限矩型永磁耦合器在沖擊負載設備中的應用研究

封 姣

(山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045000)

煤炭系統沖擊負載設備使用過程中，機械保護是不可或缺的一部分，耦合器是其典型代表，目前使用率較高的是限矩型液力耦合器，然而在實踐過程中，保護延遲及不保護、易熔塞不噴油、易熔塞噴油后污染環境、油污處理困難、移位破壞等經常困擾著用戶，亟待解決。近年出現一種新型限矩型磁力耦合器，用戶反饋較好，但應用較少。礦用限矩型永磁耦合器根據楞次定律原理，通過旋轉永磁磁場和感應磁場之間的相互作用進行能量傳遞，通過導電體和永磁體之間的氣隙實現由電動機到減速器的轉矩傳輸裝置，實現電動機和減速器之間無接觸的傳動方式[1]。這一獨特優點使電機和減速器完全隔離，不會因軸線的不重合而造成振動和破壞[2]，很大程度上降低設備的振動噪音，以及設備由于長時間的高頻率振動造成的零件材料疲勞、強度降低發生的設備損壞事故；同時在負載有沖擊時，能通過降低負載轉速，增大負載轉矩，很好地緩沖沖擊力，保護設備[3]。實踐發現，沖擊負載典型工況破碎機發生堵轉時，限矩型永磁耦合器能瞬間切斷電機和減速器的力矩傳遞，確保電機和減速器不受損壞[4]。本文通過試驗，結合應用分析驗證磁力耦合器的性能。

1 限矩型永磁耦合器的基本結構和原理分析

1.1 基本結構

限矩型永磁耦合器由多級永磁轉子、感應轉子、永磁轉子內套及感應轉子導體等部件組成[5]，具體見圖1。

圖1 限矩型永磁耦合器基本結構

1.2 安裝方式

感應轉子的法蘭與驅動電機相聯結，永磁轉子內套法蘭與負載相聯結[6]。

1.3 運行原理

當多極永磁轉子與感應轉子相對運動時，感應轉子導電體上產生渦流產生磁場，2個磁場相互作用來拖動負載旋轉；當達到設定的堵轉轉矩時，2個多極永磁轉子與感應轉子相互排斥，2個多極永磁轉子在永磁轉子內套上向內滑動，遠離感應轉子，從而斷開聯結，負載失去動力[7]。

2 試驗研究

試驗選用雙齒輥破碎機，該設備為沖擊負載設備典型代表，試驗方法為加載試驗，配套160 kW限矩型永磁耦合器，160 kW 4極電機的額定輸出轉矩為1 024 N·m，將限矩型永磁耦合器調整到感應轉子和永磁轉子3%滑差狀態，輸出轉矩1 024 N·m，該狀態定為額定狀態。

2.1 試驗條件

具體試驗條件見表1。

表1 試驗條件

2.2 加載試驗

試驗時，限矩型永磁耦合器感應轉子安裝在驅動電機端，永磁轉子安裝在負載端，負載端通過磁粉制動器進行逐步加載[8]，加載試驗數據對應關系見表2，根據數據表繪制加載試驗扭矩變化曲線見圖2。

表2 加載試驗轉矩數據關系對應

圖2 加載試驗扭矩變化曲線

根據表2，當轉差在45 r的情況下，電機輸出轉矩為1 028 N·m，定為耦合器的額定功率；由曲線圖可以看出：當繼續加載到轉差150 r的情況下，限矩型永磁耦合器瞬間脫開，傳遞功率基本趨于零，此時電機功率也降到最低。在實際使用過程中，破碎機堵轉基本是在瞬間發生，所以在脫開瞬間，電機的輸入轉矩為1 662 N·m，為電機額定轉矩的1.62倍，負載轉矩為1 746 N·m，是電機額定轉矩的1.7倍；低于電機的設計堵轉轉矩，能很好的保護電機和減速器。

2.3 不同轉差下確定功率參數的可行性

為了確保產品的可靠性，對產品在各種狀態下的溫度狀況進行試驗，驗證確定功率參數的可行性，由此在不同轉差下，經過不同時間測試感應盤的對應溫度[9]，試驗數據如表3。根據表3對應的不同轉差下感應盤溫度與時間關系曲線見圖3。

表3 不同的轉差下時間感應盤對應溫度/℃

圖3 不同轉差下感應盤溫度與時間關系曲線

從圖3可以看出，當轉差在60 r以內時，一定時間后感應盤的溫度可以自我平衡；高于75 r轉差情況下，溫度一直在上升，具體在什么狀態下能平衡，不予考慮，因為要控制產品溫度不高于80 ℃[10]；所以選擇45 r的轉差作為確定限矩型永磁耦合器功率的基準是合理的。

3 試驗驗證限矩型永磁耦合器與液力耦合器的區別和優勢

此次試驗設備是雙驅輥式破碎機，配置2臺電機(驅動電源660 V，電機功率160 kW)，2臺SEW減速器；設備原安裝使用的液力耦合器，現將2臺限矩型永磁耦合器分別安裝在2臺電機和2臺減速器之間，確保減速器和電機的定位可靠，使限矩型永磁耦合器的磁場氣隙均勻[9，10]。破碎機在運行過程中，負載為不均勻負載，所以需要長時間觀察記錄數據。

3.1 2種傳遞配套輸入輸出振動變化

限矩型永磁耦合器安裝使用后，實際監測設備重載狀況下的振動情況與原使用液力耦合器的狀況進行對比，由表4可以看出：更換磁力偶合器后，與使用液力耦合器作比較，電機及減速器的振動值(振動烈度和振動位移)都有大幅度降低。

表4 使用前后電機、減速器振動值

通過長時間監測設備振動數據，電機及減速器的振動值波動較小，設備穩定性得到進一步提高。

3.2 2種傳遞堵轉電流的變化

通過加載，當負載堵轉時，采集電機堵轉電流數據，數據對比見表5。

表5 使用2種耦合器電機堵轉時電機電流數據采集

試驗配置的電機額定電壓660 V，額定電流為178 A，由表5可以發現，使用限矩型永磁耦合器瞬間堵轉電流為額定電流的1.85倍，比原來使用液力耦合器的堵轉電流降低50%左右，大大降低了破碎機堵轉情況下的電機輸入電流；也使電機和減速器受到沖擊力的破壞程度大大降低，能很大程度上延長電機和減速器的使用壽命；這個是液力耦合器不能實現的。數據也與試驗數據堵轉轉矩達到1.7倍時保護基本吻合。

同時，由表5可以看出，設備堵轉時，液力耦合器傳遞較永磁耦合器傳遞電機的輸入電流大很多。究其原因不難發現：液力耦合器的保護是在大轉差的情況下，液力耦合器中液體消耗功率發熱，當發熱到可以將易熔塞融化后，耦合介質噴出，才能斷開動力傳輸，這需要一定的時間，不能瞬間斷開，所以需要電機輸入很大的功率來完成，在這個過程中可能就會造成設備的損壞，導致停產。

3.3 2種傳遞負載轉速的變化

在日常的觀察中，當破碎機在有沖擊負荷不超過永磁耦合器的保護轉矩的情況下，負載轉速急速降低(由表2試驗數據顯示：負載轉矩增加較大，比實際電機輸出轉矩大)，有效地降低了負載的沖擊，這種柔性的聯結方式很適合破碎機的運行方式，此功能與液力耦合器相當。

3.4 2種傳遞負載轉矩的變化

由表2試驗的數據分析，永磁耦合器從在轉差逐步增大的情況下，負載轉矩在逐步增大，有利于提高破碎機在沖擊不易破碎物質的效果，而液力耦合器則不具備瞬時變化性。

3.5 更換2種傳遞保護后的區別

液力耦合器使用的耦合介質存在環境污染，同時高溫液體噴出，也存在安全隱患問題；液力耦合器在保護以后，需要人工進行加液、更換易熔塞，而限矩型永磁耦合器不存在這些問題，保護停機后再啟動自動回復原狀態，使用簡單、安全。

3.6 試驗結論

通過試驗研究及應用分析，不難看出限矩型永磁耦合器因其特殊原理較限矩型液力耦合器優點突出，不僅解決了液力保護不及時甚至不保護的問題，也避免了液力耦合器噴油污染環境和后續處置困難的問題；同時，限矩型磁力耦合器對移位損壞破裂可以很好的避免；限矩型永磁耦合器在沖擊負載系統設備中，解決了許多液力耦合器不能解決的問題，無論從安全保護上還是適用環保上，都遠遠優于液力耦合器，是液力耦合器很好的替代升級產品。

4 結 語

限矩型永磁偶合器技術在選煤沖擊負載設備中得到很好應用，尤其在原煤準備關鍵設備破碎機、大型帶式輸送機的傳動系統中得到推廣，解決了過去傳動故障導致全廠生產停產的尷尬，大大降低了工人更換的勞動強度，為后續選煤工藝保駕護航，為選煤生產的連續性提供了有力的保障。