大的熱量，并不斷向外輻射，如果該熱量集聚在設(shè)備內(nèi)部，將會(huì)對(duì)永磁體的工作特性造成較大影響，甚至造成永磁體退磁，從而導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過仿真軟件對(duì)磁力耦合器中的熱損耗進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，磁力耦合器熱損耗功率云圖如圖2。

采用磁路分析方法來確定永磁體的工作點(diǎn)，并且綜合考慮磁負(fù)荷與電負(fù)荷的影響，應(yīng)用流體力學(xué)軟件進(jìn)行冷卻系統(tǒng)模擬分析，得出最優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)，確保在不同的工況下，永磁體工作點(diǎn)處于退磁拐點(diǎn)以上。通過合理的冷卻方式設(shè)計(jì)，并在磁力耦合器的設(shè)備外殼上安裝散熱片，增強(qiáng)散熱效果，在采用自然風(fēng)冷卻方式對(duì)銅盤進(jìn)行散熱的情況下，可以確保磁力耦合器的安全運(yùn)行溫度，正常情況下磁力耦合器運(yùn)行溫升不超過20 ℃，運(yùn)行最高溫度不超過85 ℃，有效保證了磁力耦合器的性能及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]。

圖2 磁力耦合器熱損耗功率云圖Fig.2 Heat loss power diagram of magnetic coupling

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

限矩型磁力耦合器已安裝于神東煤炭公司柳塔礦400 kW 破碎機(jī)上并開始運(yùn)行，目前運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，過煤量超過150 萬t，未見異常情況發(fā)生。在破碎機(jī)系統(tǒng)負(fù)載波動(dòng)性大、頻繁重載啟動(dòng)、過載等復(fù)雜的工況，磁力耦合器均可正常工作。本磁力耦合器安裝簡(jiǎn)便，可直接替換原有液力偶合器，無需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任何改造。安裝時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸與磁力耦合器輸入端聯(lián)軸節(jié)固定在一起，通過彈性盤與磁力耦合器內(nèi)部銅轉(zhuǎn)子組件形成一體，將電動(dòng)機(jī)扭矩傳遞給銅轉(zhuǎn)子；減速器高速軸通過負(fù)載端聯(lián)軸節(jié)與磁力耦合器本體連接在一起，磁力耦合器本體與輸入端聯(lián)軸節(jié)之間完成對(duì)中找正后，滿足彈性盤的對(duì)中要求，即完成磁力耦合器的安裝，期應(yīng)用范圍廣，且操作流程簡(jiǎn)單，能夠降低勞動(dòng)力資源投入，適用于煤礦惡劣環(huán)境。

當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，限矩型磁力耦合器可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)，降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)峰值電流和浪涌時(shí)間，實(shí)際的能耗也會(huì)相應(yīng)減少，這樣一來電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行就會(huì)更加穩(wěn)定。磁力耦合器的這種零負(fù)載啟動(dòng)特性能夠提高電動(dòng)機(jī)的滾動(dòng)軸承的可靠性，在某種意義上也就是提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。

當(dāng)負(fù)載端由于各種原因?qū)е略O(shè)備卡死時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過磁力耦合器的最大轉(zhuǎn)矩，磁力耦合器的永磁體盤可向內(nèi)推開，使工作氣隙即磁盤與銅盤之間氣隙被拉至最大，從而使傳遞轉(zhuǎn)矩逐漸小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，此時(shí)轉(zhuǎn)矩就會(huì)急速減小，直到轉(zhuǎn)矩減小至0。此時(shí)磁力耦合器無傳遞能力，即實(shí)現(xiàn)了負(fù)載端卡死狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)可以空載運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)就算長(zhǎng)期處于此空載的工作狀態(tài)也不會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損傷，起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的功能，大大提高了電動(dòng)機(jī)的使用周期和使用壽命，減少了電動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生頻率。

6 結(jié) 語

針對(duì)神東煤炭公司柳塔礦12123 綜采工作面400 kW 破碎機(jī)所用限矩型液力偶合器存在的相關(guān)問題，分析了不同磁力耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理，通過磁力耦合器與液力偶合器的對(duì)比，以及對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析，研究了適用于柳塔礦的限矩型磁力耦合器，通過有限元分析驗(yàn)證此磁力耦合器的性能參數(shù)。柳塔礦400 kW 破碎機(jī)用限矩型磁力耦合器，滿足煤礦破碎機(jī)在各種工況下對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)安全、可靠、高效的技術(shù)要求，克服了液力偶合器工作效率低，易發(fā)熱漏油，過載易噴油，污染環(huán)境，影響工作人員生產(chǎn)安全等問題。