磁力耦合器在提升机上的应用探讨

董国梁，屈汉军，吴超星

提升机是水泥行业基础性生产设备，具有输送量大、提升高度高的特点，适用于输送粉料、粒料及小型块状的物料，其驱动系统由电动机、耦合器、减速机组成。通常提升机的工作环境较为恶劣，负载变化较大，瞬时过载和短时过载现象时常发生，这就要求电动机与减速机间柔性连接。而耦合器作为电动机与减速机的连接部件，其可靠性决定了提升机的运转率。

常见的耦合器为液力耦合器，随着技术的进步，继而出现了磁力耦合器。本文主要介绍液力耦合器的优缺点以及磁力耦合器的发展历程、分类、技术特点，供业内人士参考。

1 液力耦合器

1.1 优点

液力耦合器是一种具有良好柔性的联轴器，普遍应用于拉链机、皮带机、提升机，其优点如下：

（1）具有滑差（或称转速差）特性，可以自适应负载变化。此特性有别于其他耦合器，也是其被全球传动行业广泛使用的原因。

（2）具有启动缓冲和过载缓冲的性能，可隔离扭振，并且在大惯量启动时，可以减少电动机容量，避免“大马拉小车”。

（3）有助于缓冲对减速机齿轮的冲击。

1.2 缺点

（1）温升高。液力耦合器的结构决定了其存在不可避免的温升，额外产生的热量导致透平油的油温升高，润滑质量变差，进一步产生更多热量，形成恶性循环。

（2）振动大。虽然液力耦合器的柔性可以隔离扭振，但因其是机械连接结构，无法隔离其他因素导致的减速机振动。

（3）密封易老化。液力耦合器密封老化会导致油液渗漏、油温骤升，进而导致出现熔塞爆喷、弹性块或尼龙销磨损、甚至棘爪被打烂等现象，提升机停机情况时有发生，若无备件，长时停机损失更大。

（4）存在爆裂可能。高寒地区提升机停机，传动油冷冻结晶再启动可导致液力耦合器爆裂。提升机逆止器失灵倒转飞车也可导致液力耦合器爆裂（图1），有致人员伤亡的危险。

图1 提升机逆止器失灵倒转飞车导致液力耦合器爆裂

（5）对中不良。液力耦合器由起柔性作用的液力耦合主体和弹性联轴器两大组件构成。其中，弹性联轴器必须满足比较苛刻的对中安装要求。因对中超差导致设备振动超差的现象较为普遍（图2），弹性块需要频繁更换，直接影响轴承使用寿命。

图2 对中不良导致联轴器弹性块破损

（6）维护保养难。为避免液力耦合器两大部件轴向窜位，一般采用热装方式，但因实际产品的公差与配合不良，多数热装部件拆卸难度很大，拆卸1～2d是常态，有些长达3d。

此外，油品作为耗材，必须定期或不定期予以更换，更换油品费用较大。还有，进口的名牌液力耦合器，品质虽好，但价格高，且结构机理决定了进口的名牌液力耦合器与国产液力耦合器无本质差异。

2 磁力耦合器

磁力耦合器是一种利用永久磁铁的磁力非接触传输动力的装置，近年来，磁力耦合器已在国内水泥厂大量替换液力耦合器。

2.1 磁力传动技术简介

磁力传动技术的应用可追溯到1946年，英国HDM公司推出磁力泵解决了泵类产品介质隔离、密封等问题，其原理是利用永磁同性相斥、异性相吸的特性，在结构上主动、从动转子均被定心，同步工作。随着强磁钕铁硼材料的问世至普及，1999年美国Magna-Drive公司将电涡流驱动技术应用于大型机械传动，至此创立了一个全新的产品门类。

国内对于磁力耦合器技术和产品的研究相对较晚，主要集中在各大高校。苏州大学杨超君团队、吉林大学张宏刚团队、东南大学的林鹤云教授等对磁力耦合器技术基础问题的研究为国内相关产品的设计和研发奠定了基础。此外，哈尔滨工业大学、沈阳工业大学、大连海事大学、东北大学等高校也对磁力耦合器的结构参数、磁场分布、涡流损耗、传递力矩等性能参数进行了研究。2013年前后，国内有多家公司陆续推出了磁力耦合器产品。

2.2 磁力耦合器分类及工作原理

按照产品的核心技术与特性而非形状（如桶式与板式）分类，磁力耦合器主流产品可分为异步型和同步型。

异步型（亦称涡流型）磁力耦合器的工作原理是：导体与磁场产生相对运动，导体切割磁力线产生感应电流（形如涡旋状，故称涡电流或电涡流），利用感生磁场与永磁体的磁场相互作用传递扭矩。由于主动转子与从动转子转速不同，故称为异步型磁力耦合器。

同步型磁力耦合器的工作原理是：在主动转子和从动转子内分别嵌入永磁体，利用磁极同性相吸、异性相斥的原理，实现拖动。其主动转子和从动转子同步运转，故称同步型磁力耦合器。

根据市场调研，当前主流应用的磁力耦合器大致分为三类（见图3）：第一代涡流型磁力耦合器；第二代涡流型磁力耦合器（代级划分来自厂家）；同步型磁力耦合器。

定性的理想性能的磁力耦合器模型参量见表1。

2.3 磁力耦合器架构的技术分析

三类磁力耦合器均选用目前磁力最强的钕铁硼磁铁，型号一般为N42x～N48x，因产品自身温升和运行环境的不同，选用的磁铁的居里温度（退磁温度点）不同。

涡流型磁力耦合器，由导体转子和永磁转子（内含永磁体）作为主体，两类转子之间留有间隙。永磁转子与导体转子分别通过各自的连接法兰固定套装在电动机轴和减速机轴上。

同步型磁力耦合器，在内磁转子与外磁转子的永磁体之间留有间隙。内磁转子和外磁转子分别通过各自的连接法兰固定套装在电动机轴和减速机轴上。

2.3.1 第一代涡流型磁力耦合器

国内现有多家企业生产以Magna-Drive公司产品为原型的典型的异步涡流型磁力耦合器。从结构特点而言，有厂家介绍定义为“AB-BA”型，其中“A”表示导体转子，“B”表示永磁转子。在结构上是双转子对称设置，其导体转子的结构是铜盘+铁盘+散热片组，“A、A”共轴，“B、B”共轴。

典型的外特性：永磁转子与导体转子沿轴向因磁力互吸。

2.3.2 第二代涡流型磁力耦合器

一种新型的异步涡流型磁力耦合器，厂家推介的架构特点是“自馈式-无铁芯”。所谓“自馈式”，是指在双盘体的永磁转子上自建闭合磁场；所谓“无铁芯”，是指导体转子仅由高导电率的导体构成，不含铁磁材料。导体盘置于两个永磁转子之间，导体转子的基盘与导体盘采用散热体相连。

典型的外特性：永磁转子与导体转子之间没有磁力互吸。

2.3.3 同步型磁力耦合器

典型的同步型磁力耦合器，内磁转子的外圈镶嵌若干磁体，外磁转子的内圈镶嵌若干磁体，外转子设置在内转子外圈。

典型的外特性：内、外转子之间沿径向（间隙偏小的方位角方向）有强磁力互吸。

理想模型与磁力耦合器可实现的效果比较见表2、3。

图3 三类磁力耦合器示意图

表1 磁力耦合器定性参量列表

3 提升机对磁力耦合器的特殊要求

因提升机的运行对水泥企业连续生产极为重要，并且提升机驱动安装在头部高位，系统维修难度大，所以对磁力耦合器的性能有更高的要求。为了满足提升机运行要求，磁力耦合器产品除了必须具备更高的可靠性之外，还应具备过载保护和轴系保护两大功能。

表2 理想模型与磁力耦合器可实现效果比较（1）

表3 理想模型与磁力耦合器可实现效果比较（2）

3.1 过载保护

常用提升机配置的电动机多数为四极异步电动机，功率范围多为45～200kW，堵转电流约7倍额定值，堵转扭矩约1.8倍额定值，最大扭矩约2.2倍额定值。过载有短时过载和长时超载（即电动机超负荷甚至被堵转）两种，中控室配电柜的电动机保护单元是电动机过载保护的最后屏障。

（1）短时过载保护。要求磁力耦合器具有良好的柔性，可化解负载冲击，减缓对减速机高速轴组件的冲击（液力耦合器的滑差特性具备此功能）。异步型磁力耦合器天然具备这一性能优势，而同步型磁力耦合器仅在小角度上呈现弹性，不具备柔性。

（2）长时过载保护。要求磁力耦合器进入弱耦合状态，可产生更大滑差，给电动机增加一级保护。

涡流型磁力耦合器的限矩型产品，就是为实现过载保护功能而设计的。其原理是，当过载使得磁力耦合器的滑差增大至门限值以上时，磁悬浮效应使得永磁转子与导体转子之间产生推力。永磁转子与导体转子之间的间隙距离瞬间变大，使激励磁场变弱，即进入弱耦合状态。此时，电动机进入卸载（轻载）状态而得以保护，停机后，可自动恢复原状。

同步型磁力耦合器产品，也可通过设置门限值实现滑差，但会有抖动（产生扭振）现象发生，并且滑差状态如保持时间稍长（数十秒以上），涡流就会使磁体温度骤升，甚至导致磁体退磁，继而产生如液力耦合器泄油一样的现象。磁体退磁是不可逆的，一旦发生必须更换磁力耦合器。为防止长时过载，还可以对电动机采取测温报警或控制断电措施，但采取对电动机增加冗余保护的措施更为直接可靠。

3.2 轴系保护

如前所述，提升机驱动系统处于高位，即便是更换维修较小的配件，也会产生很高的成本，所以保护轴系整体长时间无故障运行是极有价值的。

液力耦合器对中精度须优于0.1mm，而磁力耦合器对中精度不必像液力耦合器一样。但是，市场磁力耦合器3mm的对中（或轴向对位）容差或毫米级偏差需分析辨证看待。下面就第一代涡流型磁力耦合器、第二代涡流式磁力耦合器、同步型磁力耦合器轴系保护进行分析对比：

（1）第一代涡流型磁力耦合器因转子轴向互吸，电动机和减速机都必须承担轴向力，而轴向力对电动机和球轴承是有害的，加之，角度对中也难于达到理想状态，会使危害加剧。第一代涡流型磁力耦合器如轴向对位不良，将不能满足对称设计的要求。

更重要的是，第一代涡流型磁力耦合器热膨胀现象或许是原创者未曾考虑的一大因素。据文献介绍，Y315B3基座的电机在轴温为80°C时，轴长可增加近0.8mm。该数值变化对于必须对称设置的转子位置，其偏差达到近1.6mm，导致产生巨大的轴向力，可见，热膨胀效应影响不可忽视。此外，各种使用环境的温度变化，还会使热膨胀效应导致的位置变化值难以预置。

（2）同步型磁力耦合器磁吸力的存在对于轴向对位并不太敏感，但是却对对中要求颇为敏感，不论是平行对中偏差还是角度对中偏差，都会导致转子存在偏摆现象，产生附加振动。

重要的是，同步型磁力耦合器在强磁吸力存在的条件下，强制对中的安装方法是一种创新的方法，但有效性存疑。因传动行业的对中操作都是在轴系处于自由状态下进行的，强制对中似显不妥。如某水泥厂新装斗式提升机配置某品牌磁力耦合器，由于未经厂家专业人员到场精调，自行装调后即开启试车，导致磁力耦合器部件损坏，而后换新。事故分析显示，因转子间的磁吸力巨大，由无实际操作经验的人员进行调整难以满足要求，是事故发生的根本原因。

（3）以上两种磁力耦合器主动、从动转子之间的磁吸力巨大，对于轴系保护是一个不可忽视的不利因素。磁吸力除了给安装尤其是二次拆装调整带来不便外，还需要专家分析和长时间试验确认磁力耦合器对中、对位安装精度的控制（或预置）范围，才可以达到无危害的程度，。

（4）第二代涡流式磁力耦合器具备转子互不相吸的特性，无论首次安装还是系统维护后的再次调整都非常便捷。第二代涡流式磁力耦合器被联接的两轴可处于自由状态，创新了轴系的保护，是磁力耦合器产品发展的一个较好思路。

4 结语

磁力耦合器作为提升机驱动的重要部件，相较于液力耦合器而言，在自身可靠性和安全性方面进步明显，值得继续深入研究探索。■