帶式輸送系統(tǒng)中永磁同步耦合器的應(yīng)用探析

陳思遠(yuǎn)

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司， 山西 大同 037003）

1 皮帶輸送機(jī)常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)與連接方式簡(jiǎn)介

皮帶輸送機(jī)常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)及連接形式主要為液力耦合傳動(dòng)、永磁同步耦合及變頻啟動(dòng)，詳見(jiàn)表1[1]。

目前，同煤集團(tuán)中大部分礦井皮帶輸送機(jī)所采取的傳動(dòng)形式均為液力耦合傳動(dòng)，即將液力耦合器配置在減速機(jī)與電機(jī)之間。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐可知，液力耦合器在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中存在較大的不足：一是自身體積及質(zhì)量較大。體積過(guò)大就必須準(zhǔn)備足夠的安裝空間，這無(wú)法適用于安裝空間較缺乏的地方；質(zhì)量較大就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)或減速機(jī)的軸承遇見(jiàn)較大的徑向荷載，極大影響了軸承的壽命，甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂問(wèn)題。二是在堵傳的時(shí)候起內(nèi)部的油溫及液壓將會(huì)極大提升，使其出現(xiàn)熔塞或熔化，液壓油以較高的速度噴出，對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人員的人身造成威脅；如果堵傳的時(shí)候極易熔塞，則無(wú)法有效熔化，進(jìn)而發(fā)生爆炸。三是無(wú)法完成1∶1 的同步傳動(dòng)，同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候內(nèi)部液壓油的溫度會(huì)出現(xiàn)上升，因此其不具備較高的效率，對(duì)于功率較大的設(shè)備而言，這個(gè)損耗效率是無(wú)法忽略的。四是不具備較高的安裝效率，且必須準(zhǔn)確對(duì)中，否則將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)，對(duì)設(shè)備的使用年限產(chǎn)生了較大的影響。五是當(dāng)其發(fā)生故障需要檢查維修的時(shí)候，其拆卸過(guò)程較為繁瑣，需要運(yùn)用專用的工裝，因此不具備較高的安裝及拆卸效率。

表1 各種工況與驅(qū)動(dòng)方式下系統(tǒng)的運(yùn)行情況表

在重載工況的背景下，皮帶輸送機(jī)必須克服傳動(dòng)系統(tǒng)存在的慣性而穩(wěn)定啟動(dòng)。因此，在啟動(dòng)的時(shí)候不僅要降低輸送皮帶的破壞張力，而且要盡可能降低傳動(dòng)系統(tǒng)自身所受到的啟動(dòng)沖擊，盡可能延長(zhǎng)各個(gè)核心部件的使用年限，同時(shí)還需要降低其對(duì)電機(jī)造成的熱沖擊，節(jié)能并延長(zhǎng)電機(jī)的使用年限。

近些年來(lái)，永磁同步耦合傳動(dòng)是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，可以將該系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題加以解決，同時(shí)它還具有較強(qiáng)的可靠性、安全性，也可以在惡劣工況下進(jìn)行使用，同時(shí)安裝極為便捷等。根據(jù)該耦合器的構(gòu)造（如下頁(yè)圖1 所示）、運(yùn)行原理、安裝偏差對(duì)振動(dòng)性能及傳遞扭矩的層面出發(fā)，對(duì)該耦合器在皮帶輸送機(jī)中的優(yōu)勢(shì)及適用性加以驗(yàn)證。

2 永磁同步耦合器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 永磁同步耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

該耦合器傳動(dòng)是利用氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的變革性傳輸設(shè)備，促使電機(jī)端與傳統(tǒng)機(jī)械之間的鏈接成為無(wú)接觸的磁力連接。該耦合器的構(gòu)成主要包含主動(dòng)與從動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子，在兩個(gè)轉(zhuǎn)子上安裝相應(yīng)的永磁磁鋼，并配置一定的氣隙。主動(dòng)轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸形成連接，從動(dòng)轉(zhuǎn)子與減速機(jī)之間相互連接。

選擇筒式同步用詞耦合器為對(duì)象進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述它的運(yùn)行原理。該耦合器內(nèi)外用磁體數(shù)目相一致的偶數(shù)片所構(gòu)成，兩個(gè)鄰近磁體保持相反的徑向充磁方向，其沿著圓周的方向進(jìn)行排列。處于靜止的狀態(tài)下，內(nèi)、外永磁轉(zhuǎn)子上所設(shè)置的S 極和N 極彼此吸引，并且相互對(duì)正，此時(shí)內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子并未受到轉(zhuǎn)矩的影響。當(dāng)外永磁轉(zhuǎn)子隨著主動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，開(kāi)始之時(shí)由于受到相應(yīng)的力矩影響，內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子依舊處于靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，與內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子相比，外永磁轉(zhuǎn)子則發(fā)生相應(yīng)角度的偏移，其N 極對(duì)S 極起到了一個(gè)較好的推動(dòng)效果，即兩個(gè)磁體之間產(chǎn)生的切向分離形成了一種磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)該轉(zhuǎn)矩克服了負(fù)載及摩擦兩個(gè)力矩的時(shí)候，外永磁轉(zhuǎn)子就會(huì)推動(dòng)內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是該耦合器的運(yùn)行原理。

在啟動(dòng)永磁同步耦合器的時(shí)候，主動(dòng)轉(zhuǎn)子將會(huì)隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)與從動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彈性位移之后，負(fù)載軸也會(huì)隨著從動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣一來(lái)，主動(dòng)與從動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間將會(huì)存在相應(yīng)的轉(zhuǎn)角差，即彈性位移角，該轉(zhuǎn)角差與傳遞轉(zhuǎn)矩曲線之間的關(guān)系詳見(jiàn)圖2。在這種耦合器啟動(dòng)的時(shí)候，由于主動(dòng)與從動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間存在彈性位移角，因此在啟動(dòng)皮帶輸送機(jī)的時(shí)候電網(wǎng)及設(shè)備所受到的沖擊將會(huì)降低。當(dāng)其遇到?jīng)_擊載荷的時(shí)候，工作點(diǎn)由A轉(zhuǎn)移到B，彈性位移角也從θ1轉(zhuǎn)變?yōu)棣?，沖擊載荷也得到了極大緩解，自行復(fù)原至A點(diǎn)。因此，不管是處于啟動(dòng)時(shí)期，還是碰到了沖擊載荷，該耦合器都將具備較強(qiáng)的彈性緩沖能力。

3 永磁同步耦合器的安裝誤差對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩特性及振動(dòng)特性的影響

3.1 對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩特性的影響

圖2 永磁同步耦合器轉(zhuǎn)矩曲線

使用聯(lián)軸器進(jìn)行連接的兩軸，由于制作和安裝的偏差、受到荷載之后的變形及溫度轉(zhuǎn)變等諸多因素的影響，常常無(wú)法確保對(duì)中的準(zhǔn)確性，兩軸之間也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏斜和位移，如圖3 所示。因此，聯(lián)軸器不僅可以傳遞相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，而且可以完善兩軸之間產(chǎn)生的偏移。

圖3 軸線的相對(duì)位移

永磁同步耦合器的安裝部位處于負(fù)載軸與驅(qū)動(dòng)軸之間，在安裝這兩個(gè)軸的時(shí)候必定會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏差，這個(gè)偏差主要包含了徑向、軸向及角度三種偏差。但是對(duì)于軸向與角度兩種偏差，該耦合器并不存在敏感性，其中軸向可允許竄動(dòng)量處于3～5 mm，這是不被傳統(tǒng)耦合器所允許的。傳統(tǒng)耦合器對(duì)徑向安裝偏差有著較高的敏感性，在安裝的時(shí)候起徑向允許變化值為0.05～0.10 mm，否則將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，因此在安裝的時(shí)候應(yīng)當(dāng)采取有效的手段來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)中。安裝的時(shí)候，如果無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)中，則必定會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，對(duì)電機(jī)或減速機(jī)的使用產(chǎn)生了極大影響，甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂問(wèn)題，對(duì)正常生產(chǎn)造成影響，其所針對(duì)的研究主要為徑向安裝偏差對(duì)耦合器傳遞力矩產(chǎn)生的影響，如圖4 所示。

選擇六級(jí)永磁同步耦合器為對(duì)象來(lái)分析徑向安裝偏差轉(zhuǎn)變條件下傳遞轉(zhuǎn)矩的性能規(guī)律，其徑向氣隙值是3.5 mm。分別針對(duì)徑向偏差δ 為0、1 mm、2 mm 和3 mm 的峰值轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行分析。為了將徑向偏差與傳遞轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系進(jìn)行直觀表示，采取折線圖來(lái)進(jìn)行反映，詳見(jiàn)下頁(yè)圖5。

圖4 不同徑向安裝誤差下永磁同步耦合器截面示意圖

圖5 徑向安裝誤差值對(duì)所傳遞轉(zhuǎn)矩變化折線圖

通過(guò)上圖可知，處于準(zhǔn)確對(duì)中的狀況下，永磁同步耦合器所傳遞的峰值扭矩值為200 N·m，隨著徑向?qū)χ衅畹牟粩嘣黾樱渌鶄鬟f的轉(zhuǎn)矩值會(huì)呈現(xiàn)出先增加后降低，其中當(dāng)偏差為2 mm 的時(shí)候，其轉(zhuǎn)矩的最大值為212 N·m，要比設(shè)計(jì)值高6%。當(dāng)偏差為3 mm 的時(shí)候，該耦合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩值最小為194 N·m，要比設(shè)計(jì)值小3%。這是由于隨著徑向安裝偏差的不斷增加及氣隙減小，其一側(cè)的磁密持續(xù)增加，另一側(cè)的氣隙磁密將會(huì)呈現(xiàn)出不明顯的降低，因此傳遞扭矩值則不斷增加；但是當(dāng)徑向安裝存在較大的偏差時(shí)，盡管氣隙會(huì)降低，但是一側(cè)的磁密呈現(xiàn)出大幅降低，另一側(cè)的磁密較大，甚至?xí)霈F(xiàn)飽和，這就導(dǎo)致傳遞轉(zhuǎn)矩值不斷降低。通過(guò)以上的分析可知，徑向安裝偏差并不會(huì)對(duì)這種傳遞轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的影響，也充分顯示出了該耦合器的優(yōu)勢(shì)[2]。

3.2 對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響

該耦合器的安裝部位處于減速機(jī)與電機(jī)之間，振動(dòng)傳感器的安裝部位處于減速機(jī)或電動(dòng)機(jī)的軸承端蓋部位，如圖6 所示。以一個(gè)160 kW、4 極三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為例子，對(duì)各個(gè)徑向安裝偏差下存在的振動(dòng)速度值進(jìn)行檢測(cè)，詳見(jiàn)表3。

通過(guò)對(duì)各個(gè)徑向安裝偏差背景下電動(dòng)機(jī)輸出側(cè)軸承端蓋形成的振動(dòng)速度進(jìn)行分析檢測(cè)，其結(jié)果詳見(jiàn)表3，由此可知，該耦合器在各個(gè)徑向下產(chǎn)生的安裝誤差并不會(huì)振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，其振動(dòng)速度的最小值為2.01 mm/s，要比電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)值小許多。

圖6 振動(dòng)測(cè)量示意圖

表3 幾種安裝誤差情況下電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)值情況表

4 結(jié)論

1）永磁同步耦合傳動(dòng)則由于主動(dòng)與從動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間存在較大的彈性位移角，因此其具備較強(qiáng)的抗沖擊性和啟動(dòng)緩沖性。

2）對(duì)于永磁同步耦合器而言，徑向安裝產(chǎn)生的誤差對(duì)其不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，其低于6%，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)也不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，這就說(shuō)明永磁同步耦合器的安裝極為簡(jiǎn)便，不需要準(zhǔn)確對(duì)中，并且具備獨(dú)具特色的減震及降震性能。

3）依據(jù)傳遞的效率、節(jié)能、運(yùn)行原理、過(guò)載保護(hù)等角度，對(duì)變頻啟動(dòng)、永磁同步耦合傳動(dòng)、液力耦合傳動(dòng)這三種性能進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果顯示永磁同步耦合傳動(dòng)具有最佳的性能。

4）與液力耦合傳動(dòng)相比，永磁同步耦合傳動(dòng)具有較強(qiáng)的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。