永磁傳動技術對比分析及同步偶合器磁場設計

2020-08-27 05:29:30劉金偉李冬冬

煤礦現代化 2020年5期

劉金偉，李冬冬，張斌

（微山金源煤礦，山東濟寧 272000）

0 引言

我國作為當今世界煤礦需求大國，煤礦能源在我國能源使用中占據近三分之二比例，煤礦能源的開發也成為我國經濟發展的一條重要因素。煤機裝備是煤炭行業發展的重要支撐，在采、掘、機、運、通等生產過程中發揮重要作用[1]。其中，刮板機、皮帶機等恒扭矩負載廣泛應用于煤礦開采及運輸領域，其可靠性對煤礦安全生產至關重要[2]。而恒扭矩設備運行過程中，直起直停會對電機產生重載沖擊，易引發電機及設備故障，停產維修，造成經濟損失[3]。同時，隨著煤炭需求量的增大，皮帶機等恒扭矩設備不斷向大功率發展，多機驅動應用日漸增加。多機驅動時由于運量及安裝位置不同，易出現電機功率不平衡問題，導致皮帶張緊程度不均，造成皮帶及滾筒磨損或電機過載損壞。

永磁偶合器采用非接觸式磁力傳動，無諧波干擾，不產生電應力，不損害電機軸承；且為純機械結構，無需介質，傳動效率高，運行十分可靠。通過調節永磁體與銅盤氣隙精確控制轉速及扭矩，不僅可以保證恒扭矩負載軟啟動及多機功率平衡，緩解煤機裝備直起直停對電機產生的重載沖擊，克服長距離運輸電機出力不均、互為負載的難題，避免電機斷軸、滾筒磨損、皮帶斷裂等問題，保障煤機設備安全運行。

1 永磁偶合器類型及優勢對比

礦用永磁傳動裝置是一種新型傳動系統，以磁場為媒介，采用非接觸式機械結構實現電機到工作機的功率傳遞。通過調節永磁體之間氣隙可以精確調節負載速度以實現調速功能。該產品運行穩定、無干擾、免維護、適應惡劣的煤礦生產環境。目前，礦用永磁傳動裝置根據原理主要分為同步型和異步型，其中異步型又分為限矩型和調速型。

1.1 同步型永磁偶合器

圖1 為同步型永磁偶合器結構示意圖，偶合器結構對稱分布，主動盤與被動盤皆為永磁體盤，兩盤永磁體的磁場在氣隙中偶合器，把磁能轉化為機械能，實現扭矩傳遞。傳動模型如圖2 所示，當主動極以速度v 運動時，主動磁極（主動盤上的永磁體）與從動磁極（從動盤上的永磁體）產生的作用力P1 和P2 在運動方向上的分量是相疊加的，而垂直于運動方向上的分量則方向相反基本抵消。因此從動磁極在平行于運動方向的力的分量作用下，隨主動磁極以同樣的速度v 運動，實現了運動和力的傳遞。

同步型永磁偶合器的優點即可實現主動盤與從動盤同步旋轉，無轉差，當主動盤與被動盤氣隙增加時也能保持轉速不變，只有在主動盤與被動盤增加到一定氣隙時，被動盤被脫開，立即停止轉動，實現過載保護。由于同步性較好，啟動轉速不隨兩盤間距的變化而變化，只要在有效范圍內，都可順利啟動。煤礦大型皮帶機大部分采用的是同步型永磁偶合器，實現電機與負載端的同步運行，避免丟轉，同時通過磁力軟連接克服了聯軸節等硬連接造成的對中難、振動大等問題，運行效果良好。

圖1 同步型永磁偶合器結構圖

圖2 傳動基本模型

1.2 限矩型永磁偶合器

圖3 限矩型磁力偶合器結構示意圖

圖3 所示是礦用限矩型永磁偶合器的機械結構，電機通過聯軸器與磁力偶合器連接，驅動銅轉子旋轉，銅環切割永磁體磁力線產生感應渦流，形成渦流磁場與永磁體磁場相互作用生成轉矩帶動永磁體盤旋轉，驅動工作機運行，實現電機到工作機的功率傳遞。礦用限矩型磁力偶合器不具有調速功能，可以通過滑差來自適應負載變化，具有傳動效率高且免維護的優勢。

其運行優勢主要包括以下幾方面：

1）啟動特性：限矩型磁力偶合器可以實現空載啟動，電機不必克服負載慣性，將電機帶載啟動電流降為空載啟動電流，因此大大減小了峰值電流，縮短峰值電流浪涌持續時間，可以節約能源，減少設備磨損。

2）均衡負載：煤礦機械在實際生產過程中大多采用多機聯動作業，由于各電機在安裝和實際生產中的具體情況不同，會出現各個電機帶動的負載出現差異，這需要傳動系統均衡負載，使電機達到最佳的運行狀態，傳動效率最高。礦用限矩型磁力偶合器可依靠滑差來自適應負載，達到均衡負載目的。

3）過載保護：當負載端出現過載時，磁力偶合器滑差增大，兩個永磁體盤迅速脫開，永磁體盤和銅盤之間氣隙達到最大，確保過載情況下電機可以正常運行。當負載端恢復正常時，滑差逐漸減小，兩個永磁體盤在離心體作用下被推開，自適應負載后電機正常運行。

1.3 調速型永磁偶合器

圖4 調速型永磁偶合器

如圖4 所示，調速型永磁偶合器主要由鋼盤、導磁體、永磁體、散熱片、外殼、調速機構及輸入輸出軸等組成。當電機帶動導磁體旋轉時，導磁體切割氣隙間的磁力線，形成渦流。導磁體渦流使導磁體在磁場中受洛倫茲力作用，根據牛頓作用力與反作用力關系，大小相等、方向相反的力會作用在磁體盤上，使磁體盤按照一定的轉速跟隨導磁體旋轉。導磁體和永磁體盤分別與電機和工作機連接，實現電機和工作機的軟啟動[4]。電動執行器根據控制器指令調節氣隙大小，改變磁感線切割頻率，實現對負載的無級調速。由于調速型永磁偶合器可以實現高精實時調速，除了具有限矩型偶合器過載保護等功能，更具有軟啟動及多電機驅動功率平衡功能。

軟啟動功能：磁力偶合器功率特性曲線復雜，其轉矩- 轉速曲線是輸出轉矩隨轉差先增大后逐步減小，匹配轉矩不隨轉速變化的煤礦恒扭矩負載時會與其產生兩個交點，導致負載在起動后升速加速，啟動速度急劇上升，難以保證負載平滑啟動，軟啟動控制困難。針對該情況，建立了磁場數學模型，采用模型參考自適應法（MRAS）作為軟啟動控制策略[5]，不再關注于參數本身的整定，而是調節可調模型使響應誤差與參考模型的響應誤差足夠接近，進而可調模型的輸出就是實際輸出值。參考模型根據不同負載的特性設置理想狀態下的軟啟動S 型曲線方程，自適應模塊通過仿真偶合器磁場特性擬合得到的轉差- 氣隙- 轉矩特性曲面方程組實現，可調模型則在基本軟啟動方法的基礎上，通過偶合器氣隙建立閉環控制系統，梳理出傳遞函數。三者配合，通過調節傳遞函數的適應S 型曲線的要求，實現對于工況變化的自適應目的，最終保證啟動加速度≤0.15m/s2

多機功率平衡功能：由于偶合器自身特性曲線的高度非線性特征，使其在調速控制時常常由于微小的輸入導致輸出轉速劇烈變化，影響多機驅動時的控制精度，難以實現功率平衡。針對該問題，采用模糊自適應整定PID 控制策略[6]，采集啟動穩定運行后期多機電流的平均值作為基準電流，通過建立模糊判定表找到PID 參數與本機電流和基準電流的誤差及其誤差變化之間的模糊關系，進而確立模糊方程組。當由于參數不同、機械安裝或負載發生變化引起不平衡度較大時，通過方程可以迅速確立新的PID 參數，完成模糊計算部分。將本機電流作為輸入參數，通過模糊計算單元執行PID 閉環控制，從而計算出氣隙大小，執行各套設備各自的氣隙調節，完成第一次功率平衡調節。每次功率平衡調節后重新進行不平衡度判斷和模糊計算，直到不平衡度≤3%。同時，搭建了半物理仿真平臺，進行控制策略驗證[7]。

2 同步型永磁偶合器磁場設計

2.1 磁場仿真結果及分析

本臺磁力偶合器采用凸形磁鋼，磁鋼上沿為24mm，下沿21mm，充磁方向長度為25mm，外套安裝盤及內套安裝盤半徑如圖所示，厚度分別為8mm 及26mm。磁鋼尺寸如圖5 所示排布，在圓周方向20 塊均布：

圖5 磁鋼布置示意圖

2.2 磁場仿真結果及分析

由于本臺磁力偶合器為同步式，正常運行時內外套之間相對轉速為0，所以無渦流損耗出現，即沒有溫升，磁力偶合器一直保持室溫運行。

同步式磁力偶合器的傳遞轉矩可以用式（1）來表示：

式中：T 為磁力偶合器的傳遞轉矩；Tmax為磁力偶合器的最大傳遞轉矩；p 為磁力偶合器的級對數；θ 為磁力偶合器內外套中軸線之間的夾角。

由于在圓周方向上磁鋼20 塊均布，磁力偶合器的級對數為10。當θ=9°時，磁力偶合器可以傳遞最大轉矩，為2600N.m。

本臺磁力聯軸器的傳遞轉矩為：

當磁力偶合器額定運行時，傳遞功率為185kW，磁力偶合器轉速為1485r/min，則此時磁力偶合器內外套的夾角為2.724°。

當磁力偶合器輸出端卡死時，磁力偶合器的傳遞轉矩將一直按照公式（1）變化，引起電機的輸出轉矩也隨之變化，電機在半個周期內電動運行，另半個周期會發電運行。

圖6 損耗曲線及傳遞轉矩曲線

當磁力偶合器輸出端卡死時，磁力偶合器的損耗約為40kW，使用ANSYS Workbench 進行聯合仿真后，按照經驗公式設置散熱系數后，磁力偶合器磁鋼的溫度最高達到了114℃，選用牌號為N45SH 的磁鋼不會有較大的損失，且當溫度上升時，磁鋼的性能出現下降，使磁力偶合器的最大傳遞能力出現下降，同時減少了渦流的損耗，降低磁鋼的溫升。本次進行的磁力偶合器額定傳遞功率滿足設計需求，過載系數在2.0 以上。