礦用直驅(qū)系統(tǒng)用筒式同步型永磁耦合器特性研究

王 雷

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

永磁同步電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)通常采用電機(jī)與負(fù)載硬連接的方式運(yùn)行[1-2]，尚無有效的機(jī)械保護(hù)設(shè)備，整套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)只能依賴變頻器提供的過流保護(hù)，一旦變頻器過流保護(hù)出現(xiàn)故障，保護(hù)動(dòng)作不及時(shí)，電機(jī)將過載燒毀[3]。而同步型永磁傳動(dòng)裝備輸入端和輸出端同步運(yùn)行，對(duì)與運(yùn)行轉(zhuǎn)速解耦，可實(shí)現(xiàn)直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)的無損傳遞，且在過載時(shí)打滑保護(hù)電機(jī)，避免電機(jī)過載，具有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。

目前，同步型永磁傳動(dòng)裝置目前多用于水下機(jī)器人解決動(dòng)密封問題。薛力銘[5]等人將屏蔽技術(shù)與永磁耦合技術(shù)相結(jié)合，形成屏蔽式永磁耦合器，構(gòu)建水下機(jī)器人動(dòng)力靜密封傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人動(dòng)力靜密封傳輸?shù)挠来篷詈蠈?duì)策的可行性；于雅莉等人[6]采用解析方法對(duì)帶隔套同步型永磁耦合器進(jìn)行了磁場(chǎng)相關(guān)計(jì)算，并基于三維仿真方法進(jìn)行了橫向?qū)Ρ龋?yàn)證解析計(jì)算準(zhǔn)確性，為后續(xù)水下推進(jìn)器用磁力耦合器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。張鐸等人[7]分析了轉(zhuǎn)速和隔離套厚度對(duì)渦流損耗的影響，并對(duì)磁體厚度、長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩傳遞性能影響規(guī)律進(jìn)行了研究，為磁耦合推進(jìn)器的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒意義。但是以上研究主要集中于水下機(jī)器人帶隔離套同步永磁耦合器，且設(shè)計(jì)方法多借鑒了電磁電機(jī)、磁力軸承、特種電磁機(jī)構(gòu)等，尚無針對(duì)于無隔離套、無損傳動(dòng)的雙磁盤永磁傳動(dòng)性能相關(guān)研究，缺少直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)應(yīng)用的相關(guān)理論支持，還需開展進(jìn)一步的深入細(xì)致研究。為此以1 臺(tái)185 kW 礦用筒式同步型永磁耦合器為研究對(duì)象，主要探究無隔離套情況下雙磁盤直接傳動(dòng)情況下磁場(chǎng)傳遞扭矩、軸向力以及應(yīng)力分布、過載打滑熱損耗及溫升等不同關(guān)鍵特性，探索其應(yīng)用于煤礦直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

1 同步型永磁耦合器結(jié)構(gòu)

筒式同步型永磁耦合器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，耦合器結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，主動(dòng)盤與被動(dòng)盤皆為永磁體盤，兩盤永磁體的磁場(chǎng)在氣隙中耦合，把磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞。

圖1 同步型耦合器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of synchronous couplers

同步型耦合器傳動(dòng)模型如圖2，當(dāng)主動(dòng)極以速度v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)磁極（主動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁體）與從動(dòng)磁極（從動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁體）產(chǎn)生的作用力P1和P2在運(yùn)動(dòng)方向上的分量是相疊加的，而垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的分量則方向相反基本抵消。因此從動(dòng)磁極在平行于運(yùn)動(dòng)方向的力的分量作用下，隨主動(dòng)磁極以同樣的速度v 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。

圖2 同步型耦合器傳動(dòng)基本模型Fig.2 Transmission basic model of synchronous couplers

筒式同步型永磁耦合器的優(yōu)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，無轉(zhuǎn)差，即使主動(dòng)轉(zhuǎn)子與被動(dòng)轉(zhuǎn)子氣隙增加也能保持轉(zhuǎn)速不變，只有當(dāng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子與被動(dòng)轉(zhuǎn)子間的氣隙增加到一定程度后，2 個(gè)轉(zhuǎn)子間的傳遞轉(zhuǎn)矩不能滿足負(fù)載需求，從動(dòng)轉(zhuǎn)子會(huì)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，但是過載保護(hù)時(shí)間不可過長(zhǎng)，否則永磁體會(huì)有燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。由于筒式同步型永磁耦合器動(dòng)態(tài)性能較好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速不隨兩盤間距的變化而變化，只要負(fù)載在有效范圍內(nèi)，都可順利啟動(dòng)，同時(shí)非接觸式傳動(dòng)可解決安裝對(duì)中難題。

為保證筒式同步型永磁耦合器應(yīng)用于直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)情況下的扭矩傳遞性能，且受力均勻合理、過載溫升可控，過載保護(hù)特性合理，需要對(duì)同步型永磁耦合器的磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，保障各物理場(chǎng)在許可范圍內(nèi)，以期實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定無損傳動(dòng)功能。

2 磁場(chǎng)仿真

筒式同步型永磁耦合器多采用表貼式結(jié)構(gòu)，為防止轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中永磁體與轉(zhuǎn)子脫離，需要采用不同方式對(duì)永磁體進(jìn)行固定，常用的方法有螺栓固定、碳纖維護(hù)套固定等。本臺(tái)永磁耦合器采用凸形永磁體結(jié)構(gòu)，利用凸臺(tái)對(duì)永磁體進(jìn)行保護(hù)。永磁體上沿為24 mm，下沿21 mm，充磁方向長(zhǎng)度為25 mm，永磁體布置示意圖如圖3，外套安裝筒及內(nèi)套安裝筒厚度分別為8 mm 和26 mm。永磁體在圓周方向20 塊均布。

對(duì)于筒式同步式永磁耦合器，其運(yùn)行過程中的傳遞轉(zhuǎn)矩可以用式（1）來表示：

式中：T 為永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩；Tmax為永磁耦合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩；p 為永磁耦合器的級(jí)對(duì)數(shù)；θ 為永磁耦合器內(nèi)外套中軸線之間的夾角。

圖3 永磁體布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of permanent magnet layout

在靜止?fàn)顟B(tài)下，同步型永磁耦合器之間的夾角為0°，兩轉(zhuǎn)子之間的作用力無切向分量。在運(yùn)行過程中，θ 隨負(fù)載的變化而自適應(yīng)變化，即永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載變化。當(dāng)pθ=90°時(shí)，永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。對(duì)于研究的同步型永磁耦合器，在圓周方向上永磁體20 塊均布，永磁耦合器的級(jí)對(duì)數(shù)為10?？芍?dāng)θ=9°時(shí)，永磁耦合器可以傳遞最大轉(zhuǎn)矩。

設(shè)置內(nèi)外轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)永磁體之間的夾角為9°，可以得到永磁耦合器的最大傳遞能力，永磁耦合器軸向長(zhǎng)度為1 m 時(shí)的傳遞能力為為17.96 kN·m，當(dāng)永磁耦合器的軸向長(zhǎng)度為150 mm 時(shí)，可以計(jì)算得到此時(shí)永磁耦合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩為2 690 N·m，滿足185 kW 永磁電機(jī)的過載需求。

永磁體輸出磁力線分布云圖如圖4，可以看出磁力線云圖與磁密云圖分布對(duì)應(yīng)程度高，且圓周分布規(guī)律明顯。外圈永磁體與對(duì)應(yīng)的內(nèi)圈永磁體組成1 個(gè)磁極，磁力線封閉于外圈鋼盤內(nèi)，紅色區(qū)域及藍(lán)色區(qū)域?yàn)榇帕€密集區(qū)，即磁密大的區(qū)域，紅色與藍(lán)色代表磁力線方向不同。同時(shí)，永磁體凸起處磁力線密度大，這是由于為保證永磁體鑲嵌于鋼盤內(nèi)在離心力作用下避免甩出，專門做成滑槽型式卡住永磁體，而永磁體為安裝于槽內(nèi)多出的部分漏磁較多，故其磁密大、云圖顯現(xiàn)顏色較深。而磁力線較少的部分，在磁密中便為藍(lán)色顯示，表示磁密度低，磁力線分布及磁密分布合理。由于本臺(tái)筒式永磁耦合器為同步式，正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)外套之間相對(duì)轉(zhuǎn)速為0，所以無渦流損耗出現(xiàn)，即沒有溫升，永磁耦合器一直保持室溫運(yùn)行。

3 安裝受力

圖4 永磁體磁力線分布云圖Fig.4 Cloud map of magnetic field line distribution

由于筒式同步型永磁耦合器結(jié)構(gòu)主體為永磁體與鋼套，安裝過程存在一定吸力，為確保安裝過程安全可靠，需要進(jìn)行安裝過程中永磁體受力分析[8-9]。分別對(duì)內(nèi)磁套及外磁套安裝第1 塊永磁體、第2塊永磁體及最后1 塊永磁體時(shí)的受力進(jìn)行了計(jì)算。安裝第1 塊永磁體時(shí)磁場(chǎng)矢量圖及磁密圖如圖5。安裝最后1 塊永磁體時(shí)磁場(chǎng)矢量圖及磁密圖如圖6。

圖5 第1 塊永磁體磁場(chǎng)矢量圖及磁密圖Fig.5 The first permanent magnet magnetic field vector diagram and magnetic density map

當(dāng)永磁耦合器內(nèi)磁套安裝第1 塊永磁體時(shí)，永磁體徑向吸力約為23 N，軸向吸力約為35 N。當(dāng)永磁耦合器內(nèi)磁套安裝第2 塊永磁體時(shí)，永磁體徑向吸力約為19 N，切向吸力約為11 N，軸向吸力約為44 N。當(dāng)永磁耦合器內(nèi)磁套安裝最后1 塊永磁體時(shí)，永磁體徑向吸力約為17 N，軸向吸力約為45 N。

當(dāng)永磁耦合器外磁套安裝第1 塊永磁體時(shí)，永磁體徑向吸力約為46 N，軸向吸力約為22 N。當(dāng)永磁耦合器外磁套安裝第2 塊永磁體時(shí)，永磁體徑向吸力約為41 N，切向吸力約為9 N，軸向吸力約為33 N。當(dāng)永磁耦合器外磁套安裝最后1 塊永磁體時(shí)，永磁體徑向吸力約為39 N，軸向吸力約為35 N。

圖6 最后1 塊永磁體磁場(chǎng)矢量圖及磁密圖Fig.6 Magnetic vector diagram and magnetic density diagram of the last permanent magnet

當(dāng)內(nèi)外磁套開始組裝時(shí)，2 個(gè)磁套之間的軸向力約為1 000 N，當(dāng)出現(xiàn)不對(duì)中達(dá)到1 mm 時(shí)，內(nèi)外磁套之間的徑向力為320 N，此時(shí)作用力較大，需要工裝進(jìn)行固定安裝，以防出現(xiàn)安裝事故。內(nèi)外磁套組裝時(shí)磁場(chǎng)矢量圖及磁密圖如圖7。

綜合來看，永磁體安裝過程所需用力較小，可以正常安裝，而內(nèi)外磁套組裝時(shí)作用力較大，需要特定工裝進(jìn)行安裝。

4 過載溫度

永磁耦合器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)存在負(fù)載過大或卡死問題，此時(shí)永磁耦合器將出現(xiàn)高溫升，為避免溫升故障的發(fā)生發(fā)生，需對(duì)過載運(yùn)行溫度進(jìn)行計(jì)算[10-11]。當(dāng)永磁耦合器輸出端卡死時(shí)，永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩將一直按照式（1）變化，引起電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也隨之變化，電機(jī)在半個(gè)周期內(nèi)電動(dòng)運(yùn)行，另半個(gè)周期會(huì)發(fā)電運(yùn)行。當(dāng)永磁耦合器輸出端卡死時(shí)，永磁耦合器的損耗約為40 kW，磁場(chǎng)損耗曲線如圖8。

使用ANSYS Workbench 進(jìn)行聯(lián)合仿真后，按照經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置散熱系數(shù)，永磁體溫度分布如圖9。

圖7 內(nèi)外磁套組裝時(shí)磁場(chǎng)矢量圖及磁密圖Fig.7 Magnetic field vector diagram and magnetic density diagram during assembling inner and outer magnetic sleeve

永磁耦合器永磁體的溫度最高為114 ℃，選用牌號(hào)為N45SH 的永磁體不會(huì)出現(xiàn)不可逆退磁，且當(dāng)溫度上升時(shí)，永磁體的性能出現(xiàn)下降，使永磁耦合器的最大傳遞能力出現(xiàn)下降，同時(shí)減少了渦流的損耗，降低永磁體的溫升。本次進(jìn)行的永磁耦合器額定傳遞功率滿足設(shè)計(jì)需求，過載系數(shù)在2.0 以上，滿足過載運(yùn)行需求。

5 結(jié) 語

1）針對(duì)185 kW 直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)，同步型永磁耦合器采用10 對(duì)級(jí)永磁體排布，在θ=9°情況下，磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)2 600 N·m 扭矩傳動(dòng)，滿足系統(tǒng)傳動(dòng)需求，且磁場(chǎng)分布及磁密分布合理。

2）對(duì)筒式同步型耦合器安裝過程進(jìn)行了磁場(chǎng)及受力分析，永磁體安裝所需用力在許可范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)安全可靠安裝，而內(nèi)外磁套安裝時(shí)需要特定工裝。

圖9 永磁體溫度分布Fig.9 Temperature distribution of permanent magnet

3）對(duì)同步型耦合器進(jìn)行過載溫度場(chǎng)分析，最高溫升114 ℃，此時(shí)高溫將降低永磁體磁性，耦合器傳動(dòng)能力下降，有利于保護(hù)電機(jī)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)2.0 過載倍數(shù)，保證直驅(qū)系統(tǒng)電機(jī)順利啟動(dòng)。