永磁涡流柔性传动耦合器在米东热电厂输煤皮带机上的应用

张锋　杨伟　孔令禹　宋飞

摘 要：国内工业生产的输煤皮带机系统，其电机与负载之间多采用传统的液力耦合器连接方式。对比分析了永磁耦合器与液力耦合器的区别，并根据磁场有限元分析和力学原理分析了永磁传动原理和永磁耦合器代替液力耦合器的必要性。

关键词：永磁传动耦合器；输煤皮带机；液力耦合器；涡轮

中图分类号：TH137.331 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0016-02

1 输煤皮带机系统概述

米东热电厂的输煤皮带机系统，其电机与负载之间采用的是传统的液力耦合器连接方式，存在安装困难、检修困难、传动系统振动大、电机的启动电流大、电机过载保护能力差、备品及备件用量大、使用成本高和油污污染大等缺点。设备在工频启动、运行、停止的过程中，如果无法对其进行及时、有效的调节，就会产生严重的机械噪声、机械冲击和震动加剧等现象。这些现象都具有极大的破坏性，会引起粉尘污染、损坏固定件，并会增加进线变压器的负荷状况。

永磁调速技术是近年来国际上开发的一项突破性新技术，其中，磁力非接触传递扭矩具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、可极大减少整体系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。尤其是其不产生高次谐波，且在低速运行下不会造成电机发热的优良调速特性，更使其成为了电机设备节能技术改造的首选。

2 永磁涡流柔性传动与液力耦合器的比较

2.1 工作原理上的区别

液力耦合器是一个内含两个环形轮片的密封机构。驱动轮被称为“泵轮”，被驱动轮被称为“涡轮”，泵轮和涡轮都被称为“工作轮”。在工作轮的环状壳体中，径向排列着许多叶片。泵轮和涡轮装合后，形成环形空腔，内部充有工作油液。泵轮通常在内燃机或电机的驱动下旋转，带动工作油液做比较复杂的向心力运动。高速流动的油液在力的作用下冲击涡轮叶片，然后将动能传给涡轮，使涡轮与泵轮同方向旋转。油液从涡轮的叶片边缘又流回到泵轮，行成循环回路，其流动路线如同一个首尾相连的环形螺旋线。

永磁传动技术是透过气隙传递转矩的革命性传动设备，电机与负载设备转轴之间无需机械连接，电机旋转时带动导体主动转子在装有强力稀土磁铁的磁盘从动转子所产生的强磁场中切割磁

力线，因而在导磁盘中产生涡电流。该涡电流会在导体主动转子上产生感应磁场，感应磁场与永磁场之间磁性的相互吸合与排斥拉动从动转子，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。

根据磁场有限元分析及力学原理分析永磁传动原理。

接近时 平行时 永久磁线在磁盘上的排列

图1 磁铁棒N极与导体板的位置不同时所产生的效果

如图1所示，当磁铁棒N极接近导体板时，导体上会产生一个N极磁场来抵抗磁棒N极接近，导体板上的磁场由逆时针方向的感应电流（涡电流）产生，此现象被称为“楞次定律”。同理，当磁铁棒N 极平行于导体方向板移动时，导体板上会产生抵抗磁铁棒N极前进的磁场和两个磁场方向相反的磁场，并在磁铁棒N极前进的前方产生N极磁场，抵抗磁铁棒前进，在磁铁棒N极前进的后方产生S极磁场，抵抗磁铁棒前进，而且磁铁棒越靠近导体板，导体板上抵抗磁铁棒相对运动的力量就越大。

如图2所示，当永磁体相对

导体盘运动时，力学原理分析有

三个力作用在永磁体，即远离端

涡电流产生的磁偶——拉力1、

永磁体与钢盘间的磁力——吸力

2和靠近端涡电流产生的磁偶——

推力3.

ΣX方向的力量等于产生扭

矩的力量，则（F1X+F3X）；

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

当转差大到某程度时，会导致 F3Y>（F1Y+F2Y）。

力不平衡产生的位移会使永磁盘远离导体盘，永磁盘与导体盘之间的气隙自动变大，电机的扭矩传递减缓，从而使电机与皮带机脱开，以保护电机和皮带。

2.2 日常维护量比较

液力耦合器内部的主要易损件为油封、轴承，日常检修需要加补油品，更换易损件，维护量大，还需要配备充足的备品和备件；永磁耦合器的内部无易损件，日常运行中免维护，无备品和备件。

2.3 减振效果分析

液力耦合器与皮带机、减速机的连接为机械硬连接，不仅不能起到减振的效果，而且还会传递振动；永磁耦合器与皮带机、减速机的连接为无接触柔性连接，有很好的减振效果，且不传递振动。

2.4 过载保护功能比较

当液力耦合器运行的负载超出其过载能力时，内部油温会急剧上升，导致易熔塞融化，从而产生喷油现象，既污染了环境，又造成了故障停机事故；当永磁耦合器运行的负载超出其过载能力时，会造成轴向作用力不平衡，永磁盘与导体盘在磁偶力的作用下产生位移，两盘之间的气隙自动放大，扭矩传递放缓，皮带慢慢停下来，从而保护了电机和皮带。

2.5 传动效率比较

液力耦合器在传动中的效率损失在形成油腔中，最大传动效率为90%；永磁耦合器在启动瞬间有一定的效率损失，但很小，通过测试得出传动效率在96%以上。

2.6 对环境影响比较

液力耦合器易产生油污，产生的污染对车间环境有影响；永磁耦合器无污染物的排放。

2.7 节能分析

根据电机的机械特性，如果永磁耦合器保证传动有3%的滑差，就可以使电机输出最大的扭矩，同时保证电机具有最大5%的节能空间。

3 永磁涡流柔性传动耦合器的应用

由于永磁耦合器在米东热电厂为首次应用，考虑到系统的安全性，并验证永磁耦合器的性能，特选择在输煤系统筒仓的3号、5号输煤皮带机上进行使用，3号皮带电机为6 kV系统，5号皮带电机为0.4 kV系统。改造前，技术人员对系统数据进行了详细的测试，记录了电流、振动、运行维护等数据。根据现场的实际情况，编制了输煤皮带机永磁耦合器研究的三项措施和方案，并组织现场技术人员、厂家指导安装人员和现场安全员进行技术交底。应用完毕后，发现运行电流、振动值和维护量均有不同程度的下降。

目前，米东热电厂输煤系统3号、5号皮带机采用了永磁耦合器，提高了运行的安全性、稳定性，减少了检修人员的维修工作，并产生了一定的节能效益。

应用前 应用后

图3 永磁偶合应用前后比较

永磁耦合合应用前后的比较和应用效果的对比分别如图3和表1所示。从表1中可以看出，应用永磁耦合器后，电机侧和减速机侧的振动值均有所降低，电机空载和带载运行时的电流较安装前减小，综合节能率大于3%.

表1 永磁偶合的应用效果对比

皮带机 电机侧振动 减速机侧振动 空载运行电流 负载运行电流

3号乙侧

应用前 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

轴向0.038 mm 轴向0.023 mm

3号乙侧

应用后 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

轴向0.022 mm 轴向0.021 mm

5号乙侧

应用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

轴向0.033 mm 轴向0.021 mm

5号乙侧

应用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

轴向0.026 mm 轴向0.020 mm

4 结束语

神华新疆米东热电厂输煤系统中3号、5号皮带机的永磁耦合器应用达到了预期效果，降低了设备的维护工作量；减振效果好，实现了无机械连接的扭矩传递；有一定节能效果，降低了启动冲击电流，节能效果达到3%～10%；缓冲的软启动减少了电机的冲击电流，延长了设备的使用寿命；提高了系统运行的安全性和稳定性，保证了生产的连续性。

参考文献

[1]秦宏波.电机系统能效现状和节能潜力分析方法综述[J].上海节能，2009（02）：4-10.

〔编辑：王霞〕

目前，米东热电厂输煤系统3号、5号皮带机采用了永磁耦合器，提高了运行的安全性、稳定性，减少了检修人员的维修工作，并产生了一定的节能效益。

应用前 应用后

图3 永磁偶合应用前后比较

永磁耦合合应用前后的比较和应用效果的对比分别如图3和表1所示。从表1中可以看出，应用永磁耦合器后，电机侧和减速机侧的振动值均有所降低，电机空载和带载运行时的电流较安装前减小，综合节能率大于3%.

表1 永磁偶合的应用效果对比

皮带机 电机侧振动 减速机侧振动 空载运行电流 负载运行电流

3号乙侧

应用前 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

轴向0.038 mm 轴向0.023 mm

3号乙侧

应用后 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

轴向0.022 mm 轴向0.021 mm

5号乙侧

应用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

轴向0.033 mm 轴向0.021 mm

5号乙侧

应用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

轴向0.026 mm 轴向0.020 mm

4 结束语

神华新疆米东热电厂输煤系统中3号、5号皮带机的永磁耦合器应用达到了预期效果，降低了设备的维护工作量；减振效果好，实现了无机械连接的扭矩传递；有一定节能效果，降低了启动冲击电流，节能效果达到3%～10%；缓冲的软启动减少了电机的冲击电流，延长了设备的使用寿命；提高了系统运行的安全性和稳定性，保证了生产的连续性。

参考文献

[1]秦宏波.电机系统能效现状和节能潜力分析方法综述[J].上海节能，2009（02）：4-10.

〔编辑：王霞〕

目前，米东热电厂输煤系统3号、5号皮带机采用了永磁耦合器，提高了运行的安全性、稳定性，减少了检修人员的维修工作，并产生了一定的节能效益。

应用前 应用后

图3 永磁偶合应用前后比较

永磁耦合合应用前后的比较和应用效果的对比分别如图3和表1所示。从表1中可以看出，应用永磁耦合器后，电机侧和减速机侧的振动值均有所降低，电机空载和带载运行时的电流较安装前减小，综合节能率大于3%.

表1 永磁偶合的应用效果对比

皮带机 电机侧振动 减速机侧振动 空载运行电流 负载运行电流

3号乙侧

应用前 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

轴向0.038 mm 轴向0.023 mm

3号乙侧

应用后 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

轴向0.022 mm 轴向0.021 mm

5号乙侧

应用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

轴向0.033 mm 轴向0.021 mm

5号乙侧

应用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

轴向0.026 mm 轴向0.020 mm

4 结束语

神华新疆米东热电厂输煤系统中3号、5号皮带机的永磁耦合器应用达到了预期效果，降低了设备的维护工作量；减振效果好，实现了无机械连接的扭矩传递；有一定节能效果，降低了启动冲击电流，节能效果达到3%～10%；缓冲的软启动减少了电机的冲击电流，延长了设备的使用寿命；提高了系统运行的安全性和稳定性，保证了生产的连续性。

参考文献

[1]秦宏波.电机系统能效现状和节能潜力分析方法综述[J].上海节能，2009（02）：4-10.

〔编辑：王霞〕