非电励磁高效节能机械传动装置的研究与应用

郑州大学现代远程教育毕 业 设 计题 目：非电励磁高效节能机械传动装置的研究与应用入 学 年 月 2014 年 3月_姓 名 王其龙_学 号专 业 机电一体化_联 系 方 式学 习 中 心 驻马店汉唐_指 导 教 师 _完成时间 2016年 2月 15日目 录1. 研究依据 .31.1项目背景 .31.2煤矿供电系统中谐波的原因和危害 .51.3国内外发展情况 .71.4未来发展展望 .81.5项目研究的意义 .92. 项目承担单位与协作单位 .92.1项目承担单位 .92.2项目协作单位 .112.3项目组成员 .113. 项目研究内容和目标 .133.1项目研究内容 .133.2项目总体目标 .134. 项目研究的技术路线与关键技术 .134.1永磁材料 .144.1.1铝镍钴系永磁合金 .154.1.2铁铬钴系永磁合金 .184.1.3永磁铁氧体 .204.1.4稀土永磁材料 .204.1.5复合永磁材料 .214.2技术方案 .214.2.1磁力耦合器本体方案 .224.2.2控制系统方案 .244.2.3主要技术指标 .254.3方案论证 .254.3.1电磁方案论证 .254.3.2结构方案论证 .284.3.3控制系统方案 .314.4结论 .325. 项目特色和创新点 .335.1项目特色 .335.2项目创新点 .336. 项目预期成果和设备主要技术指标 .356.1技术成果与形式 .356.2设备主要技术指标 .357. 达到的经济社会效益及推广应用的前景 .358. 项目实施措施 .368.1项目实施措施 .368.2组织保障 .368.3实施步骤 .36参考文献.371. 研究依据1.1 项目背景 平煤六矿在风机、水泵、传输带和提升机等处，使用了大量的传动装置，有的是轴联接、有的是液压耦合器、有的是减速箱、还有大量的变频器。如果采用永磁传动调速装置代替传输带上的减速器，既可以减少固定投资成本，又可以根据实际情况调节传输速度。研究可知，传输带上的减速箱采用永磁齿轮更为合适，但是永磁传动变速节能装置在国外也只有套筒式的永磁联接器和永磁气隙耦合传动变速装置，而国内永磁气隙耦合传动变速装置还是空白。国内外永磁齿轮传动也只是在理论研究当中，为了安全可靠，先易后难的原则，选择了先研制一台 37KW永磁气隙耦合传动变速装置用于清水泵房联轴器的改造。永磁气隙耦合传动变速装置的功能和轴连接器、液压耦合器、变频器的功能即有很多共同之处，但其结构简单、安装方便、高效节能和免维护是无可比拟的。永磁气隙耦合传动调速节能装置与变频器的比较如下：调速型永磁磁力耦合器 变频器 是使用去磁方式来达到调速目的是改变电源频率来控制其速度的 磁力耦合器是机械产品 变频器是电子产品 安全稳定性等诸多方面磁力耦合器都优于变频器，不过磁力耦合器在国内的应用才刚刚起步变频器在国内的应用很广泛 调速型永磁磁力耦合器：依靠运动的永久磁铁-磁钢产生磁场，切割导体产生的涡流感应磁场，相互作用而传递力矩。变频器：依靠改变工频电的频率调速，技术成熟，已有二十年的历史。但有能量消耗，而且寿命很短，最好的品牌最高寿命也就 10年。永久磁场与涡流磁场的间隙可调，于是转速可调，从而，力矩可调，达到节能作用，此方式无任何能量消耗，或者消耗微乎其微。而且维护量低、寿命长 30年。 无谐波产生 有谐波产生永磁气隙耦合传动调速节能装置与联轴器的比较如下：调速型永磁磁力耦合器 联轴器 是使用去磁方式来达到调速目的不能调速 高效节能 不能节能 额定传动效率为 99% 额定传动效率为 99.9%永磁气隙耦合传动调速节能装置与液压钳耦合器的比较如下：调速型永磁磁力耦合器 液压耦合器 是使用去磁方式来达到调速目的利用液压达到调速的目的 高效节能，25%-60% 高效节能 传动效率为 90% 传动效率为 80% 体积小巧，占地空间小 体积庞大，占地空间大 免维护 漏油、更换密封圈、维护量大1.2 煤矿供电系统中谐波的原因和危害随着电力电子技术的发展，煤矿供电系统中大量的采用含半导体的非线性元件的负载，例如矿井提升机、通风机、主排水泵、带式输送机、架线式电机车等设备节能和控制用的电力电子设备，诸如各种变频器、交直流换流设备、变流器、整流设备、软启动设备等。它们都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波。煤矿供电网络谐波的危害主要是造成电网的功率损耗增加，设备寿命缩短，接地保护功能失灵，遥控功能失常，线路和设备过热等，还会引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力互感器、变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，从而造成供电网络设施损坏、元器件老化，造成电子保护装置误动作，增大附加磁场的干扰等。谐波对煤矿设备与线路的主要影响分析如下：（1）变压器。当谐波电流流经变压器时，会导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会使铁损增加。由于谐波所引起的额外损耗与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降，效率降低。同时谐波还导致变压器铁芯振动，噪声增加，寿命缩短。（2）电动机。谐波电流和电压对电动机所造成的影响，首先是铁损和铜损的增加，引起额外温升，导致电动机效率降低，同时还产生附加转矩，进而增加噪声，造成电动机振动而降低使用寿命，严重时，电机烧毁。（3）补偿电容器。谐波会造成电容器过电流，使电容器与供配电系统产生并联谐振或串联谐振，这将造成电容器迅速发生故障。同时，电容器会放大谐波，增大谐波对矿井供配电系统的影响。（4）电力电缆。在导体中非正弦波电流与具有相同方均根值的纯正弦波电流相比，会引起额外温升。由于导体对高频率谐波电流有集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，将导致电力电缆损耗（IR2）增加，电缆因过载而过热，使额定载流量减小，发生导体绝缘放炮或烧毁存在火灾隐患。（5）通信和信息线路。当供配电线路与通讯和信息线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，容易形成电场耦合和磁场耦合，谐波会对通讯和信息系统产生干扰，降低信号的传输质量，不仅影响声、像的清晰度和信息传输的准确性，严重时还会造成设备损坏，危及人身安全。（6）微机保护和控制设备。煤矿供配电系统中的谐波电压和电流，会导致供配电系统中各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现更为突出，容易引起越级跳闸，区域系统瓦解，造成故障扩大等恶性后果。谐波还会使仪表和电能计量出现较大误差。采用 PLC 控制的设备可能发生失控、死机、程序紊乱等现象，对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能会使晶闸管误动作或使控制回路误触发。会使煤矿井下供电的高低压供电系统上的漏电装置误动作，严重影响矿井供电及生产安全。谐波如果不经过治理直接进入上级电网，将会给电网带来严重的谐波污染。若采用永磁气隙耦合传动调速节能装置，则能够在大部分场合代替变频器、软启动等电气装置，避免了谐波的产生。1.3 国内外发展情况永磁传动装置目前可以分为三种：永磁筒型联轴器、永磁气隙耦合传动调速节能装置和永磁齿轮传动装置。永磁传动技术是近年来开发的一项突破性新技术；1940 年英国人 Charles 和Geoffrey Hwward 首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题，解决的方法是用磁力驱动泵。在以后 30 多年里永磁传动技术由于永磁材料的原因进步十分缓慢。1983 年高性能钕铁硼（Nd Fe B）永磁材料从稀土提炼出来，为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。目前我国内使用的有液力传动耦合器，尚存在漏液问题；永磁气隙耦合传动调速节能装置在国内也有应用，但都是德、美、日进口产品，尤其是美国沃佛一统天下，在技术上对我国进行封锁，但又利用我国的廉价稀土制造，转而高价出口到我国。在严峻的形势下，武汉康电电气有限公司与合作单位中船重工七一二研究所自2005 年一直致力于稀土永磁材料的研究和应用，已成功研制出了永磁电机、永磁传动装置，并在国产潜艇、蛟龙号、舰艇上应用，最大减少噪音和最大传递扭矩。1.4 未来发展展望永磁传动技术并非只是简单地利用磁体的同性相斥、异性相吸的原理，它是传动技术、材料技术、制造技术的集成。21 世纪制造技术不但将继续制造常规条件下运行的机器与设备，而且将制造出极端环境下运行的机械设备，21 世纪制造的产品应是符合节能和生态环保，与人友好的绿色产品，永磁涡流传动技术正是适应这一发展态势应运而生的。随着新技术、新工艺、新结构的不断出现，必将迎来永磁传动技术发展的新阶段；在我国各级专家和发明者的共同努力下，利用永磁气隙耦合传动调速节能装置代替变频器、变速器、联轴器、液压耦合器等装置的梦想一定能够实现。1.5 项目研究的意义无论是从保障煤矿电力系统的安全、稳定、经济节能运行的角度，还是从用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网” ，已经迫在眉睫。2. 项目承担单位与协作单位2.1 项目承担单位项目承担单位平煤股份公司是一个大型煤矿集团企业， “以煤为主、相关多元化”为发展战略，走新型工业道路，将建成煤炭主业突出、核心竞争能力强、可持续发展能力强，煤电化一体，在全国有重要影响的特大型能源企业，成为全国重要的火电基地、煤化工基地和冶金用煤基地，步入全国企业百强行列。平煤股份六矿位于平顶山市区西 10Km，于 1958 年兴建，1970 年简易投产，设计生产能力 90 万 t/a，经过三次技术改造，在生产调度、安全监测、信息通讯等方面实现了网络化管理，是一座技术先进的大型现代化矿井，连续多年获得“行业级质量标准化矿井” 、 “煤炭工业科技进步世家矿井” 、 “煤炭行业特级安全高效”矿井等荣誉称号，2011 年实际生产原煤 426 万 t，是平煤股份主力生产矿井。随着煤矿井下各种开关功率器件以及其它非线性负载的广泛的应用，导致谐波大量的注入电网，即电力污染。平煤股份六矿井上下通过变频器驱动的大功率异步电机越来越多，由于变频装置中整流和逆变部分采用的是变流技术，在工作时不同程度地产生了谐波，谐波的存在导致六矿井下电子设备及控制系统受干扰而无法正常工作，如井下馈电开关误跳闸和多次烧坏，主电机绕组也被击穿过，直接威胁煤矿井下供电和用电设备的安全。谐波污染问题日益突出，将对矿井的供电安全带来巨大的威胁，而供电安全与矿井安全息息相关，该项目研究不仅为平煤集团其他煤业集团井下供电系统谐波治理提供了宝贵经验，而且适用于其他矿山和工业企业供电系统谐波治理中使用，具有广泛的推广应用价值。2.2 项目协作单位协作单位武汉康电电气有限公司与中船重工第七一二研究所，一直致力于永磁传动技术的研究。中国船舶重工集团公司第七一二研究所，隶属于中国船舶重工集团公司，是我国唯一的舰船电力推进装置专业研究所，属国家骨干军工科研、设计、生产单位。1963 年 4 月在美丽的武昌南湖之滨正式组建。四十年来，承担了多项国家重大科研项目的研究设计生产任务，现已发展成为技术实力雄厚、试验手段先进的现代化国防工程应用研究所。在 2012 年已经成功研发永磁电机、400KW 的永磁气隙耦合传动调速节能装置，并在蛟龙号的推进装置上成功应用。七一二研究所现有职工 800 余人，其中工程技术人员 500 余人，具有中高级技术职称人员 400 多人，研究员 70 多名，省（部）级专家 30 名，享受政府津贴 16 名。先后取得 200 多项科技成果，其中省部级重大科技成果 100 多项，国家重大科研成果 20 多项。专业范围涉及自动控制、计算机开发应用、电力电子、电机、开关电器、多种化学电源、绝缘、化工材料等。3. 项目研究内容和目标3.1 项目研究内容该项目的主要研究内容包括：（1）针对六矿清水泵房备用泵，研制一台 37KW 永磁气隙耦合传动调速节能装置。（2）调研了国内各类谐传动装置现场使用情况和优缺点的对比分析。（3）已经设计制造一台 37KW 永磁气隙耦合传动调速节能装置，已经安装调试完毕。3.2 项目总体目标把六矿清水泵房 37KW 的电机能耗降至 25%-60%范围，且不产生谐波。产业化，标准化，并在煤炭、化工、石油、造纸等行业推广使用，并为研制永磁齿轮传动装置在传输带上的应用打下坚实基础。4. 项目研究的技术路线与关键技术为发展民品项目，拓展磁控电抗器的应用领域，开展调速型磁力耦合器的研制，面向于调速型传动市场应用，针对传统调速型液力耦合器开展新技术替代应用。通过与液力耦合器的对比论证，证明调速型磁力耦合器方案可行，技术先进。完成了前期的技术准备，转入下一技术阶段。本台 37kW/3000rpm 调速型磁力耦合器分带载启动类调速传动装置和风机、水泵类非带载启动传动装置的两大类应用而开发的，前者是根据其技术优势替代液力耦合器应用，后者应用于节能领域。本台磁力耦合器既作为调速型磁力耦合器的研制样机，也作为完整的产品可供给市场。4.1 永磁材料永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料，又称硬磁材料。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。金属永磁材料的发展始于 20 世纪初，之后得到了广泛的研究和应用。利用其能量转换功能和磁的各种物理效应（如磁共振效应、磁力学效应、磁化学效应、磁