新型磁滯式電纜卷筒的研制及應用

趙恢柏

（岳陽大力神電磁機械有限公司，湖南岳陽 414100）

0 引言

目前國內磁滯式電纜卷筒主要沿用20 世紀技術，采用5 孔箱體，單個磁滯頭的扭矩較小，當卷取的電纜截面積較大時，需要用到多個磁滯頭。但在實踐中，多臺電機的同步性不好。于是研制一款新型磁滯式電纜卷筒，它只有一個較大的磁滯頭。電纜卷筒結構如圖1 所示。

圖1 電纜卷筒結構

1 工作原理

1.1 電纜卷筒收、放電纜原理

電機運行后，電纜卷筒電機將動力由皮帶輪通過皮帶傳至磁滯頭（又叫磁滯力矩盤），磁滯頭驅動減速機，減速機再驅動卷筒本體中的主軸轉動。主軸一端裝有滑環箱，另一端裝有繞線盤。主軸轉動時帶動滑環轉動，通過碳刷實現電能（或電信號）由固定極向活動極傳送，另一端則帶動繞線盤旋轉，從而實現對電纜的收放。收取電纜：當移動電器向電源箱運行時，電纜卷筒的電機工作，通過傳動裝置，轉動收線盤，使之收取電纜。此時電纜的卷取速度大于電器的移動速度，通過磁滯頭內部的磁塊打滑來實現速度同步。釋放電纜：當移動電器離開電源箱時，電纜卷筒的電機可以工作，也可以不工作，此時通過移動設備強行將電纜拉出，釋放電纜。電機輸出軸上裝有單向軸承，可防止電纜在電機沒有工作時從收線盤上滑落。電機始終朝一個方向旋轉。

1.2 磁滯頭工作原理

磁滯頭的動力輸入端裝有一個多極永久磁鋼盤（磁盤），這個磁盤的對面有一個強感應盤，感應盤安裝在動力輸出盤上。當電機通過皮帶輪帶動磁盤旋轉時，便通過磁感應帶動感應盤運轉，從而使動力輸出盤帶動輸出軸旋轉，帶動減速機輸入軸旋轉，以實現磁連接。當輸出軸旋轉阻力轉大時，磁盤通過磁感應帶動感應盤運轉時，便產生打滑現象。磁耦合力矩的大小可通過兩盤間隙來調整。改變感應圓盤與永久磁鋼之間的距離（即磁隙）即可改變磁連接力矩的大小。

2 部件選型與計算

（1）電機。電機作為新型磁滯式卷筒的動力源，一般選用外形美觀、效率高、噪聲低、防護等級和絕緣等級高的臥式三相異步電機，電機功率P=4 kW，轉速V1=1440 r/min，電壓U=380 V。

電機功率與扭矩的計算公式如下：

在實際中，電機功率P=4 kW，轉速V=1440 r/min。計算如下：扭矩

（2）皮帶輪。主動皮帶輪的直徑D1=140 mm，從動皮帶輪的直徑D2=180 mm，可以計算出傳動比

根據電機功率P=4 kW，轉速V=1440 r/min?？梢杂嬎愠銎У木€速度：V2=π×D1×V1=3.14×0.14×1440=633 m/min。

再根據電機的扭矩Tn=26.5 N·m，從而選用A 型普通V 帶。

（3）磁滯頭。磁滯頭是磁滯式電纜卷筒的重要組成部分。目前國內磁滯頭主要是沿用上世紀日本的技術，磁盤的直徑比較小，只有140 mm，單個磁滯頭傳遞的扭矩只有5～8 N·m，如果遇到大電纜，就要使用多個磁滯頭聯用。設計的新型磁滯式電纜卷筒的磁盤直徑是320 mm，單個磁滯頭傳遞的扭矩有20～30 N·m，即便遇到大的電纜，1 個磁滯頭也可以滿足要求。磁滯頭結構如圖2 所示。

圖2 磁滯頭結構

結構特點：連接法蘭的材料是45#鋼，它與減速機連接；皮帶輪的材料是鑄鐵，通過皮帶與電機上的皮帶輪連接，來傳遞電機的扭矩；磁滯頭外殼的材料是鋁合金鑄件，其外面有很多散熱片。因為磁滯頭旋轉時切割磁力線，會產生很多熱量，而磁滯頭外殼采用鋁合金材料加上散熱片，具有良好的散熱功能；永磁塊的材料是釹鐵硼，具有較強的磁力，其形狀為扇形，共有16 塊沿圓周方向均勻分布在磁塊托盤上，磁塊托盤又通過平鍵與主軸連接，與主軸一同旋轉并傳遞扭矩；磁鋼可以充磁，與永磁塊相互感應產生磁力。電機產生的扭矩通過皮帶輪、磁滯頭外殼傳遞到磁鋼，磁鋼與永磁塊之間有間隙，可以通過調整間隙的大小來調節磁力的大小。其調節方法如圖3 所示：①拆開磁滯頭防塵罩，擰開磁滯頭上的4 個固定螺釘；②拆下調節螺母上的4 個螺釘；③順時鐘旋轉調節螺母，力矩變小。此時，調節螺母與卡環這間的間隙會變大；逆時鐘旋轉調節螺母，力矩變大。此時，調節螺母與卡環這間的間隙會變小。調節好力矩后，將所有零部件復原。

圖3 調節方法

（4）減速機。減速機要選用沒有自鎖功能的直齒減速機，速比i2=30，型號為40CVM-30-4 kW。其輸入端為磁滯頭，輸出端安裝一個鏈輪。

（5）變速箱。變速箱采用鋼板焊接而成，內裝一組鏈輪，小鏈輪P=25.4、Z=15，大鏈輪P=25.4、Z=33，速比。因為變速箱內的線速度很低，且傳遞的力矩較大，所以采用鏈條傳動。

（6）收線盤。收線盤用50 mm×30 mm×5 mm 的方管焊接而成，當收線盤的外徑大于2.4 m 時，為了方便運輸和安裝，一般設計成2 個半圓，到現場再螺栓固定成一個整圓。收線盤的內徑要大于電纜的最小彎曲半徑，電纜的最小彎曲半徑是電纜直徑的10 倍（電纜的最小彎曲直徑是電纜直徑的20 倍）。收線盤的內寬為電纜直徑的1.1 倍。

3 控制柜設計

新型磁滯式電纜卷筒的控制柜是一種集中控制和保護電氣設備的裝置，通常以金屬柜體為基礎構建。它可以用來集中控制和監測電纜卷筒各種電氣設備，以確保電纜卷筒的正常運行和安全性。一般單獨設置在卷筒的旁邊，其電氣原理如圖4 所示：①A、B、C 接外部電源（3 相AC 380 V 50 Hz），U、V、W 接卷筒電機；②2、3接行走電機定子繞組（AC 380 V），當行走電機得電時，帶動中間繼電器KA 動作，卷筒電機動行；當行走電機斷電時，中間繼電器KA 立即失電復原。由于中間繼電器KA 輔助延時觸點斷電后延時斷開，卷筒電機延時停止運行；③無論是行走電機前進（遠離電源）還是后退（靠近電源），卷筒一直處于收電纜狀態。如果是端部供電，放電纜是卷筒電機可以不工作；④注意要保證卷筒電機運行方向與收電纜的方向一致，如果運轉方向相反，只需要把卷筒電機的接線任意對調兩相即可。

圖4 電氣原理

4 導向輪的設計

導向輪是電纜卷筒以外單獨的一個部件，一般安裝電纜卷筒的收線盤下面0.5 m 的位置。導向輪的作用是：使電纜的出線始終保持在同一高度；能感應電纜拉力的大小，更好地保護電纜，使其不被過大的拉力拉斷。導向輪兩邊各裝有4 個輪子，其材料為尼龍輪，能更好地保護電纜外皮不被磨損。導向輪結構如圖5 所示。

圖5 導向輪結構

導向輪的工作原理：導向輪通過活動支架繞銷軸的旋轉，來觸動限位器，并把限位器感應到的信號傳遞到龍門吊的移動電機控制箱，使龍門吊的移動停止，起到電纜不被拉斷的作用。而限位器的感應拉力大小的調節，則通過調節花籃螺栓上的兩根螺栓的距離來調節拉簧預定拉力的大小。

5 應用案例

根據用戶的具體要求對新型磁滯式電纜進行設計。具體參數如下：橡套電纜型號：YC3×120+1×35，直徑55 mm，每米重量6.2 kg，電纜長度150 m，安裝高度3 m，移動速度30 m/min。根據用戶所提供的參數，對新型磁滯式電纜卷筒的力矩、速度、收線盤的尺寸進行計算：

（1）力矩。4 kW 的電機最大能產生26.5 N·m 扭矩，因為磁滯頭的力矩傳遞要有調節大小的余量，所以取中間值20 N·m，傳遞效率按0.8 來計算。

（2）收線盤的尺寸。根據電纜的直徑d=55 mm，長度L=155 m，收線盤寬度系數1.1，最小彎曲直徑系數20，計算收線盤的外徑D1、內徑D2、內寬B。

（3）速度。因為收線盤收取電纜的線速度是變量，而收取電纜的速度與設備移動的速度可以通過磁滯頭的打滑來實現同步，收取電纜的速度要大于設備移動的速度。所以取收線盤的內徑來計算卷取速度，傳遞效率按0.8 來計算。

綜合以上對新型磁滯式電纜力矩、收線盤、速度的計算方法的了解，可以對用戶提供的不同參數的電纜卷筒進行計算，從而選擇適當的電機、減速機，設計制做出適當尺寸的收線盤。