永磁传动技术对比分析及同步偶合器磁场设计

刘金伟，李冬冬，张 斌

（微山金源煤矿，山东 济宁 272000）

0 引 言

我国作为当今世界煤矿需求大国，煤矿能源在我国能源使用中占据近三分之二比例，煤矿能源的开发也成为我国经济发展的一条重要因素。煤机装备是煤炭行业发展的重要支撑，在采、掘、机、运、通等生产过程中发挥重要作用[1]。其中，刮板机、皮带机等恒扭矩负载广泛应用于煤矿开采及运输领域，其可靠性对煤矿安全生产至关重要[2]。而恒扭矩设备运行过程中，直起直停会对电机产生重载冲击，易引发电机及设备故障，停产维修，造成经济损失[3]。同时，随着煤炭需求量的增大，皮带机等恒扭矩设备不断向大功率发展，多机驱动应用日渐增加。多机驱动时由于运量及安装位置不同，易出现电机功率不平衡问题，导致皮带张紧程度不均，造成皮带及滚筒磨损或电机过载损坏。

永磁偶合器采用非接触式磁力传动，无谐波干扰，不产生电应力，不损害电机轴承；且为纯机械结构，无需介质，传动效率高，运行十分可靠。通过调节永磁体与铜盘气隙精确控制转速及扭矩，不仅可以保证恒扭矩负载软启动及多机功率平衡，缓解煤机装备直起直停对电机产生的重载冲击，克服长距离运输电机出力不均、互为负载的难题，避免电机断轴、滚筒磨损、皮带断裂等问题，保障煤机设备安全运行。

1 永磁偶合器类型及优势对比

矿用永磁传动装置是一种新型传动系统，以磁场为媒介，采用非接触式机械结构实现电机到工作机的功率传递。通过调节永磁体之间气隙可以精确调节负载速度以实现调速功能。该产品运行稳定、无干扰、免维护、适应恶劣的煤矿生产环境。目前，矿用永磁传动装置根据原理主要分为同步型和异步型，其中异步型又分为限矩型和调速型。

1.1 同步型永磁偶合器

图1 为同步型永磁偶合器结构示意图，偶合器结构对称分布，主动盘与被动盘皆为永磁体盘，两盘永磁体的磁场在气隙中偶合器，把磁能转化为机械能，实现扭矩传递。传动模型如图2 所示，当主动极以速度v 运动时，主动磁极（主动盘上的永磁体）与从动磁极（从动盘上的永磁体）产生的作用力P1 和P2 在运动方向上的分量是相叠加的，而垂直于运动方向上的分量则方向相反基本抵消。因此从动磁极在平行于运动方向的力的分量作用下，随主动磁极以同样的速度v 运动，实现了运动和力的传递。

同步型永磁偶合器的优点即可实现主动盘与从动盘同步旋转，无转差，当主动盘与被动盘气隙增加时也能保持转速不变，只有在主动盘与被动盘增加到一定气隙时，被动盘被脱开，立即停止转动，实现过载保护。由于同步性较好，启动转速不随两盘间距的变化而变化，只要在有效范围内，都可顺利启动。煤矿大型皮带机大部分采用的是同步型永磁偶合器，实现电机与负载端的同步运行，避免丢转，同时通过磁力软连接克服了联轴节等硬连接造成的对中难、振动大等问题，运行效果良好。

图1 同步型永磁偶合器结构图

图2 传动基本模型

1.2 限矩型永磁偶合器

图3 限矩型磁力偶合器结构示意图

图3 所示是矿用限矩型永磁偶合器的机械结构，电机通过联轴器与磁力偶合器连接，驱动铜转子旋转，铜环切割永磁体磁力线产生感应涡流，形成涡流磁场与永磁体磁场相互作用生成转矩带动永磁体盘旋转，驱动工作机运行，实现电机到工作机的功率传递。矿用限矩型磁力偶合器不具有调速功能，可以通过滑差来自适应负载变化，具有传动效率高且免维护的优势。

其运行优势主要包括以下几方面：

1）启动特性：限矩型磁力偶合器可以实现空载启动，电机不必克服负载惯性，将电机带载启动电流降为空载启动电流，因此大大减小了峰值电流，缩短峰值电流浪涌持续时间，可以节约能源，减少设备磨损。

2）均衡负载：煤矿机械在实际生产过程中大多采用多机联动作业，由于各电机在安装和实际生产中的具体情况不同，会出现各个电机带动的负载出现差异，这需要传动系统均衡负载，使电机达到最佳的运行状态，传动效率最高。矿用限矩型磁力偶合器可依靠滑差来自适应负载，达到均衡负载目的。

3）过载保护：当负载端出现过载时，磁力偶合器滑差增大，两个永磁体盘迅速脱开，永磁体盘和铜盘之间气隙达到最大，确保过载情况下电机可以正常运行。当负载端恢复正常时，滑差逐渐减小，两个永磁体盘在离心体作用下被推开，自适应负载后电机正常运行。

1.3 调速型永磁偶合器

图4 调速型永磁偶合器

如图4 所示，调速型永磁偶合器主要由钢盘、导磁体、永磁体、散热片、外壳、调速机构及输入输出轴等组成。当电机带动导磁体旋转时，导磁体切割气隙间的磁力线，形成涡流。导磁体涡流使导磁体在磁场中受洛伦兹力作用，根据牛顿作用力与反作用力关系，大小相等、方向相反的力会作用在磁体盘上，使磁体盘按照一定的转速跟随导磁体旋转。导磁体和永磁体盘分别与电机和工作机连接，实现电机和工作机的软启动[4]。电动执行器根据控制器指令调节气隙大小，改变磁感线切割频率，实现对负载的无级调速。由于调速型永磁偶合器可以实现高精实时调速，除了具有限矩型偶合器过载保护等功能，更具有软启动及多电机驱动功率平衡功能。

软启动功能：磁力偶合器功率特性曲线复杂，其转矩- 转速曲线是输出转矩随转差先增大后逐步减小，匹配转矩不随转速变化的煤矿恒扭矩负载时会与其产生两个交点，导致负载在起动后升速加速，启动速度急剧上升，难以保证负载平滑启动，软启动控制困难。针对该情况，建立了磁场数学模型，采用模型参考自适应法（MRAS）作为软启动控制策略[5]，不再关注于参数本身的整定，而是调节可调模型使响应误差与参考模型的响应误差足够接近，进而可调模型的输出就是实际输出值。参考模型根据不同负载的特性设置理想状态下的软启动S 型曲线方程，自适应模块通过仿真偶合器磁场特性拟合得到的转差- 气隙- 转矩特性曲面方程组实现，可调模型则在基本软启动方法的基础上，通过偶合器气隙建立闭环控制系统，梳理出传递函数。三者配合，通过调节传递函数的适应S 型曲线的要求，实现对于工况变化的自适应目的，最终保证启动加速度≤0.15m/s2

多机功率平衡功能：由于偶合器自身特性曲线的高度非线性特征，使其在调速控制时常常由于微小的输入导致输出转速剧烈变化，影响多机驱动时的控制精度，难以实现功率平衡。针对该问题，采用模糊自适应整定PID 控制策略[6]，采集启动稳定运行后期多机电流的平均值作为基准电流，通过建立模糊判定表找到PID 参数与本机电流和基准电流的误差及其误差变化之间的模糊关系，进而确立模糊方程组。当由于参数不同、机械安装或负载发生变化引起不平衡度较大时，通过方程可以迅速确立新的PID 参数，完成模糊计算部分。将本机电流作为输入参数，通过模糊计算单元执行PID 闭环控制，从而计算出气隙大小，执行各套设备各自的气隙调节，完成第一次功率平衡调节。每次功率平衡调节后重新进行不平衡度判断和模糊计算，直到不平衡度≤3%。同时，搭建了半物理仿真平台，进行控制策略验证[7]。

2 同步型永磁偶合器磁场设计

2.1 磁场仿真结果及分析

本台磁力偶合器采用凸形磁钢，磁钢上沿为24mm，下沿21mm，充磁方向长度为25mm，外套安装盘及内套安装盘半径如图所示，厚度分别为8mm 及26mm。磁钢尺寸如图5 所示排布，在圆周方向20 块均布：

图5 磁钢布置示意图

2.2 磁场仿真结果及分析

由于本台磁力偶合器为同步式，正常运行时内外套之间相对转速为0，所以无涡流损耗出现，即没有温升，磁力偶合器一直保持室温运行。

同步式磁力偶合器的传递转矩可以用式 （1）来表示：

式中：T 为磁力偶合器的传递转矩；Tmax为磁力偶合器的最大传递转矩；p 为磁力偶合器的级对数；θ 为磁力偶合器内外套中轴线之间的夹角。

由于在圆周方向上磁钢20 块均布，磁力偶合器的级对数为10。当θ=9°时，磁力偶合器可以传递最大转矩，为2600N.m。

本台磁力联轴器的传递转矩为：

当磁力偶合器额定运行时，传递功率为185kW，磁力偶合器转速为1485r/min，则此时磁力偶合器内外套的夹角为2.724°。

当磁力偶合器输出端卡死时，磁力偶合器的传递转矩将一直按照公式（1）变化，引起电机的输出转矩也随之变化，电机在半个周期内电动运行，另半个周期会发电运行。

图6 损耗曲线及传递转矩曲线

当磁力偶合器输出端卡死时，磁力偶合器的损耗约为40kW，使用ANSYS Workbench 进行联合仿真后，按照经验公式设置散热系数后，磁力偶合器磁钢的温度最高达到了114℃，选用牌号为N45SH 的磁钢不会有较大的损失，且当温度上升时，磁钢的性能出现下降，使磁力偶合器的最大传递能力出现下降，同时减少了涡流的损耗，降低磁钢的温升。本次进行的磁力偶合器额定传递功率满足设计需求，过载系数在2.0 以上。

图7 外磁钢温度分布及内磁钢温度分布

3 结 论

本文通过对比现有调速系统优缺点及不同类型永磁偶合器性能，得到以下结论：

1）磁力偶合器相较于液力耦合器、变频器等调速设备具有可靠性高、免维护、无干扰等优点，尤其适用于煤矿煤机装备调速系统。

2）同步型、限矩型、调速型永磁偶合器有各自优势，适用于工况需求不同场合。同步型无转差，不丢转，同步性能好；限矩型过载保护功能强大，且可以实现电机空载启动；调速型以其高精实时调速优势，可实现软启动及多机功率平衡，尤其适用于皮带机、刮板机等恒扭矩负载调速。

3） 针对煤矿采用的同步型永磁偶合器进行了磁场设计，传递功率满足要求，过载系数大于2.0。

4） 永磁偶合器不仅能够确保恒扭矩负载软启动及功率平衡控制，而且可以实现矿用风机、水泵节能调速，具有广阔的应用前景。