非电励磁高效节能机械传动装置的研究与应用讲解

1、 46 -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 2023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2023年2月15日 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc371797206 1. 研究依据 PAGEREF _Toc371797206 h 3 HYPERLINK l _Toc371797207 1.1工程背景 PAGEREF _Toc371797207 h 3 HYPERL

2、INK l _Toc371797208 1.2煤矿供电系统中谐波的原因和危害 PAGEREF _Toc371797208 h 5 HYPERLINK l _Toc371797209 1.3国内外开展情况 PAGEREF _Toc371797209 h 7 HYPERLINK l _Toc371797210 1.4未来开展展望 PAGEREF _Toc371797210 h 8 HYPERLINK l _Toc371797211 1.5工程研究的意义 PAGEREF _Toc371797211 h 9 HYPERLINK l _Toc371797212 2. 工程承当单位与协作单位 PAGERE

3、F _Toc371797212 h 9 HYPERLINK l _Toc371797213 2.1工程承当单位 PAGEREF _Toc371797213 h 9 HYPERLINK l _Toc371797214 2.2工程协作单位 PAGEREF _Toc371797214 h 11 HYPERLINK l _Toc371797215 2.3工程组成员 PAGEREF _Toc371797215 h 11 HYPERLINK l _Toc371797216 3. 工程研究内容和目标 PAGEREF _Toc371797216 h 13 HYPERLINK l _Toc371797217 3

4、.1工程研究内容 PAGEREF _Toc371797217 h 13 HYPERLINK l _Toc371797218 3.2工程总体目标 PAGEREF _Toc371797218 h 13 HYPERLINK l _Toc371797219 4. 工程研究的技术路线与关键技术 PAGEREF _Toc371797219 h 13 HYPERLINK l _Toc371797220 4.1永磁材料 PAGEREF _Toc371797220 h 14 HYPERLINK l _Toc371797221 4.1.1铝镍钴系永磁合金 PAGEREF _Toc371797221 h 15 HY

5、PERLINK l _Toc371797222 4.1.2铁铬钴系永磁合金 PAGEREF _Toc371797222 h 18 HYPERLINK l _Toc371797223 4.1.3永磁铁氧体 PAGEREF _Toc371797223 h 20 HYPERLINK l _Toc371797224 4.1.4稀土永磁材料 PAGEREF _Toc371797224 h 20 HYPERLINK l _Toc371797225 4.1.5复合永磁材料 PAGEREF _Toc371797225 h 21 HYPERLINK l _Toc371797226 4.2技术方案 PAGEREF

6、 _Toc371797226 h 21 HYPERLINK l _Toc371797227 4.2.1磁力耦合器本体方案 PAGEREF _Toc371797227 h 22 HYPERLINK l _Toc371797228 4.2.2控制系统方案 PAGEREF _Toc371797228 h 24 HYPERLINK l _Toc371797229 4.2.3主要技术指标 PAGEREF _Toc371797229 h 25 HYPERLINK l _Toc371797230 4.3方案论证 PAGEREF _Toc371797230 h 25 HYPERLINK l _Toc37179

7、7231 4.3.1电磁方案论证 PAGEREF _Toc371797231 h 25 HYPERLINK l _Toc371797232 4.3.2结构方案论证 PAGEREF _Toc371797232 h 28 HYPERLINK l _Toc371797233 4.3.3控制系统方案 PAGEREF _Toc371797233 h 31 HYPERLINK l _Toc371797234 4.4结论 PAGEREF _Toc371797234 h 32 HYPERLINK l _Toc371797235 5. 工程特色和创新点 PAGEREF _Toc371797235 h 33 HY

8、PERLINK l _Toc371797236 5.1工程特色 PAGEREF _Toc371797236 h 33 HYPERLINK l _Toc371797237 5.2工程创新点 PAGEREF _Toc371797237 h 33 HYPERLINK l _Toc371797238 6. 工程预期成果和设备主要技术指标 PAGEREF _Toc371797238 h 35 HYPERLINK l _Toc371797239 6.1技术成果与形式 PAGEREF _Toc371797239 h 35 HYPERLINK l _Toc371797240 6.2设备主要技术指标 PAGER

9、EF _Toc371797240 h 35 HYPERLINK l _Toc371797241 7. 到达的经济社会效益及推广应用的前景 PAGEREF _Toc371797241 h 35 HYPERLINK l _Toc371797242 8. 工程实施措施 PAGEREF _Toc371797242 h 36 HYPERLINK l _Toc371797243 8.1工程实施措施 PAGEREF _Toc371797243 h 36 HYPERLINK l _Toc371797244 8.2组织保障 PAGEREF _Toc371797244 h 36 HYPERLINK l _Toc3

10、71797245 8.3实施步骤 PAGEREF _Toc371797245 h 36参考文献371. 研究依据1.1工程背景 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本钱，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适宜，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，为了平安可靠，先易后难的原那么，

11、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较的。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到达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平安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。永久磁场与涡流

12、磁场的间隙可调，于是转速可调，从而，力矩可调，到达节能作用，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。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。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到达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到达调速目的利用液压到达调速的目的高效节能，25%-60%高效

13、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开展，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

14、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，谐波电压那么会使铁损增加。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

15、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粹弦波电流相比，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

16、晰度和信息传输的准确性，严重时还会造成设备损坏，危及人身平安。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上下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平安。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。假设

17、采用永磁气隙耦合传动调速节能装置，那么能够在大局部场合代替变频器、软启动等电气装置，防止了谐波的产生。1.3国内外开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开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

18、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2023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未来开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，

19、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开展态势应运而生的。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开展的新阶段；在我国各级专家和创造者的共同努力下，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工程研究的意义无论是从保障煤矿电力系统的平安、稳定、经济节能运行的角度，还是从用电设备的平安、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. 工程承当单位与协作单位2.1工程承当单位工程承当单位平煤股份公司是一

20、个大型煤矿集团企业，“以煤为主、相关多元化为开展战略，走新型工业道路，将建成煤炭主业突出、核心竞争能力强、可持续开展能力强，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、平安监测、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、“煤炭行业特级平安高效矿井等荣誉称号，2023年实际生产原煤426万t，是平煤股份主力生

21、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局部采用的是变流技术，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屡次烧坏，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平安。谐波污染问题日益突出，将对矿井的供电平安带来巨大的威胁，而供电平安与矿井平安息息相关，该工程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珍贵经验，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

22、，具有广泛的推广应用价值。2.2工程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，承当了多项国家重大科研工程的研究设计生产任务，现已开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2023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

23、，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. 工程研究内容和目标3.1工程研究内容该工程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比照分析。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工程总体目标把六矿清水泵房37KW的电机能耗降至

24、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根底。4. 工程研究的技术路线与关键技术为开展民品工程，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比照论证，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

25、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应市场。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局部。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。金属永磁材料的开展始于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、磁生物效应、磁阻效应和霍尔效应等可将金属永磁材料做成各种形式的永磁功能器件。人们通常根据应用领域中的实际需求如耐氢

26、、可加工、力学特性和高性能等来选择不同特性的金属永磁材料作为应用和研究对象。随着金属永磁材料在空天飞行、计算机、石油开采、电动汽车、新能源和通讯等高科技领域的广泛应用，对高性能金属永磁材料探索和开发成为各国磁性材料工作者的长期研究热点。最近，世界主要科技强国如日本、美国等都调整并加快了高性能或新型稀土永磁材料的研究进度。尤其是美国，2023年启动了500万美元的磁能积大于或等于717kJ/m3的新型永磁材料研究工程，从而推动并掀起了新一轮研究热潮。4.1.1铝镍钴系永磁合金上世纪30年代，AlNiCo永磁合金的发现是永磁材料开展史上的一个重要里程碑，70年代以前一直处于永磁材料的领先地位。但由

27、于该合金含有昂贵的战略物资Ni和Co，特别是70年代发生的Co危机及60年代末和70年代初高性能稀土永磁材料的发现，使其应用受到很大冲击。如1972年，AlNiCo永磁体占磁体工业的40，而1982年那么降至7。根据磁性能使用要求的不同，相继开发了AlNiCo2、AlNiCo5和AlNiCo8等合金系。这些合金中。Al含量和Ni含量根本保持不变，而Co含量逐渐增加，分别为l3%、24%和34%左右。其中AlNiCo5具有较高的Br值，该值可达1.3-1.45T，应用最为广泛，其次为具有高磁能积的AlNiCo8合金。提高Co含量及添加5%-9%左右的Ti可以增加合金的各向异性，提高矫顽力。柱状晶

28、AlNiCo8合金经磁场热处理后，磁性能目前是AlNiCo系合金中最高的，其Br到达1.17T，Hc为125kA/m，(BH)max达107.5kJm3。尽管AlNiCo合金含有战略物资元素、价格较昂贵、脆性大、不易变形和难加工，但因具有其它永磁合金难以比较的磁稳定性和很小的可逆剩磁温度系数及优异的综合性能，应用仍相当广泛。1985年，全世AlNiCo的产值为15亿美元，占整个永磁体工业15%左右。1992年，AlNiCo系合金产量占整个永磁体产量的比率略有降低，约为145%。而我国AlNiCo合金产量约占世界总产量的50%。AlNiCo系列永磁合金的磁性能很大程度上取决于调幅分解所形成的微观

29、组织结构，即弱磁相和强磁相的相互搭配。研究说明，经两级回火处理后的AlNiCo合金具有最正确磁性能，由于合金化学成分不同，具体的回火温度及保温时间可能有所差异，但相应的终态组织都是由具有四方结构的两相构成。第一阶段回火引起相成分重新分配，表现为两相正方度的变化及穆斯堡尔谱顺磁峰的出现；而经第二阶段回火其单胞尺寸不发生任何变化，基体相有序度增加，后者有效地提高合金矫顽力。AlNiCo系永磁合金矫顽力机制可由单畴理论而得到很好的解释。AlNiCo系永磁合金的制备方法有多种，主要包括铸造法和烧结法。其中烧结AlNiCo材料矫顽力与铸造法生产的相差不多，而Br低5%左右，但前者易于加工和成型。铸造法制

30、备时往往将定向凝固和磁场热处理相结合。确保获得结晶织构和磁织构，即双重织构。A1NiCo永磁合金的易磁化方向为。调整和控制定向凝固工艺参数如冷却速率等，可以保证所形成的柱状枝晶轴方向与平行，从而获得具有一定取向的柱状晶组织，经热处理后保证获得结晶织构，增加合金的各向异性，提高磁性能。如在液态AlNiCo合金中预置种晶，采用定向凝固技术制备单晶体，最大磁能积可以达副106664kJ/m3。假设随后进行磁场热处理，即在稍低于居里温度以下保温，同时沿方向施加外磁场，使得铁磁颗粒沿基体拉长生长，形成磁织构，那么能够进一步提高合金的各向异性及矫顽力，也可以通过变形的方法来获取取向有利的变形织构。尽管Al

31、NiCo系合金迄今为止研究较为成熟，但仍存在一些理论问题悬而未决。比方沉淀相尺寸过于细小，其化学成分难以精确测定，对构成合金的强磁相和弱磁相的各自特性了解甚少，对调幅分解动力学过程研究不够清楚以及不能清楚说明有序度对矫顽力的影响机制。鉴于其它永磁合金难以替代AlNiCo系合金在一些重要领域如航空、航天及军事领域等的应用，有必要对这些同题进行更深入的研究。4.1.2铁铬钴系永磁合金FeCrCo永磁合金也是目前被广泛使用的一种可加工永磁合金。1971年，日本东北大学教授金子秀夫和本间基文等人着眼于永磁合金中调幅分解的作用，通过添加Co和Mo来促进FeCr系相的两相别离反响。他们将合金熔炼后于130

32、0保温30min并淬火，接着进行磁场热处理，最后分级回火，发现磁体的磁能积BHmax超过24kJ/m3，从而成功地研制出了含Co23质量分数的具有永磁性能的FeCrCo合金。FeCrCo合金的研究高潮主要出现在合金创造的1970年代初到1980年代末。在1990年后，合金的研究逐渐缓慢了下来。这一方面是因为合金研究已经到达了一个相对稳定的高度，其后没有取得重大的技术突破；另一方面是因为FeCrCo合金本身磁性能的局限性使其一直没有成为主流磁体，而主要应用在特殊场合。虽然从发表论文数量来看，已经低于往年，但日本、美国、俄罗斯等国仍在继续研究，而其它一些国家比方欧洲和中国，主要针对合金磁性机理开展

33、研究，探索和开发一些新的物理现象和特性。FeCrCo永磁合金的应用范围相当广泛，能取代AlNiCo5而用于电气测量仪表、电子、电器、通讯仪器、音响仪器等方面。轧制FeCrCo永磁合金与各向同性AlNiCo2相比，由于磁能积高，用于原采用AlNiCo2的领域也是十分有利的。由于FeCrCo辐射环不宜使用粉末冶金、形变-时效、旋锻等特殊方法制备，而仅能使用传统的铸造及热处理工艺制备。因此，研究适用于制备辐射环的高矫顽力FeCrCo永磁材料是此种材料的一个研究热点和难点。钢铁研究总院通过优化Fe-30Cr-25Co-2Mo-1.6Zr合金的成分和热处理条件，获得了磁性能Br0.9T，Hc796104

34、A/m，(BH)max28kJm3的FeCrCo永磁合金。并且发现合金矫顽力与力学性能变化趋势相反，添加少许稀土元素后力性稍有改善。并成功研制出了FeCrCo辐射环。透射电镜照片显示了合金的调幅结构(1+2)，它对磁场热处理温度敏感，与普通FeCrCo合金的调幅结构有所不同见图1；X射线衍射结果说明合金的bcc结构在调幅分解中不发生变化，但1和2两相的晶格常数稍有区别。穆斯堡尔谱清楚地显示了非磁性相2的产生和磁性相1的完善，高矫顽力合金比普通FeCrCo具有更大的两相成分差见图2。以上结果说明，FeCrCo磁体的硬磁特性归于自旋取向引起的形状变化的磁相别离，磁相源于Cr与FeCo原子的自旋取向

35、不同。在外磁场的驱动下，形成铁磁性相的富FeCo相及弱磁性富Cr相；时效处理后，铁磁相自旋重组，从(100)方向向(112)转动，形成调幅结构。 图1 图24.1.3永磁铁氧体主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，本钱低，可代替铝镍钴永磁体制造磁别离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。4.1.4稀土永磁材料主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、

36、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的35倍，永磁铁氧体的810倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承、磁力耦合器等的磁系统。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。4.1.5复合永磁材料由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。除金属复合永磁材料外，其他复合

37、永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150。但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各局部性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等。4.2技术方案本工程的主要任务是开展37kW/3000rpm调速型磁力耦合器的研制工作，完成调速型磁力耦合器的设计与生产，并实现调速控制在清水泵房中的应用。调速型磁力耦合器系统技术方案组成如图3所示，由调速型磁力耦合器本体，气隙调节执行器和控制器组成。电机与负载通过调速型磁力耦合器连接，执行器接收控制器的信号并响应执行气隙的调节，通过改变磁力耦合器的气隙长度，改变耦合力矩，调

38、节转矩。控制器综合处理磁力耦合器温度，驱动负载的流量，压力等信号，根据运行环境的要求，运用适当的控制策略进行控制和保护。图3 系统技术方案组成4.2.1磁力耦合器本体方案磁力耦合器本体方案如图4、5、6、7所示。 图4图5磁力耦合器总装图图6传动盘装配图图7转轴及附件装配4.2.2控制系统方案控制系统包括CPU单元、模拟量模块A/D、D/A模块、液晶显示屏、后台监控。框图见图8。图8 控制系统框图1CPU单元是系统的核心，实现信号处理计算、通讯等。CPU将用户设定的流量、压力信号与变送器反响信号进行比较，经过PID调节，输出信号经过D/A模块到电动执行器。CPU的通讯是与液晶屏进行实时数据交换

39、，同时也与后台监控进行数据交换。2模拟量模块完成将压力或是流量变送器信号4-20mA转换成数字量，同时将CPU计算后的数字信号转换成模拟量信号4-20mA，满足电动执行器接口需求。3液晶显示屏显示磁力耦合器的位置、转速等参数。同时将用户设置的参数传递给CPU。4后台监控满足了用户远程监视和控制磁力耦合器的运行状态的要求。4.2.3主要技术指标本产品可在一般环境及带粉尘、有腐蚀、高温、低温、易燃易爆、电压不稳及雷电等恶劣环境下使用。环境温度：-40+50；温升：90海拔高度：1000m；相对湿度：日平均值不大于100%转速: 0至3000rpm额定功率：37kW额定转速：3000rpm4.3方案

40、论证4.3.1电磁方案论证1.电磁方案组成磁力耦合器的主要局部由图9所示，由主动盘、传动磁盘、铜盘和永磁体组成。其中，主动盘连接电机端提供动力，传动磁盘连接负载端传递动力，铜盘与永磁体相互旋转感应涡流，提供非接触式的电磁传动。图9 磁力耦合器电磁结构2.电磁方案论证1试选方案采用不同极对数，铜盘厚度，磁体厚度等参数，试选电磁方案，寻找参数对转矩影响。图10力矩计算的多方案比照图10中，p为极对数，t为铜盘厚度，mag为永磁体厚度，从图9的比照来看，得到如下结论：1在一定范围内，极对数较多的电磁方案，所获得转矩较高；2磁体厚度较厚的方案，所获得转矩较高，然而磁体用量较多3铜盘较薄，在高速段所获得

41、的转矩较高，而低速段趋于一致。根据以上结论，可优选适合的电磁方案。2电磁仿真分析采用先进的有限元计算软件对转矩进行计算，转矩应能满足输出的要求，如图11所示。 a磁场分布1 b转矩曲线c磁场分布2 d转矩曲线图11不同工况的转矩曲3转矩曲线对多工况计算出转矩形成转矩特性曲线，其电磁力矩特性如图12。 图12电磁转矩特性曲线4.3.2结构方案论证1.结构方案组成该磁力耦合器主要由磁力盘，轴，内、外套筒，传动套筒，力矩传递机构，轴承，弹簧等部件组成。2.结构方案论证1转矩传递强度分析传动盘产生力矩，通过三根导向杆把力矩传递给中间转盘，它与轴通过双键的形式连接，从而把转矩传递给转轴，实现转矩传递；通

42、过有限元分析，强度能满足力矩传递的要求。导向杆装配图如下。 a传动盘装配图 b导向杆装配细节图13 导向杆装配图2轴向力的产生轴向力的产生有两个原因：其一，根据电磁分析，传动盘与主动盘间存在相互的吸引力；其二，气隙调节使传动盘产生加速度，也将产生轴向力的大小将直接影响轴承选择，永磁传盘产生较大的轴向力，需采用高效优质轴承，以减小其影响，在本方案中采用了进口的SKF轴承3运动干预分析采用roE5.0软件对气隙调节机构进行运动分析，未发现运动部件相互干预的情况。运动干预分析如下列图所示。图14 运动干预分析4发热与冷却分析损耗产生的热量主要集中在磁力耦合器的外转子盘上，同时根据转子盘的对称性，只选

43、取一个外转子盘的1/12作为计算对象。根据实际结构建立计算模型，计算模型中还包含磁力耦合器周围的空气局部。建模时忽略了散热器的连接螺栓。散热分析如下列图所示。a计算对象 b计算模型图15散热分析铜板钢板散热器最高温度959273最高温升504728平均温度908264平均温升453719从计算结果来看，设计方案能满足散热要求，并有较大裕量，但考虑到工况环境粉尘、油污、飘絮、狭小空间等恶劣使用环境的影响，实际使用温升可能和计算结果存在一定差异，因此，此温度裕量也是合理的。4.3.3控制系统方案1.控制器功能控制器可以实现手动控制和自动控制功能。1手动控制。 手动控制包括执行器断电时操作手轮操作机

44、构及带电时操作控制板上的上升、下降按键。执行器断电时可以用手轮操作执行机构，操作前需将手动/电动切换手柄向手轮方向切换到手动位置，再转动手轮便可进行手动操作。上电时离合器手柄自动复位，此时手轮不能操作。切换手柄为电动优先结构。2自动控制。自动控制是根据系统中流量、压力信号，自动调节电动执行机构的角度行程。控制器采集流量、压力信号与用户设定值进行比较，经过PID调节，控制器输出4-20mA信号至电动执行机构，到达恒压或是恒流量的目的。3本地/远程控制。控制器可以本地手动或是自动操作，也可远程通讯控制。2.运行保护1过温保护。当磁体温度过高时报警或是降低负荷运行，超过最大设定值将停机。2电动执行器

45、限位保护。执行器装有两个限位开关，分别限制两边极限位置。过载保护。电动执行器装有扭矩开关，防止因过大扭矩造成执行其损坏。4.4结论综上所述，37kW/3000rpm磁力耦合器研制表达了技术的先进性，充分满足市场的需求；同时，通过论证分析各项关键技术，最大程度地减小了研制技术风险。5. 工程特色和创新点5.1工程特色1节能效果：25%66% 。2维护工作量小，几乎是免维护产品，维护费用极低。 3允许有较大的安装对中误差最大可为5mm，大大简化了安装调试过程。 4具有过载保护功能，从而提高了整个系统的可靠性，完全消除了系统因过载而导致的损坏。 5提高电机的启动能力，减少冲击和振动，协调多机驱动的负荷分配。 6调速型可在电机转速根本不变的情况下实现输出转速的无级调节。 7使用寿命长，设计寿命为30年。并可延长系统中零部件的使用寿命。 8易于实现遥控和自动控制，过程控制精确高。 9结构简单，适应各种恶劣环