永磁耦合器应用于刮板输送机的可行性分析

1、永磁耦合器应用于刮板输送机的可行性分析覃新川School of Mecha ni cal and Power Engin eer ingEast China Uni versity of Scie nee and Tech no logyShan ghai, Chinaqxczm.c n姜超越,钱苏醒School of Mecha ni cal and Power Engin eeri ngEast China Uni versity of Scie nee and Tech no logyShan ghai, Chinademo n13518输出轴Abstract In order to s

2、olve the problem of scraper conveyor plug resulting from collapse of coal seam, some coal mine machinery companies consider applying permanent magnetic coupling replacing fluid coupling in scraper conveyor. In assumed conditions, some equations about torque, power and heat productivity, which were d

3、educed from the operating principle were used in practical. Finally, we get the conclusion that applying permanent magnetic coupling can't deal with this problem in given conditions.Keywords: permanet magnet coupling; magnetic induction; torque; heat productivityI. 简介永磁耦合技术（涡流式磁力驱动技术）是美国能源部 岀资为海

4、军舰艇开发的一项新的驱动连接技术，1999年由美国Magna Drive公司转化到民用领域，主要应用于风 机、水泵类载荷的驱动。国内主要由中达电通股份有限公 司负责制造、经销。永磁耦合技术解决了旋转负载系统的对中、软启动、 减震、调速及过载保护等问题。它是通过导磁体和永磁体 之间的气隙实现电动机到负载的扭矩传输，使电动机和负 载侧没有机械连接。通过调整气隙的大小可以实现传递扭 矩的大小，从而实现负载速度的调节。永磁耦合技术在大 功率传递中与变频器调速方案相比具有无可比拟的优越 性，这主要体现在系统的可靠性、长期运行的稳定性和经 济性等各个方面。长期以来，采煤工作面所使用的煤矿井下刮板输送机 由

5、于工作环境所致，经常出现由于载荷突然成倍增加导致 电动机出现卡堵现象（大量煤炭塌帮，导致负载成倍增 加）。传统的处理方式是依靠人工卸载（将多余的煤炭人 工卸载至采空区扔掉），其不仅劳动强度大，费时多，且 造成对资源的极大浪费。国内某煤机集团考虑应用永磁耦 合器代替原刮板输送机的液力耦合器，希望实现刮板输送 机的低速大扭矩启动，要求启动扭矩为电机额定扭矩的 23倍，或者依靠永磁耦合器的自动调节功能，避免刮板 输送机的闷车现象发生。由于煤矿井下刮板输送机的驱动 功率较大（此次研究的驱动电机功率初定为855kW ），在高转差率（实现低速驱动）条件下，发热量较大（初步预 计发热量为200kW左右），如

6、何计算发热量？怎样将这 些发热量传出等理论问题成为研制工作的难点。由于传递 功率过大，发热量计算等理论问题成为研制工作的难点。 为此厂家希望我们通过理论分析，确定这一设想的可行 性。II. 基本工作原理与假定条件永磁耦合器主要由导体转子、永磁转子和控制器三部 分组成。如图1所示为永磁耦合器的原理简图，导体转子 固定在电机轴上，永磁转子固定在负载轴上，导体转子和 永磁转子之间有间隙（气隙），其减小的调整通过控制器 来完成。这样电动机和负载由原来的机械连接转变为磁连 接，通过调节永磁转子和导体转子之间的间隙就可实现负 载轴上的输出扭矩变化，从而实现可调整的、可控制的、 可重复的负载转速。电机轴（输

7、入轴）气隙图1永磁耦合器原理简图计算模型的基本假定条件： 磁力线的分布：不考虑磁场强度在导体盘（材质为 电解铝或电解铜）中的衰减（因金属铝、铜的相对磁导率Jr偏小，工程计算可取 "r =1 ）；具体讲：由于导体盘厚度较薄（实际有效部分仅为2.2mm ），可设磁场在此范围内（沿厚度）大小、方向均不变；沿径向为常数；沿环 向为正弦规律变化； 在正常工作范围内，导体盘与驱动轴之间的转速差 很小（其最大值接近电机转速），导致导体盘上的磁场变 化频率很小，铜导体盘在趋肤效应最明显时的趋肤深度（磁场变化的频率最大为：fmax = 1500 = 25 HZ ）达到6016.28毫米。从而对于厚度仅

8、为4毫米的铜导体盘可不考虑导体盘上感生电流的趋肤效应；ill. 稳定条件下的电磁关系由于永磁转子的旋转（由电动机带动），永磁转子在 导体盘上产生旋转磁场，从而在导体盘上的感生电场的强 度可表示为：f-v B -0n B0sin r(1)300为运动导体的相对线速度；r0为径30n =-压为导体盘（电机）转速n与永E ne其中：V向单位向量；久磁铁盘n2的转速差；由于速度的拟均匀性，因此，当磁场沿环向的分布为 正弦分布时，感生电场的分布也基本与磁场分布一致。只刑兀是因v =r -，由于r?的线性关系，使得靠近转轴方向偏小。于是感生电流密度为：Ene在JI日而微弧长E = v B=0B0 sin3

9、0日。（径向）导体板（条）在磁场中所受的力为：dF =ldl B =（j b.：dvdl） B其中，b为导体板厚度；当 b的厚度很小时，可认为在此 范围内磁场强度不变；由于环形金属条不切割磁力线，因此在磁极有效作用 范围内，感应电流只有径向分量才对转矩有贡献；切向分 量对转矩没有贡献。微元力矩：dM =dF =（j 匕：灯刘1） B 一对磁极产生的驱动转矩为：j0. r2(2)(3)(4)PLn当电机转动方向为顺时针（磁力线起源处M =2d 二（j br;?d l B）N极在前, 磁力线回收处S极在后）时，且永久磁铁在转盘上方，则 N极下方导体板的感应电流方向为由外部指向转轴中心， 而S极下方

10、导体板的感应电流方向为由转轴中心指向外 部。两者（感应电流）在磁场下产生的力（或相对于转轴 的力矩）与电机转动方向相同。所以，一对磁极产生的驱 动力矩为：B 一M =2 d8J r px（j br（dl 汨）01"02=2b o 丫：、（E：dl B）(5)24* n兀2P2日0兀日必 30B04f °4in 2R0一个单磁极消耗的功率（发热量）：21："2B0 sin brdr30 二0 1 2 , 0 -sin .才二04=辭叫芒氐4IV. 具体算例现有永磁耦合器已知条件：磁感应强度B0min =1.18T，导体板厚度b = 2.2mm， 铝导体盘电导=3.8

11、2 107 s m ；热导率208W/（m K）；永久磁铁所在位置：片=250mm, r2 = 350mm ；单个永久磁铁所占弧角 二0二二.13 （最多可布置26个永久磁 铁，实际布置12个永久磁铁）；采用双圆盘结构。代入已知数据，单个磁铁在不同转速差下运行时的发 热量为：n24 J?兀1 小i PP= B° b ；=sin23304 n 2日 0 4甘。=0.4298n2 W12个磁极的总发热量为：P“ = 12 0.4298n2W = 5.1581 n2W总、根据（8 ）、（ 9）两式可计算岀对于给定电机在给定 转差率时永磁耦合器的发热量。表1不同转速差下，永磁耦合器的发热量(

12、B =1.18T)(单边)转速差（rpm）1020304050发热量（kW）0.51582.0634.4628.25312.89转速差（rpm）6080100200300发热量（kW）18.5733.0151.57206.3464.2不同转速运行时一对磁极产生的驱动力矩：甘n兀2d2日0兀日 12兀日aM =2bB° ：sin f304 兀2弘 4 日0= 8.209n N m6对永久磁铁产生的转矩为：M 总二 6 8.209n N m= 49.273n N m 于是，永磁耦合器传递的总功率为：2 二 M n2 _ M n2(8)(9)(10)(11)49.273 nrh609.55

13、9.55其中，门2 :“厲- n, n1 = 1485为电机输岀轴转速，单位 为 rpm ；根据（11）、（12）两式可计算岀在给定转差率时永磁耦 合器所能传递的总功率和相应的扭矩。表2:不同转速差下，永磁耦合器的扭矩和功率（B =1.18T）（单边）转速差1020304050(rpm)扭矩（Nm)492.6985.21477.71970.22462.8功率（kW）76.06141.1225.1298.1370.1转速差6080100200300(rpm)扭矩（Nm)2955.23940.34926985214777功率(kW)440.9579.1714.31325.4准备配备的电机型号为：Y

14、BSS 855 4 -4142SJ ;功率为855kW ;其额定转速为 1485rpm，额定转矩为 5498N.m。从表2可以看出：欲使永磁耦合器传输的转矩达到和 接近电机的额定转矩 5498N.m，由于磁力耦合器为双圆盘 结构，磁力耦合器的转速差将达到60rpm左右；从表1可知，此时永磁耦合器的发热量（也就是功率损耗）计算值 为18.57kW，占电机输岀功率的4.04%，这在一般情况下是可以接受的；但是，如果希望永磁耦合器输岀的力矩为 额定值的两倍左右，则由表2可以看岀，此时永磁耦合器的导体转子与永磁转子的转速差将达到 100rpm左右，相 应的由表1可知其此时永磁耦合器的发热量计算值为 5

15、1.57kW，占电机输岀功率的 6.73%，这个数值在通常情 况下是不能被接受的，但作为事故处理（刮板输送机因载 荷突然增加所导致的堵死现象）的短时运行，也是可以接 受的。不过还要注意一点，此时永磁耦合器传递的功率已 达2X 714.3kW，也就是说根据能量守恒定律，选定 855kw异步电动机不可能带动永磁耦合器达到这个状态。V.结论与展望根据上述分析，考虑应用永磁耦合器代替原刮板输送 机的液力耦合器，希望实现刮板输送机的低速大扭矩启 动，要求启动扭矩为电机额定扭矩的23倍。在现有条件下，存在相当的困难，可能难于实现。主要原因是单个永 磁耦合器的调速范围相当有限。当然，采取一定的技术措 施，比

16、如串联2级甚至多级永磁耦合器来缩小单个永磁耦 合器的调速范围也是可能达成目标的。同时，采用永磁耦合器作为刮板输送机电动机和减速 器之间的连接部件，并利用永磁耦合器作为调速部件，企 图在刮板输送机闷车后实现大转矩启动，或者依靠永磁耦合器的自动调节功能，避免刮板输送机的闷车现象发生。 应该说这是一个很好的创新想法，值得尝试。但是，在刮 板输送机电动机和减速器之间安装永磁耦合器实际上构成 了一个全新的拖动系统。对于这样一个全新的拖动系统具 有什么特殊的性质？是否能够满足上述要求？或者需要采 取什么具体的措施才能满足上述要求，必须将这个全新的 拖动系统作为整体来进行系统的分析，否则盲目的实验至 少会走

17、不少弯路，甚至导致整个实验的失败。因此，如果 现场有这样的需求，对这个全新的拖动系统作为整体来进 行系统的分析是必须进行的工作。另外，我们的分析也相当粗造，还有待进一步的细 化，更需要试验结果的检验。references1 E.J. Davies, An Experimental and Theoretical Study of EddyCurrent Couplings and Brakes. IEEE Trans. on PAS, PAS-67, 1963.2 Thomas W. Nehl & Bruno Lequesne. Nonlinear Two-Dimensional Finite Element Modeling of Permanent Magnet Eddy Current Couplings and Brakes. USA: General Motors Corporation, 1994.3 Kezhong Zhao,