40kW矿用永磁磁力耦合器的结构设计及特性测试.docx

doi:10.13436/j.mkjx.20141066矿用永磁磁力耦合器的结构设计及特性测试李 志 伟 ， 袁 文 琦 ， 孙 珂 ， 姜 心 蕊 ， 陈 为 华（中 国 矿 业 大 学 （北 京 ） 机电与信息工程学院 ， 北 京 100083）摘 要： 以煤矿 井下 常用的 40 kw 刮板 输送 机 为 对 象 ，设 计 了 适 合 煤 矿 生 产 的 40 kw 矿 用 永 磁 磁 力 耦合 器 ，并 对 其 机 械 特 性 、软 启动 特 性 、效 率 特 性 、温 升 特 性 进 行 了 测 试 分 析 ，得 出 了 永 磁 耦 合 器 是 一 种 高 效 的 动 力 传 递 设 备 ，完 全 具 备 恒转 矩 负 载 驱 动 能 力 ，且 具 有 明 显 的 过 载 保 护 性 能 和 软 启动特性。关键词 ： 40 kw 刮板 输送 机； 矿用 磁力耦合器 ； 测试分析 ； 过 载保护 ； 软启动特性40 kw中图分类号 ： th133.4文献标志码 ： a文章编号 ： 1003 0794（2014）10 0150 03structural design and characterization testing of 40 kw minepermanent magnetic couplingli zhi-wei, yuan wen-qi, sun ke, jiang xin-rui, chen wei-hua(school of mechanical electronic and information engineering， china university of mining and technology（beijing）, beijing 100083, china)abstract： we designed a 40 kw mine permanent magnet coupling based on commonly used in thecoal mine of 40 kw scraper conveyor ,and its mechanical properties, soft start characteristics, efficiency characteristics, temperature characteristics were tested and analysed, it is concluded that the permanent magnet coupling is a highly efficient power transmission equipment that complete with constant torque load drive capability, and has a significant overload protection and soft start characteristics.key words： 40 kw scraper conveyor； mine permanent magnetic coupling； test analysis； overloadprotection； soft start characteristics1 40 kw 矿用永磁磁 力耦合器的 结构设计根 据 煤 矿 井 下 采 煤 生 产 工 作 面 环 境 条 件 ， 以sgb620/40t 型边双链式 刮 板 输 送 机 为 应 用 对 象 ，对40 kw 矿用永磁磁力耦合器进行结构设计。 永磁磁力 耦合器的最大直径设计为 460 mm，总长度为 395 mm， 内 部 采 用 双 磁 盘 、 双 铜 盘 结 构 ， 磁 铁 分 布 为 每 盘 5对 ，磁铁厚度为 20 mm，铜盘厚度 14 mm，气隙 4 mm。性测 试方案 设计搭 建 实 验 测 试 平 台 的 目 的 是 全 面 了 解 设 计 永 磁 磁 力 耦 合 器 的 性 能 参 数 和 特 性 ，其 特 性 主 要 包 括转 速 与 转 矩 的 关 系 曲 线 （机 械 特 性 ）、转 速 与 时 间 的关 系 曲 线 （转 速 特 性 ）、 电 流 与 时 间 的 关 系 曲 线 （启动 特 性）、堵转时的温度与时间的关系曲线（温升特性）、转 矩与时间的 关系曲线 （转 矩 特 性 ）等 。 要 完 成这些 特 性 的 测 试 ， 除 采 用 常 规 的 转 矩/转 速 传 感 器 、 效 率 仪 和 电 涡 流 制 动 器 以 外 ，还 需 要 近 似 恒 转 矩 特 性 的 磁 粉 制 动 器 、电 子 秒 表 、电 流 检 测 装 置 、温 度 检 测 装 置 等 。 软 件 仿 真 是 以 ansoft maxwell 软 件 为 基 础，测试平 台系统如图 2 所示 。380 v其基本 结构如图 1 所 示。永磁磁力 耦合器主要 是由涡 流 损 耗 产 生 传 递 转 矩 ， 其 最 大 输 出 转 矩 限 值 为478.14 nm，最 小 输 出 转 矩 限 值 为 285.85 nm。由 于在 矿 井 生 产 中 ，重 载 、过 载 情 况 经 常 发 生 ，温 度 变 化范 围 较 大 ，从 安 全 可 靠 性 方 面 考 虑 选 取 剩 磁 密 度 为1.24 t， 矫 顽 力 为 9552 388 ka/m，钕铁硼 永磁体 。12 3 4 5型 号 为 n45sh变 频 器传 感 器 表传 感 器 表直 流 电 源转 速 、转 矩 传 感 器永 磁 耦 合 器转 速 、转 矩 传 感 器电 动 机负 载工 作 台图 2矿用永磁磁力耦合器测试平台系统 2.2矿用永磁磁 力耦合器的 机械 特性测 试选择 nj2d-2000 转速转矩传感器、cz-500，5 000图 1永磁耦合器基本结构 nm 磁 粉 制 动 器 和 y280m-4 型 90 kw 三 相 异 步 电动 机 ， 该 电 动 机 的 额 定 转 速 为 1 485 r/min， 额 定 转 矩 为 578.8 nm， 绘 制 机 械 特 性 曲 线 n =f （t） 如 图 31. 外 钢 盘 2. 铜 盘 3. 铝 盘 （永 磁 体 盘 ） 4. 永 磁 体 5. 内 钢 盘240 kw 矿用永磁磁 力耦合器的 特性测试测 试 平 台 的 搭 建 及 矿 用 永 磁 磁 力 耦 合 器 的 特2.1150第 35 卷第 10 期40 kw 矿用永磁磁力耦合器的结构设计及特性测试李志伟 ，等vol.35no.10所示。轴，做同样的 实验 。 通过测 试分别从转 速特性 、转矩特性和启动 特性 3 方面对 其软启动性 能进行分析 。（1）转速特性测 试图 4 为 测 试 的 电 动 机 和 永 磁 磁 力 耦 合 器 转 速 随时 间变化特性 曲线 。1 6001 4001 2001 0008006004002000abc1 6001 4001 2001 00080060040020012100200300400转 矩/nm500600700图 340 kw 永磁磁力耦合器的机械特性 该 特 性 曲 线 表 明 ，永 磁 磁 力 耦 合 器 的 机 械 特 性可 以 分 为 2 部 分 ：ab 段 ，耦 合 器 的 转 速 随 输 出 转 矩的 增 加 而 略 有 降 低 ，从 a 点 到 b 点 的 下 降 规 律 是 开 始 近 似 直 线 下 降 ， 而 后 下 降 速 度 逐 步 加 快 ， 该 段0010203040时 间/s506070图 4 40 kw 永磁耦合器的转速特性 1. 输 入 转 速 2. 输 出 转 速（2）转矩特性测 试该 项 测 试 也 是 分 析 永 磁 磁 力 耦 合 器 的 “软 启 ”性 能 的 因 素 之 一 ，同 时 验 证 永 磁 磁 力 耦 合 器 对 恒 转 矩 负 载 的 适 应 能 力 ，实 验 过 程 与 转 速 特 性 测 试 同 时特 性 曲 线上转矩对转速的导数始终小于 0，即 dtem dn0，说 明耦合器所拖动的负载无论恒转矩负 载 （ dtl =dn0）还 是 风 机 泵 类 负 载 （ dtl 0）都 是 稳 定 的 ，所 以 可进 行 ，用 效 率 仪 测 得 转 矩 数 值 。线如 图 5 所示 。600500测 试 的 转 矩 特 性 曲dn以 称 其 为 稳 定 工 作 区 ；bc 段 ，其 转 速 随 输 出 转 矩 的 增 加 而 增 加 ，此 时 转 矩 对 转 速 的 导 数 将 大 于 0，即 dtem dtl dtem 400300200100000， 对 于 恒 转 矩 负 载 （=0）， 不 满 足dn2dndn1dtl 的 稳 定 运 行 条 件 ，因 此 可 以 称 其 为 不 稳 定 工 作dn区 ，这 也 是 用 磁 粉 制 动 器 （恒 转 矩 性 质 负 载 ）进 行 实 验不能测 的 c 点以下 完整特性曲 线的主要原 因 。 而对 于 风 机 泵 类 负 载 ，虽 然 其 转 矩 对 转 速 的 导 数 也 大102030时 间/s40506070图 5 40 kw 永磁耦合器的转矩特性 1. 输 入 转 矩 2. 输 出 转 矩（3）启动特性测 试该 项 测 试 在 于 了 解 系 统 在 启 动 过 程 中 ，启 动 电 流 的 大 小 和 时 间 ，为 分 析 永 磁 磁 力 耦 合 器 的 软 启 性能 和 对 电 网 的 影 响 提 供 重 要 依 据 。 实 验 时 ，用 数 字于 0，但 由 于 这 类 负 载 的 特 性 曲 线 是 过 原 点 且 转 矩随 转 速 的 升 高 而 按 某 种 规 律 增 大 ，即 tl=tl0+kn（其中 tl0 为系统摩擦 转矩 ， 为 与 设 备 出 口 压 力 有 关 的 系 数 ，当 出 口 压 力 为 0 时 =2），所 以 耦 合 器 拖 动 这仍 满 足 dtem dtl钳 形 电 流 表 记 录 电 动 机 电 流 ，其 余 与 转 速 实 验 相类 负 载 时 ，的 稳 定 运 行 条 件 ，故dndn同。测 试的转矩特 性曲线如图 6 所示 。800bc 段也是 稳定工作区 。因 此 ， 通 过 实 验 和 分 析 可 知 ， 该 耦 合 器 不 但 适 用 于 恒 转 矩 负 载 ， 而 且 适 用 于 风 机 泵 类 负 载 ， 只 是在 拖 动 恒 转 矩 负 载 时 ，只 要 负 载 转 矩 不 大 于 耦 合 器 的 最 大 转 矩 ， 系 统 就 是 稳 定 的 ； 拖 动 负 载 为 风 机 泵类 负 载 时 ，系 统 始 终 是 稳 定 ，在 负 载 有 很 大 波 动 时 ，系统 的转速也将 发生大幅度 变化 。7006005004003002001001200510152025时 间/s303540图640 kw 永磁耦合器的启动特性 2.3永磁磁 力耦合器软 启动从 空 载 开 始 ， 直 接 对 系 统 加 电 启 动 ， 同 时 用 电1. 直 接 启 动 电 流 2. 带耦合器直接启动电流 （4）40 kw 永磁磁力耦 合器的软启 动性能参 数子 秒 表 记 录 时 间 ，用 效 率 仪 记 录 电 动 机 和 负 载 的 转速 ，系 统 启 动 完 毕 时 切 断 电 源 ， 然 后 由 磁 粉 制 动 器 对 系 统 施 加 一 定 负 载 ， 再 进 行 加 电 启 动 ， 如 此 反 复直 到 额 定 负 载 下 的 启 动 ，完 成 不 同 负 载 下 的 转 速 特性 测 试 。 为 了 与 “硬 启 动 ”比 较 ，将 耦 合 器 换 为 直 连比较通 过 对 已 设 计 的 40 kw 永 磁 磁 力 耦 合 器 进 行实 际 测 试 ，该 永 磁 磁 力 耦 合 器 的 软 启 动 性 能 比 较 理 想 ， 在 额 定 负 载 下 ， 电 动 机 的 启 动 电 流 为 692.8 a，启 动 时 间 为 6 s，启 动 电 流 维 持 时 间 为 3.8 s，负 载 启151转 速/rmin-1转 矩/nm转 速/rmin-1电 流/a vol.35no.10 40 kw 矿用永磁磁力耦合器的结构设计及特性测试 李志伟 ，等第 35 卷第 10 期动 时 间 为 27.6 s，与 没 有 耦 合 器 的 直 联 接 启 动 相 比 ，统 堵 转 ，使 耦 合 器 过 载 ，并 同 时 记 录 时 间 、耦 合 器 温度、电机电流 和电机转 速 ，当耦合器 温度达到 100 启动 电流明显降 低 。二者的 比较如表 1 所 示。表 1软启动与直接启动参数比较 时切断电源 。实验测得温 升特性曲线 如图 8 所示 。从 该 实 验 曲 线 可 以 看 出 堵 转 发 生 时 ，耦 合 器 的温 度 在 非 常 短 的 时 间 内 就 上 升 到 了 近 百 摄 氏 度 ，且 温 度 与 时 间 的 变 化 基 本 是 线 性 的 ，因 此 在 进 行 堵 转 保 护 设 计 时 ，既 可 以 采 用 温 升 原 则 也 可 以 采 用 时 间 原 则 实 施 过 热 保 护 ，确 保 温 度 达 到 某 一 数 值 时 或 从堵 转 开 始 到 达 某 一 设 定 时 限 时 使 保 护 装 置 跳 闸 ，切断 电 动 机 电 源 ，以 避 免 温 度 过 高 而 损 坏 设 备 或 造 成 其 他事故 。项 目有耦合器系统启动 无耦合器系统启动 电动机初始输出转矩/nm启动电流平均值/a启动电流存在时间/s电动机启动时间/s负 载 启 动 时 间/s531390.93.8627.6631.9402.64.67.87.8由 表 1 中 数 据 可 知 ，永 磁 磁 力 耦 合 器 的 存 在 使系 统 启 动 时 电 动 机 的 初 始 输 出 转 矩 减 小 ，使 负 载 的 加速时间延长 ，这就减小 了对机械 设备的冲击 ，起到了 软 启 的 效 果 ；同 时 电 动 机 的 启 动 电 流 和 时 间 都 有12010080所 减 小 ，减 小 了 系 统 启 动 时 对 电 网 电 压 的 影 响 。以，永磁磁力耦合器的软启动效果是比较理想的。所2.4效率特 性测 试该 项 测 试 的 目 的 是 掌 握 永 磁 磁 力 耦 合 器 在 不604020同 负 载 下 的 运 行 效 率 ，为 用 户 对 设 备 的 选 型 和 使 用提 供 依 据 。 实 验 过 程 及 方 法 与 上 述 机 械 特 性 测 试 相 同 ， 只 是 不 需 要 电 动 机 堵 转 ， 测 得 从 空 载 到 额 定负 载 时 的 效 率 即 可 。 实 验 测 得 效 率 特 性 曲 线 如 图 7所 示 。010203040时 间/s506070图 840 kw 永磁耦合器的温升特性 结语本 文 进 行 了 40 kw 矿 用 永 磁 磁 力 耦 合 器 的 结 构 设 计 ，并 通 过 搭 建 模 拟 工 况 测 试 平 台 ，对 耦 合 器 进 行 了 较 全 面 的 性 能 测 试 ，取 得 了 该 耦 合 器 的 机 械 特 性 、启 动 特 性 、效 率 特 性 、温 升 特 性 等 曲 线 。 实 验 表 明 ： 永 磁 磁 力 耦 合 器 具 有 较 大 的 启 动 转 矩 ，在 额 定 负载时效 率达 99.4%，负 载 率 （实 际 负 载 与 额 定 负 载之 比 ）为 75%时的效 率达到 99.9%，是 一 种 高 效 动 力 传 递 设 备 ；永 磁 耦 合 器 完 全 具 备 恒 转 矩 负 载 驱 动 能 力 ，且 具 有 明 显 的 过 载 （堵 转 ）保 护 性 能 和 软 启 动 特 性 。 因 此 ，40 kw 永 磁 磁 力 耦 合 器 既 适 用 于 风 机 泵 类 负 载 ，也 适 用 于 恒 转 矩 负 载 ，使 其 代 替 液 力 耦 合 器 成 为 可 能 ，为 其 定 型 生 产 和 在 煤 矿 生 产 推 广 应 用提 供了理论和 应用基础 。参 考 文 献:1钱广华，高海山. 永磁调速器应用在鼓风机上的节能效果分析j. 电 气 应 用 ，2009,28（22）:24-27.2牛 耀 宏 ，孟 国 营. 矿用永磁耦合联轴 器过载保护研究 j. 煤 炭 工 程 ，2014,46（2）:106-107，110.3马 玄. 轴向永磁联轴器承载能力和涡流损 耗 分 析 d. 长 春 :吉 林 大 学 ，2011.4王 玉 良 ，周 福 昌. 永磁传动器设计制 造中的几个问题 j. 磁 性 材 料 及 器 件 ，2000,31(4):2225.5赵家文.磁力传动联轴器及其应用j. 机械设计与制造工程，2002，31(2):74-75,77.3105100959085800