关于盘式永磁调速器的若干技术研究

栾荣华

摘 要：该文介绍了一种新型节能调速设备，即筒式永磁调速器，介绍了其结构和工作原理，比较了其与盘式永磁调速器、变频器和液力耦合调速器的优势所在，并进行了成本、可靠性、寿命、可维护性方面的分析比较。筒式永磁调速器是未来电机调速的首选产品，对工业发展具有重要意义。

关键词：筒式永磁调速器 变频器 液力耦合调速器

中图分类号：TH3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0091-02

永磁调速（永磁传动）是传动史上的一场革命，其结构简单、运行可靠、节能降耗的特点很好的应用于现代化工业中，实现了在采矿、冶金、发电、造纸、石化、水务、灌溉、供水、水泥、发电等若干行业离心式风机以及离心式泵方面的广泛应用[1]。

筒式永磁调速器是在盘式永磁调速器基础上发展起来的新一代永磁调速器，该技术的使用将解决液力耦合调速器以及盘式永磁调速器、变频器使用方面所带来的负面影响。

1 结构及原理

盘式永磁调速器如图1所示，由筒状导体转子、筒状永磁转子和调节器3部分组成，筒状永磁转子在筒状导体转子内，之间无硬连接，由空气间隔，安装在各自的旋转轴上相对独立转动；筒状导体转子沿轴线方向与筒状永磁转子之间的相对位置通过利用调节器来实现这一操作，从而将二者之间的啮合面稍作改变，进而实现对两者之间传递转矩大小的调整。筒状导体转子和筒状永磁转子分别安装在原动机的输入轴上和负载端的输出轴上，在筒状导体转子旋转时，二者之间会有相对运动发生，基于永磁场的作用，筒状导体转子上会产生漩涡，进而产生永磁场和感应磁场之间的相互作用，来驱动二者沿着相同的方向运转，最终把输入驱动端轴的转矩传递到负载端的输出轴上；啮合面积的大小将决定负载输出端上转矩的大小，啮合面积减小，扭矩也减小，反之亦然。

通过调节器对筒状永磁转子的作用，沿着轴向进行往返运作时，二者之间啮合的面积的大小将随之发生变化。啮合的面积越大，传递的扭矩也越大，转速越高；反之亦然。当啮合的面积为零，传递的扭矩也为零，此时二者将完全脱开，筒状永磁转子的转速为零，即负载的转速也为零。

2 筒式永磁调速器与盘式永磁调速器的比较

2.1 基本原理比较

从基本原理的角度来说，盘式永磁调速器与筒式永磁调速器是一致的，两者都是通过导体转子与永磁转子之间的相对运动，交变的感应磁场从而在导体转子上产生，交变的永磁场与交变的感应磁场之间相互啮合，从而产生传递的扭矩，将动力从原动机侧传递到负载侧。两者均由三部分组成，分别是导体转子、永磁转子、调节机构。如果称盘状永磁调速器是第一代，那么筒状永磁调速器就是第二代。盘状永磁调速器的作用就是调节导体转子与永磁转子的间距，也就是改变气隙大小，气隙越小，传递的扭矩越大，负载转速也就越高，反之亦然。筒状永磁调速器则是通过调节二者之间的磁场啮合面积大小，进一步实现传递的扭矩大小变化，啮合的面越小，则传递扭矩越小，负载的转速也就越低，反之亦然。

2.2 体积与重量比较

将传递相等功率作为前提条件下：（1）在外径上，第一代永磁调速器要比第二代永磁调速器大50～200 mm；（2）在永磁转子的重量上，第一代永磁调速器比第二代产品重1/3左右；（3）在导体转子的重量上，第一代永磁调速器比第二代产品重1/3左右；（4）在轴间距上，第一代永磁调速器比第二代产品大50～150 mm；

因为相对来说，第二代永磁调速器的重量较轻、体积较小，从而其转动惯量相对较小，最终对系统的整体影响也就越小。

2.3 安装与维护比较

在对中上，永磁调速器都没有很高的要求，从而都可以很方便地安装，但两者相比较而言，筒状永磁调速器的结构更加简单，推拉机构的设计也不复杂，可靠性较高。盘状永磁调速器采用4只角接触轴承来进行推拉机构的设计，结构繁复，造成繁重的轴承更换工作量。而筒状永磁调速器采用2只角接触轴承的推拉机构设计，结构简约，更容易更换轴承。

2.3.1 调速范围比较

盘状永磁调速器的有效调速范围在40%～98%；而筒状永磁调速器的有效调速范围在0～98%。

2.3.2 软启动功能比较

盘状永磁调速器的启动属于轻载；而筒状永磁调速器在启动时属于零负载。

2.3.3 过载保护比较

对盘状永磁调速器的保护，不能将负载完全脱开，属于部分；而筒状永磁调速器弥补了这一缺憾，实现了彻底将负载脱开，来进行全面保护。

2.3.4 允许轴向窜量比较

盘状永磁调速器，要求气隙均匀度上两边都要将范围控制在1 mm以内，不然轴向上就会有附加载荷产生，进而损害系统轴承，因而难以很好地应用轴向窜量较大的系统；而筒状永磁调速器在轴向窜动量上则将范围提升到不超过10 mm即可，因此附加载荷不会产生。如图2、图3所示。

第一代永磁调速器可允许不同心度误差5 mm，而第二代仅允许2 mm。

2.3.5 推拉力比较

经过实验，前者的推拉力为后者的10～15倍。

2.3.6 推拉机构比较

相比较而言，第一代永磁调速器采用角行程电动执行器，通过两根连杆将电动执行器与永磁调速器的推拉机构相连，现场调试复杂，占地面积大；而第二代则在改变现状的基础上，采用直行程电动执行器，直接在主传动轴向的上方安放，减少了占地面积，安装调试也不复杂。（见图4、图5）

2.3.7 散热和噪音比较

导体上的热能传递是不可避免的，因而散热功能成为永磁调速器设计中的关键一环，盘状永磁调速器的发热由侧面而出，散热实属不易；而简状永磁调速器的热量由外圈而出，散热比较容易。

在噪音设计上，盘状永磁调速器0.5 m处的噪音参数一般处在110～130 dB，噪音过高需要对其进行额外处理；而筒状永磁调速器噪音相对较小，在距其0.5 m处测量，噪音参数一般在80～95 dB，采用普通防护罩便可。

3 几种常见调速技术比较

永磁调速、变频调速、液力耦合调速通过比较，发现：（1）总费用依次为最低、较高、最高；（2）对中要求依次为最低（2 mm）不需要激光对中、激光对中、激光对中；（3）减震效果依次为最好（降低50%～85%）、较好、较好；（4）维护工作量及成本依次为最小（接近免维护）且成本最低、很高、很高；（5）过载保护依次为最可靠且完全排除了因过载造成的电机系统损坏且将异常停机时间降低到最低、可靠且异常停机恢复时间长、可靠且异常停机恢复时间长；（6）电压波动对电机系统的影响依次为影响最小、影响大且可能导致变频器工作异常或者停机、影响较小；（7）节能效果依次为节能效果与变频调速相当并且在低速时节能效果比变频器稍差、最高、损失较大且节能效果最低；（8）软启动依次为电机和负载独立启动性能最好且最节能、性能较好且有较大的热量产生、性能较好且可以对电机和负载独立启动；（9）精度依次为很高、最高、很低；（10）设备价格依次为较高、较高、最低；（11）调速范围依次为较大（0～98%）、最大（可超频）、最小；（12）体积依次为最小、最大、较大；（13）对环境的影响依次为：对环境友好且可适用于各种恶劣环境、产生大量的谐波且电网的质量又影响变频器的正常运行、不产生谐波并且液压油易污染环境；（14）日常维护依次为工作量小且不需要专门的技能和专有维护平台、需要专门的技能和维护平台、不需要专门的技能和维护平台。

4 结语

无论是从经济效益还是从生产的安全稳定性来看，采用筒式永磁调速器具有盘式永磁调速器、变频器和液力耦合调速无法比拟的绝对优势，是电动机调速的最佳应用选择。

参考文献

[1] 吴顺根.永磁调速装置的节能性能试验[J].上海电力学院学报，2009，25（3）：261-263.

[2] 赵国祥，马文静.永磁调速驱动器在闭式冷却水泵上的节能改造[J].节能，2010（4）：41-43.