盤式異步永磁耦合器在雙驅輸煤皮帶機上的應用

摘 要：介紹了盤式異步永磁耦合器在雙驅輸煤皮帶機系統上的應用。為匹配雙驅皮帶機的傳動特性和施工要求，對傳統永磁耦合器做了重新設計，在較小的軸向尺寸內，實現了永磁耦合器和制動器的有機結合，并完成了設備的安裝。改造后，監測了輸煤皮帶機的運行電流和振幅數據，結果顯示，電機的電流數據和振動數據良好，實現了永磁耦合器對液力耦合器的替代。

關鍵詞：永磁傳動技術；永磁耦合器；限矩型液耦；雙驅輸煤皮帶機；驅動系統改造

中圖分類號：TH132" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）06-0054-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.015

0" " 引言

輸煤皮帶機在煤炭、電力、冶金、港口等行業應用廣泛。根據系統功率的不同，輸煤皮帶機可分為單驅式和雙驅式。在雙驅式輸煤皮帶機系統中，驅動電機的運行電流是系統運行時重點關注的指標，要求兩臺電機的電流差值不得過大。在傳統驅動系統的設計中，通常采用限矩型液力耦合器協調各個電機的輸出功率并實現柔性連接。但限矩型液耦在實際應用中存在一些問題，如環境溫度變化時，液耦中油液的粘度變化影響柔性度[1]；當設備過載時，液耦中的高溫油從易熔塞噴出污染環境等。盤式異步永磁耦合器通過磁場傳遞扭矩，在具備與液力耦合器相似的柔性度等優點的同時，還具備全周期免維護、無環境污染，傳動柔性不受環境溫度影響等優勢。由于永磁耦合器的傳動特性與液力耦合器不同，在雙驅輸煤皮帶機系統中使用永磁耦合器替代限矩型液力耦合器還需考慮對電機負載率調節等問題。傳統限矩型永磁調速器無法滿足系統要求，為此，需重新設計永磁耦合器。本文以實際工程案例為基礎，分析永磁耦合器在雙驅輸煤皮帶機上應用所面臨的問題和解決方案。

1" " 雙驅輸煤皮帶機系統永磁改造的需求

傳統輸煤皮帶機驅動結構如圖1所示，從左到右依次為驅動電機、液力耦合器、減速機以及皮帶機驅動系統基座。原系統中無制動器裝置，液力耦合器整體懸掛在電機輸出軸上，與減速機輸入軸相連。減速機輸入軸不受徑向負載，減速機輸出軸通過彈性柱銷齒輪聯軸器與皮帶機滾動連接。基座在液力耦合器安裝部位有臺階，為液力耦合器留出足夠的旋轉半徑，同時也方便液力耦合器的安裝。原系統運行時，兩臺驅動電機電流差值小于5 A，工作電流隨輸煤量變化而變動，一般運行數據約37 A[2]。

雙驅式輸煤皮帶機系統參數及改造需求如表1所示。

軸向安裝尺寸：為降低項目改造的施工量，需在不改變電機安裝位置的前提下，直接安裝新永磁耦合器。由于液力耦合器軸向安裝尺寸較小，為此，新設計的永磁耦合器軸向安裝尺寸需小于原液力耦合器的安裝尺寸。

扭矩保護[2]：為滿足過扭矩保護的要求，永磁耦合器應具備限矩保護功能。由于受到軸向安裝尺寸的限制，傳統限矩型永磁耦合器無法安裝。在限定的軸向尺寸范圍內，需要重新設計限位塊結構，滿足項目需求。

制動器安裝：在不改變原系統底座基礎的前提下增加制動器裝置，需將制動輪結構與永磁耦合器結合。考慮到減速機輸入軸原負載僅一個風扇，徑向承載較輕，而制動輪重量較大，為避免減速機輸入軸徑向負載過大而損壞減速機軸承，新永磁耦合器采用內設軸承、外接彈性聯軸器的結構方案。此設計可將永磁耦合器和制動輪的重量完全加載到電機輸出軸上。

負載可調：新永磁耦合器可實現對電機負載功率的調節，以防止雙驅系統運行時，兩個電機的電流不平衡所造成的單側電機磨損或過熱保護造成輸煤系統停機等問題。

2" " 永磁耦合器的結構設計

新結構永磁耦合器屬盤式異步永磁耦合器，采用雙永磁盤結構形式，可在一定程度上滿足過扭矩保護的設計要求。如表2所示，永磁耦合器外徑420 mm，軸向安裝尺寸384 mm，小于同功率限矩型液耦安裝尺寸，且該安裝尺寸可通過改動輸出側轉接法蘭進行調整，以滿足其他同類項目的設備安裝要求。永磁耦合器輸出側還設有制動輪結構，配合制動器可實現安全制動功能。設備在加裝制動輪后，直徑為450 mm，仍能滿足加裝制動器的條件。

如圖2所示，通過輸出側轉接法蘭結構，永磁耦合器本體可以與制動輪和法蘭式彈性聯軸器連接。該設計可在縮小軸向安裝尺寸的同時，實現制動輪結構的掛載。在輸入側，輸入側法蘭與永磁耦合器導體盤之間墊有氣隙調整片[3]。當某一側電機工作電流較大時，可通過釋放氣隙調整墊片獲得更大的磁間隙尺寸，從而降低電機的負載。限位板與傳統限矩型永磁耦合器中使用的限位板結構類似。

永磁耦合器加制動輪的重量約132 kg，未超過YX3-280M-4的主軸對徑向負載重量的限制。由于結構設計具有較高的兼容性，同尺寸條件下可以覆蓋37～110 kW電機功率，且重量也可隨功率不同進行調整，以滿足不同尺寸電機對主軸懸掛負載的要求。

3" " 設計計算

3.1" " 軸承設計壽命校核

如圖2所示，永磁耦合器中使用了兩個軸承，以承載設備運行時產生的轉差。放置軸承的腔體采用了封閉設計。負載側軸承與外界完全隔離，驅動側軸承與外界聯通的縫隙小于1 mm，且軸承采用帶有防塵罩的結構。因此，該永磁耦合器可在輸煤現場、煉鋼廠、水泥廠等惡劣的現場環境中運行。軸承型號及參數如表3所示。

永磁耦合器內軸承主要作用為承載徑向力和轉差。以90 kW永磁耦合器為例，徑向負載約為94.2 kg，轉差約60 r/min，兩軸承軸向尺寸83 mm。由于軸承的軸向尺寸較近，為簡化計算，將徑向負載視為當量動載進行計算。根據軸向壽命公式（1）計算，視額定動載較小的軸承61022為危險軸承，計算軸承壽命，得 Lh=2.93×107 h，可視為軸承壽命無限。因此，此類帶軸承設計的永磁耦合器結構，影響軸承壽命的主要因素為軸承潤滑。若潤滑得當，則無須更換軸承。

式中：n為軸承轉速；C為基本額定動載；P為當量動載；ε為軸承壽命指數，對于球軸承ε=3。

3.2" " 轉矩限制機構工作轉速

由于永磁耦合器軸向尺寸空間有限，限位板應以盡可能提高磁隙為目標進行設計。限位板結構設計如圖3所示。

在驅動電機啟動瞬間，由于慣性力作用，永磁盤的轉速會滯后于導體盤。為防止導體盤和永磁盤在啟動瞬間因轉差過大而觸發限矩保護功能，特設置了限位板結構。該結構可在驅動電機啟動的瞬間支撐永磁盤，阻礙永磁盤與導體盤分離。當永磁盤以正常轉速工作時，在離心力的作用下，限位板擋板結構會壓縮扭簧到一定角度，使限位板結構不再具有支撐能力。此時，若再發生堵轉過載或順時過載，由于限位板不再起作用，永磁耦合器的轉矩限制功能可以順時啟動。

根據三維軟件數據，當限位板擋板分布半徑為168 mm，使用鋁合金材質時，質量為3 g，重心位置如圖3（b）所示。扭簧的線徑為0.4 mm，內徑為4 mm，圈數為3，彈簧常數為0.07 N·mm/（°），扭簧數量取1。當扭簧扭轉角度大于15°時，限位板不再具有支撐永磁盤的能力。根據離心力公式F=mv2/r=mω2r計算得，當永磁轉子的轉速大于約320 r/min時，限位板不再起限位作用。當驅動電機啟動時，由于轉差較大，該限位板機構可以阻礙永磁盤與導體盤分離；在驅動電機正常運行時，一旦發生堵轉造成滑差再次變大，該限位板機構不再阻礙永磁盤與導體盤分離，進而實現扭矩保護功能。

4" " 輸煤皮帶機驅動系統永磁改造效果分析

4.1" " 系統改造介紹

永磁耦合器用于輸煤皮帶機系統改造后現場照片如圖4所示。永磁耦合器集成制動器裝置后，整套系統懸掛在電機輸出軸上，再通過彈性聯軸器與減速機輸入軸連接。永磁耦合器+制動器的軸向安裝尺寸為384 mm，最低安裝高度為350 mm，原液力耦合器軸向安裝尺寸為435 mm，安裝高度為440 mm。制動器裝置通過信號線與DCS系統連接，實現對皮帶機的緊急制動或安全制動功能。

4.2" " 改造后系統運行數據

對改造后的雙驅輸煤皮帶機傳動系統進行振動數據測量，驗收參數為振幅，驗收標準應小于0.06 mm，實際驗收數據如表4所示，振動實測數據良好。

取相同時間段，對雙驅輸煤皮帶機的兩臺驅動電機A和B進行數據采樣，對比改造前后電流數據的變化。改造前后驅動電機電流數據如圖5和圖6所示。

圖5的（a）（b）和（c）（d）分別為電機A和電機B改造前09：20—11：30期間的電流運行數據，以及與該時段對應的兩臺電機各自的啟動電流的監測數據。圖6的（a）（b）和（c）（d）分別為電機A和電機B改造后18：10—19：25期間的電流運行數據，以及與該時段對應的兩臺電機各自的啟動電流的監測數據。

通過對輸煤皮帶機改造前后運行電流和啟動電流的數據對比可以看到，永磁耦合器替代液力耦合器改造對系統運行沒有影響。90 kW輸煤皮帶驅動電機改造前后，啟動瞬時電流約為180 A，而系統運行電流均在40 A左右。改造后，兩臺電機的運行電流差值不大于4 A。

5" " 結論

1）永磁耦合器在雙驅輸煤皮帶機上的改造效果良好，改造后系統中各電機運行電流的平均差值不大于5 A，電流數據平穩，與改造前數據基本一致，完全可以實現對傳統傳動系統中液力耦合器元件的替代。

2）基于永磁耦合器的結構特點，可以在原傳動系統的基礎上增設制動器裝置，實現輸煤皮帶機的緊急制動和安全制動功能。在增設制動裝置后，永磁耦合器的軸向安裝尺寸仍小于傳統液力耦合器的軸向安裝尺寸。因此，永磁耦合器的改造過程無須變動電機基座，具有一定的結構和工藝優勢。

3）相較于液力耦合器，永磁耦合器在具備緩沖啟動和過扭矩保護功能的前提下，還具有無油污污染、過扭矩后系統恢復速度快、安裝和拆卸方便等優點。

[參考文獻]

[1] 黃強，黃海，王彥龍.應用同步永磁耦合器雙驅皮帶機電流均衡方法[J].冶金自動化，2020，44（增刊1）：86-89.

[2] 張峰，楊偉，孔令禹，等.永磁渦流柔性傳動耦合器在米東熱電廠輸煤皮帶機上的應用[J].科技與創新，2014（18）：16-17.

[3] 李韜晦.永磁耦合器在選煤廠帶式輸送機傳動裝置改造上的應用[J].煤，2021，30（12）：61-62.

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：范欣（1985—），男，上海人，工程師，研究方向：永磁傳動技術及應用。