永磁渦流柔性傳動耦合器在米東熱電廠輸煤皮帶機上的應用

張鋒　楊偉　孔令禹　宋飛

摘 要：國內工業生產的輸煤皮帶機系統，其電機與負載之間多采用傳統的液力耦合器連接方式。對比分析了永磁耦合器與液力耦合器的區別，并根據磁場有限元分析和力學原理分析了永磁傳動原理和永磁耦合器代替液力耦合器的必要性。

關鍵詞：永磁傳動耦合器；輸煤皮帶機；液力耦合器；渦輪

中圖分類號：TH137.331 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0016-02

1 輸煤皮帶機系統概述

米東熱電廠的輸煤皮帶機系統，其電機與負載之間采用的是傳統的液力耦合器連接方式，存在安裝困難、檢修困難、傳動系統振動大、電機的啟動電流大、電機過載保護能力差、備品及備件用量大、使用成本高和油污污染大等缺點。設備在工頻啟動、運行、停止的過程中，如果無法對其進行及時、有效的調節，就會產生嚴重的機械噪聲、機械沖擊和震動加劇等現象。這些現象都具有極大的破壞性，會引起粉塵污染、損壞固定件，并會增加進線變壓器的負荷狀況。

永磁調速技術是近年來國際上開發的一項突破性新技術，其中，磁力非接觸傳遞扭矩具有高效節能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環境下應用、可極大減少整體系統振動、減少系統維護和延長系統使用壽命等特點。尤其是其不產生高次諧波，且在低速運行下不會造成電機發熱的優良調速特性，更使其成為了電機設備節能技術改造的首選。

2 永磁渦流柔性傳動與液力耦合器的比較

2.1 工作原理上的區別

液力耦合器是一個內含兩個環形輪片的密封機構。驅動輪被稱為“泵輪”，被驅動輪被稱為“渦輪”，泵輪和渦輪都被稱為“工作輪”。在工作輪的環狀殼體中，徑向排列著許多葉片。泵輪和渦輪裝合后，形成環形空腔，內部充有工作油液。泵輪通常在內燃機或電機的驅動下旋轉，帶動工作油液做比較復雜的向心力運動。高速流動的油液在力的作用下沖擊渦輪葉片，然后將動能傳給渦輪，使渦輪與泵輪同方向旋轉。油液從渦輪的葉片邊緣又流回到泵輪，行成循環回路，其流動路線如同一個首尾相連的環形螺旋線。

永磁傳動技術是透過氣隙傳遞轉矩的革命性傳動設備，電機與負載設備轉軸之間無需機械連接，電機旋轉時帶動導體主動轉子在裝有強力稀土磁鐵的磁盤從動轉子所產生的強磁場中切割磁

力線，因而在導磁盤中產生渦電流。該渦電流會在導體主動轉子上產生感應磁場，感應磁場與永磁場之間磁性的相互吸合與排斥拉動從動轉子，從而實現了電機與負載之間的轉矩傳輸。

根據磁場有限元分析及力學原理分析永磁傳動原理。

接近時 平行時 永久磁線在磁盤上的排列

圖1 磁鐵棒N極與導體板的位置不同時所產生的效果

如圖1所示，當磁鐵棒N極接近導體板時，導體上會產生一個N極磁場來抵抗磁棒N極接近，導體板上的磁場由逆時針方向的感應電流（渦電流）產生，此現象被稱為“楞次定律”。同理，當磁鐵棒N 極平行于導體方向板移動時，導體板上會產生抵抗磁鐵棒N極前進的磁場和兩個磁場方向相反的磁場，并在磁鐵棒N極前進的前方產生N極磁場，抵抗磁鐵棒前進，在磁鐵棒N極前進的后方產生S極磁場，抵抗磁鐵棒前進，而且磁鐵棒越靠近導體板，導體板上抵抗磁鐵棒相對運動的力量就越大。

如圖2所示，當永磁體相對

導體盤運動時，力學原理分析有

三個力作用在永磁體，即遠離端

渦電流產生的磁偶——拉力1、

永磁體與鋼盤間的磁力——吸力

2和靠近端渦電流產生的磁偶——

推力3.

ΣX方向的力量等于產生扭

矩的力量，則（F1X+F3X）；

ΣY方向的力量等于互相吸引或排斥（推開）的力量，則（F1Y+F2Y-F3Y）；

當轉差大到某程度時，會導致 F3Y>（F1Y+F2Y）。

力不平衡產生的位移會使永磁盤遠離導體盤，永磁盤與導體盤之間的氣隙自動變大，電機的扭矩傳遞減緩，從而使電機與皮帶機脫開，以保護電機和皮帶。

2.2 日常維護量比較

液力耦合器內部的主要易損件為油封、軸承，日常檢修需要加補油品，更換易損件，維護量大，還需要配備充足的備品和備件；永磁耦合器的內部無易損件，日常運行中免維護，無備品和備件。

2.3 減振效果分析

液力耦合器與皮帶機、減速機的連接為機械硬連接，不僅不能起到減振的效果，而且還會傳遞振動；永磁耦合器與皮帶機、減速機的連接為無接觸柔性連接，有很好的減振效果，且不傳遞振動。

2.4 過載保護功能比較

當液力耦合器運行的負載超出其過載能力時，內部油溫會急劇上升，導致易熔塞融化，從而產生噴油現象，既污染了環境，又造成了故障停機事故；當永磁耦合器運行的負載超出其過載能力時，會造成軸向作用力不平衡，永磁盤與導體盤在磁偶力的作用下產生位移，兩盤之間的氣隙自動放大，扭矩傳遞放緩，皮帶慢慢停下來，從而保護了電機和皮帶。

2.5 傳動效率比較

液力耦合器在傳動中的效率損失在形成油腔中，最大傳動效率為90%；永磁耦合器在啟動瞬間有一定的效率損失，但很小，通過測試得出傳動效率在96%以上。

2.6 對環境影響比較

液力耦合器易產生油污，產生的污染對車間環境有影響；永磁耦合器無污染物的排放。

2.7 節能分析

根據電機的機械特性，如果永磁耦合器保證傳動有3%的滑差，就可以使電機輸出最大的扭矩，同時保證電機具有最大5%的節能空間。

3 永磁渦流柔性傳動耦合器的應用

由于永磁耦合器在米東熱電廠為首次應用，考慮到系統的安全性，并驗證永磁耦合器的性能，特選擇在輸煤系統筒倉的3號、5號輸煤皮帶機上進行使用，3號皮帶電機為6 kV系統，5號皮帶電機為0.4 kV系統。改造前，技術人員對系統數據進行了詳細的測試，記錄了電流、振動、運行維護等數據。根據現場的實際情況，編制了輸煤皮帶機永磁耦合器研究的三項措施和方案，并組織現場技術人員、廠家指導安裝人員和現場安全員進行技術交底。應用完畢后，發現運行電流、振動值和維護量均有不同程度的下降。

目前，米東熱電廠輸煤系統3號、5號皮帶機采用了永磁耦合器，提高了運行的安全性、穩定性，減少了檢修人員的維修工作，并產生了一定的節能效益。

應用前 應用后

圖3 永磁偶合應用前后比較

永磁耦合合應用前后的比較和應用效果的對比分別如圖3和表1所示。從表1中可以看出，應用永磁耦合器后，電機側和減速機側的振動值均有所降低，電機空載和帶載運行時的電流較安裝前減小，綜合節能率大于3%.

表1 永磁偶合的應用效果對比

皮帶機 電機側振動 減速機側振動 空載運行電流 負載運行電流

3號乙側

應用前 水平0.068 mm 水平0.034mm 13.9 A 19.7 A

垂直0.043 mm 垂直0.027 mm

軸向0.038 mm 軸向0.023 mm

3號乙側

應用后 水平0.051 mm 水平0.028 mm 13.6 A 18.6 A

垂直0.032 mm 垂直0.022 mm

軸向0.022 mm 軸向0.021 mm

5號乙側

應用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

軸向0.033 mm 軸向0.021 mm

5號乙側

應用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

軸向0.026 mm 軸向0.020 mm

4 結束語

神華新疆米東熱電廠輸煤系統中3號、5號皮帶機的永磁耦合器應用達到了預期效果，降低了設備的維護工作量；減振效果好，實現了無機械連接的扭矩傳遞；有一定節能效果，降低了啟動沖擊電流，節能效果達到3%～10%；緩沖的軟啟動減少了電機的沖擊電流，延長了設備的使用壽命；提高了系統運行的安全性和穩定性，保證了生產的連續性。

參考文獻

[1]秦宏波.電機系統能效現狀和節能潛力分析方法綜述[J].上海節能，2009（02）：4-10.

〔編輯：王霞〕

目前，米東熱電廠輸煤系統3號、5號皮帶機采用了永磁耦合器，提高了運行的安全性、穩定性，減少了檢修人員的維修工作，并產生了一定的節能效益。

應用前 應用后

圖3 永磁偶合應用前后比較

永磁耦合合應用前后的比較和應用效果的對比分別如圖3和表1所示。從表1中可以看出，應用永磁耦合器后，電機側和減速機側的振動值均有所降低，電機空載和帶載運行時的電流較安裝前減小，綜合節能率大于3%.

表1 永磁偶合的應用效果對比

皮帶機 電機側振動 減速機側振動 空載運行電流 負載運行電流

3號乙側

應用前 水平0.068 mm 水平0.034mm 13.9 A 19.7 A

垂直0.043 mm 垂直0.027 mm

軸向0.038 mm 軸向0.023 mm

3號乙側

應用后 水平0.051 mm 水平0.028 mm 13.6 A 18.6 A

垂直0.032 mm 垂直0.022 mm

軸向0.022 mm 軸向0.021 mm

5號乙側

應用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

軸向0.033 mm 軸向0.021 mm

5號乙側

應用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

軸向0.026 mm 軸向0.020 mm

4 結束語

神華新疆米東熱電廠輸煤系統中3號、5號皮帶機的永磁耦合器應用達到了預期效果，降低了設備的維護工作量；減振效果好，實現了無機械連接的扭矩傳遞；有一定節能效果，降低了啟動沖擊電流，節能效果達到3%～10%；緩沖的軟啟動減少了電機的沖擊電流，延長了設備的使用壽命；提高了系統運行的安全性和穩定性，保證了生產的連續性。

參考文獻

[1]秦宏波.電機系統能效現狀和節能潛力分析方法綜述[J].上海節能，2009（02）：4-10.

〔編輯：王霞〕

目前，米東熱電廠輸煤系統3號、5號皮帶機采用了永磁耦合器，提高了運行的安全性、穩定性，減少了檢修人員的維修工作，并產生了一定的節能效益。

應用前 應用后

圖3 永磁偶合應用前后比較

永磁耦合合應用前后的比較和應用效果的對比分別如圖3和表1所示。從表1中可以看出，應用永磁耦合器后，電機側和減速機側的振動值均有所降低，電機空載和帶載運行時的電流較安裝前減小，綜合節能率大于3%.

表1 永磁偶合的應用效果對比

皮帶機 電機側振動 減速機側振動 空載運行電流 負載運行電流

3號乙側

應用前 水平0.068 mm 水平0.034mm 13.9 A 19.7 A

垂直0.043 mm 垂直0.027 mm

軸向0.038 mm 軸向0.023 mm

3號乙側

應用后 水平0.051 mm 水平0.028 mm 13.6 A 18.6 A

垂直0.032 mm 垂直0.022 mm

軸向0.022 mm 軸向0.021 mm

5號乙側

應用前 水平0.076 mm 水平0.021 mm 36 A 55 A

垂直0.049 mm 垂直0.025 mm

軸向0.033 mm 軸向0.021 mm

5號乙側

應用后 水平0.058 mm 水平0.018 mm 32 A 51 A

垂直0.035 mm 垂直0.012 mm

軸向0.026 mm 軸向0.020 mm

4 結束語

神華新疆米東熱電廠輸煤系統中3號、5號皮帶機的永磁耦合器應用達到了預期效果，降低了設備的維護工作量；減振效果好，實現了無機械連接的扭矩傳遞；有一定節能效果，降低了啟動沖擊電流，節能效果達到3%～10%；緩沖的軟啟動減少了電機的沖擊電流，延長了設備的使用壽命；提高了系統運行的安全性和穩定性，保證了生產的連續性。

參考文獻

[1]秦宏波.電機系統能效現狀和節能潛力分析方法綜述[J].上海節能，2009（02）：4-10.

〔編輯：王霞〕