永磁磁力耦合調(diào)速器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

1、永磁磁力耦合調(diào)速器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用#涂福泉，胡良智，李賀，曾慶兵*（武漢科技大學(xué)冶金裝備與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081）5101520摘要：為了充分利用磁力耦合技術(shù)，發(fā)揮其在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用,不斷開(kāi)辟和擴(kuò)大在工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了永磁磁力耦合器的工作原理與基本結(jié)構(gòu)，著重對(duì)永磁磁力耦合調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究，討論了目前該技術(shù)存在的一些問(wèn)題，針對(duì)該技術(shù)目前存在的問(wèn)題提出了一些解決辦法，并分析了該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：永磁磁力耦合調(diào)速器；調(diào)速技術(shù)；應(yīng)用研究中圖分類號(hào)：th3research and application of permanent magneti

2、c couplinggovernortu fuquan, hu liangzhi, li he, zeng qingbing(key laboratory of metallurgical equipment and control technology, ministry of education,wuhan university of science and technology, wuhan 430081)abstract: in order to take full advantage of it, and play its role in promoting the developm

3、ent ofthe national economy, and constantly open up and expand the areas of industry, it introduces theworking principle of and the basic structure of the permanent magnetic coupling. its applicationsare much studied, and some problems in the technology are discussed, then some kinds ofsolutions for

4、these problems are presented. finally, the developing prospect of this technology isgiven in the domestic.keywords: permanent magnetic coupling; the magnetic coupling governor technology; appliedresearch250 引言永磁磁力耦合調(diào)速器是應(yīng)用現(xiàn)代磁學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)力矩的無(wú)接觸傳遞的一種純機(jī)械的新型耦合連接裝置1。由于該裝置通過(guò)空氣間隙傳遞扭矩，兩部件之間沒(méi)有任何接觸，所以無(wú)磨損部件，并能減少 80%的

5、振動(dòng)，最大限度的允許偏心，無(wú)須潤(rùn)滑，能提供指定的啟動(dòng)方式，3035容許脈動(dòng)載荷，能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、加載啟動(dòng)，過(guò)載保護(hù)，并且對(duì)電機(jī)、負(fù)載、耦合器沒(méi)有損害。該耦合器目前已應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥、食品、冶金工業(yè)等2行業(yè)。為了更好地利用和推廣這一新興技術(shù)，本文對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)查研究。1 永磁磁力偶合調(diào)速器的工作原理永磁磁力耦合調(diào)速器按不同要求有不同的分類。一般從工作原理上分，主要有標(biāo)準(zhǔn)型、延遲型、限矩型、調(diào)速型四類3,4。圖 1 為磁力耦合調(diào)速器基本結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置主要由導(dǎo)體磁轉(zhuǎn)子（一般為銅）、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三個(gè)部分組成5,6。導(dǎo)體磁轉(zhuǎn)子 2 與電機(jī)軸 1連接，永磁轉(zhuǎn)子 3 與工作機(jī)的軸 4 連

6、接，導(dǎo)體磁轉(zhuǎn)子 2 和永磁轉(zhuǎn)子 3 之間有空氣間隙 5（稱為氣隙），沒(méi)有傳遞扭矩的機(jī)械連接。這樣，電機(jī)和工作機(jī)之間形成了軟（磁）連接，通過(guò)調(diào)節(jié)氣隙 5 來(lái)實(shí)現(xiàn)工作機(jī)軸扭矩、轉(zhuǎn)速的變化。40基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（5117538）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175386）作者簡(jiǎn)介：涂福泉，（1970-），男，副教授，復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)。e-mail: tufuquan2010-1-圖 1 永磁磁力耦合器基本結(jié)構(gòu)示意圖figure 1 a schematic diagram of the basic structure of permanent magnetic coupling4

7、550556065702 永磁磁力偶合調(diào)速器的應(yīng)用現(xiàn)狀2.1 國(guó)外應(yīng)用情況最早開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用研究的是美國(guó) magnadrive 公司，該公司于 1999 年實(shí)現(xiàn)了將永磁磁力耦合調(diào)速器用于對(duì)風(fēng)機(jī)水泵旋轉(zhuǎn)負(fù)載進(jìn)行調(diào)速7,8，并獲得成功，從此使這一技術(shù)得以推廣。在這之前，許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)其特性進(jìn)行了充分的研究，不過(guò)研究大部分都集中在密封、磁力傳動(dòng)連接上。caricch 等9已經(jīng)研究過(guò)基于無(wú)槽軸向磁通永磁電機(jī)（afpm）的永磁電機(jī)有著顯著的節(jié)能效果；稍后，von jouanne.a.等10對(duì)永磁耦合調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了載荷傳遞系統(tǒng)的性能測(cè)試及預(yù)測(cè)，通過(guò)分析電動(dòng)機(jī)渦流制動(dòng)和可調(diào)節(jié)耦合變速驅(qū)動(dòng)器來(lái)探索永久磁鐵的

8、機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了在合理控制的間隙和穩(wěn)定的溫度下，該設(shè)備可以達(dá)到 200 馬力。brauer 等人11在應(yīng)用磁驅(qū)動(dòng)控制的液壓缸中發(fā)現(xiàn)，利用磁耦合驅(qū)動(dòng)控制能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的液壓負(fù)載；同時(shí)，chvala, w. d.和 winiarski, d. w.12進(jìn)一步探討了永磁磁耦合調(diào)速驅(qū)動(dòng)器magnadrive 調(diào)速耦合系統(tǒng)技術(shù)的性能和成本效益，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論從系統(tǒng)的可靠性、長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性、初始安裝及日后的可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面均展示了其調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。早在上世紀(jì) 80 年代，e.n. economou 和 paul mihas13已經(jīng)開(kāi)始研究在 hubbard 模型

9、下（即根據(jù) pauli 原理,兩個(gè)處于 i 點(diǎn)的電子,自旋必相反）磁力耦合器的磁轉(zhuǎn)子與定子的熱力學(xué)分析，得到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果，并初步確定了磁耦合器能獲得最大功率的條件。james r. brennan14主要著手對(duì)磁驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)容積泵中的應(yīng)用研究，解釋了磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn) pd 泵適應(yīng)環(huán)境，并試圖獲得一些關(guān)于磁耦合傳動(dòng)的一些性能特點(diǎn)。另外，david b.heard15等人在研究危險(xiǎn)材料泄露安全裝置中將磁耦合技術(shù)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確定達(dá)到最大容量，在測(cè)試中取得了較理想的效果，給后來(lái)的學(xué)者在研究磁耦合器工作過(guò)程中如何減少磁耗提供了參考。smith, a. c.和 peralta-sanchez, e.16研究

10、永磁磁耦合驅(qū)動(dòng)泵的磁損失與哪些因素有關(guān)，發(fā)現(xiàn)磁損失主要產(chǎn)生在定子部分。因此有效的控制定子的厚度和深入轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，可以控制減少磁的損失。chueng,green.17分析介紹了四種不同的磁鐵耦合器應(yīng)用情況，結(jié)果指出一種特殊類型的釹鐵硼磁體具有高密度，強(qiáng)的抗腐蝕能力，以及更好的電鍍和基本材料之間的粘接性能。這種釹鐵硼磁體的磁耦合器體積小，傳遞扭矩大，運(yùn)行穩(wěn)定，同步性好，安全性能優(yōu)良和維護(hù)成本低，非磁性材料的隔離套可以將內(nèi)外轉(zhuǎn)子完全分離，實(shí)現(xiàn)完全氣密的磁式動(dòng)力傳輸，-2-7580859095100105110而且運(yùn)行時(shí)，軸向力幾乎為零。greg s.highfill18在研究永磁磁力耦合器在電力設(shè)備

11、的應(yīng)用分析時(shí)，提出永磁磁力耦合器提供了一種“斷開(kāi)連接”方法，即隔離振動(dòng)電機(jī)和負(fù)載。這種特性可以保護(hù)設(shè)備免受沖擊負(fù)載，增加了設(shè)備的可靠性。又指出相對(duì)于變頻技術(shù)而言，其有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：隔振，無(wú)電磁諧波干擾，低成本維護(hù)，無(wú)（或低）對(duì)心要求等。g donoso19等人為了研究驅(qū)動(dòng)器電磁振蕩之間的參數(shù)變化關(guān)系，建立了電磁耦合振蕩實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯梅謩e掛著兩個(gè)垂直彈簧，并串接在一起的耦合振蕩器模型，實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)調(diào)節(jié)氣隙值，電磁耦合極易被實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行調(diào)整。2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況永磁磁力耦合調(diào)速技術(shù)作為一個(gè)新生事物，其從發(fā)明時(shí)間（1997 年）到目前也不過(guò) 15年，國(guó)內(nèi)研究起步比較晚，最先對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行研究

12、開(kāi)發(fā)的是揚(yáng)州協(xié)力傳動(dòng)科技有限公司20和大連寶恒耦合器有限公司。這兩家生產(chǎn)的耦合器，其某些性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)主要是應(yīng)用在電力、石化、鋼鐵冶金等行業(yè)上。中石化燕山石化公司采用了一臺(tái) 150kw（asd 20.5 型）的永磁磁力偶合調(diào)速器應(yīng)用到冷卻水塔的風(fēng)機(jī)上；中鋁蘭州分公司自備電廠工業(yè)冷卻水系統(tǒng)采用 4 臺(tái) 2400kw（asdwh4000 型）的永磁磁力耦合器21；山東海化集團(tuán)自備電廠采用了 6 臺(tái) 2400kw（asd wh4000 型）的永磁磁力耦合調(diào)速器，安裝在鍋爐引風(fēng)機(jī)上。蘇州鋼鐵股份有限公司在水泵循環(huán)房系統(tǒng)永磁調(diào)速節(jié)能改造方案中采用了 630kw（xl-t

13、s630-6 型）永磁磁力耦合調(diào)速器，均取得了很好的節(jié)能效果。姬全勝等22介紹了一種磁力耦合器在滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)機(jī)的具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)，相信會(huì)有一定的應(yīng)用前景。張洪軍等23對(duì)同軸圓筒式磁力耦合器啟動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得出通過(guò)延時(shí)啟動(dòng)可以解決磁力耦合器脫耦的問(wèn)題，對(duì)磁力耦合器的推廣應(yīng)用具有重要意義。盡管如此，國(guó)內(nèi)很多大學(xué)對(duì)該技術(shù)的理論研究還屬于起步階段,沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)在這一方面研究起步較早24,25，他們不僅設(shè)計(jì)出了一臺(tái)八磁極變速盤式磁力耦合器，優(yōu)化了某些機(jī)械參數(shù)，降低了成本；而且還研究了稀土這一新興材料在磁力耦合器的應(yīng)用，并取得了一些成果。武漢科技大學(xué)流體控制研究所在研項(xiàng)目之一是將這一技術(shù)用于液壓

14、調(diào)速系統(tǒng)，但目前尚無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。3 存在的問(wèn)題及對(duì)策作為一種新興調(diào)速技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是相當(dāng)明顯的，主要包括：柔性啟動(dòng)，啟動(dòng)電流明顯降低；噪聲、振動(dòng)大幅降低，大大延長(zhǎng)了電機(jī)與負(fù)載的使用壽命；調(diào)速比大；能量轉(zhuǎn)換和傳遞安全；長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定可靠；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障時(shí)間長(zhǎng)，易于或很少維護(hù)；綠色環(huán)保，高效節(jié)能等3,18。但是從目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上看，該技術(shù)存在滑差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性較慢、額外的軸向載荷、漏磁、慣性大、改造成本高等問(wèn)題。下面簡(jiǎn)述主要存在的問(wèn)題和相應(yīng)的對(duì)策。（1）滑差由磁力耦合器的工作原理知，這種耦合傳輸轉(zhuǎn)動(dòng)是由永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子的相互作用而產(chǎn)生的，所以該轉(zhuǎn)矩的傳輸是不同步的，也就是說(shuō)與負(fù)載相連的永磁轉(zhuǎn)

15、子的轉(zhuǎn)速小于與電動(dòng)機(jī)軸相連的導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。形成這個(gè)轉(zhuǎn)速差就叫滑差7。氣隙值越大，速度越小，滑差就愈大，所以滑差在低速階段是很明顯的。從原理上知，滑差是不可避免的，因此為了減少滑差帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲，一般建議系統(tǒng)-3-啟動(dòng)時(shí)空載或輕載啟動(dòng)，這樣系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)高負(fù)載而出現(xiàn)穩(wěn)定性差等一系列115120125130135140問(wèn)題。（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)該耦合器調(diào)速原理是通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變輸入系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，由于一般的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可能大于執(zhí)行元件（比如液壓泵）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及本身的滑差影響了加速性能，減速也不能過(guò)快。改善控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、減小控制環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)會(huì)提高該耦合器與系統(tǒng)之間響應(yīng)的快速性。（

16、3）額外的軸向載荷因?yàn)殡姍C(jī)與泵之間是無(wú)接觸機(jī)械連接，主要通過(guò)氣隙來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，所以兩者之間的耦合器需要良好的機(jī)械支撐，那么軸向載荷就不可避免的增加。合理的布置永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子的位置，利用磁路之間的作用力可以減小軸向的載荷。（4）漏磁漏磁無(wú)處不在，這個(gè)問(wèn)題是不可避免的。解決這個(gè)問(wèn)題初步設(shè)想可以采用合理的磁路結(jié)構(gòu)或者是采用好的磁隔離裝置，比如，采用內(nèi)磁式和雙磁式結(jié)構(gòu)，可以形成磁屏蔽，減少漏磁26。（5）慣性大根據(jù)磁力耦合器的調(diào)速原理，當(dāng)電機(jī)停止工作時(shí)，由于慣性，負(fù)載軸還會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不利于調(diào)速的穩(wěn)定性；而且慣性越大，調(diào)速的穩(wěn)定性越差。解決這個(gè)問(wèn)題可以從兩方面著手：一是在負(fù)載軸位置增加一個(gè)制動(dòng)機(jī)構(gòu)；二

17、是每次要電機(jī)停止工作時(shí)，可以先將氣隙調(diào)到最大，然后再停機(jī)，這樣便可以降低負(fù)載軸的轉(zhuǎn)速，減小慣性對(duì)其影響時(shí)間。4 結(jié)論本文較全面系統(tǒng)地介紹了永磁磁力耦合調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，指出了新興磁力偶合調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)，討論了該技術(shù)存在的問(wèn)題，這些問(wèn)題主要包括低速穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、起動(dòng)或換向時(shí)的平穩(wěn)性等，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的對(duì)策。由于永磁材料磁性能的限制和隔磁材料價(jià)格的昂貴，磁力耦合器的重載調(diào)速能力受到限制，目前可以探索著將永磁材料改為軟磁材料，即電磁鐵。未來(lái)調(diào)速控制模式應(yīng)朝著綜合方向發(fā)展，我們可以嘗試著將磁耦合調(diào)速技術(shù)與其他調(diào)速技術(shù)結(jié)合使用，比如在液壓調(diào)速方面，我們可以將磁耦合調(diào)速技術(shù)與旁路

18、節(jié)流調(diào)速相結(jié)合，這樣可以提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。磁力偶合器符合節(jié)能和生態(tài)環(huán)保的要求，我們相信隨著新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，其在調(diào)速方面必將迎來(lái)發(fā)展的新高潮。145參考文獻(xiàn) (references)1 李偉斌，于學(xué)娟，等.高效無(wú)泄漏環(huán)保型磁力泵研究探討j.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（5）：44-45.2 大 連 恒 寶 耦 合 器 有 限 公 司 . 永 磁 磁 力 耦 合 器 簡(jiǎn) 介 及 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 簡(jiǎn) 介 db/ol.2011-05-11.1501553 大連恒寶耦合器有限公司.磁力耦合器db/ol.2011-05-114 嚴(yán)曉霞，趙朝會(huì)，張迪等.2 種磁力耦合器的比較j.上海電機(jī)

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