永磁磁力耦合調(diào)速器的研究現(xiàn)狀及應用

1、永磁磁力耦合調(diào)速器的研究現(xiàn)狀及應用#涂福泉，胡良智，李賀，曾慶兵*（武漢科技大學冶金裝備與控制教育部重點實驗室，武漢 430081）5101520摘要：為了充分利用磁力耦合技術(shù)，發(fā)揮其在促進國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用,不斷開辟和擴大在工業(yè)中的應用領(lǐng)域，介紹了永磁磁力耦合器的工作原理與基本結(jié)構(gòu)，著重對永磁磁力耦合調(diào)速技術(shù)的應用情況進行了研究，討論了目前該技術(shù)存在的一些問題，針對該技術(shù)目前存在的問題提出了一些解決辦法，并分析了該項技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：永磁磁力耦合調(diào)速器；調(diào)速技術(shù)；應用研究中圖分類號：th3research and application of permanent magneti

2、c couplinggovernortu fuquan, hu liangzhi, li he, zeng qingbing(key laboratory of metallurgical equipment and control technology, ministry of education,wuhan university of science and technology, wuhan 430081)abstract: in order to take full advantage of it, and play its role in promoting the developm

3、ent ofthe national economy, and constantly open up and expand the areas of industry, it introduces theworking principle of and the basic structure of the permanent magnetic coupling. its applicationsare much studied, and some problems in the technology are discussed, then some kinds ofsolutions for

4、these problems are presented. finally, the developing prospect of this technology isgiven in the domestic.keywords: permanent magnetic coupling; the magnetic coupling governor technology; appliedresearch250 引言永磁磁力耦合調(diào)速器是應用現(xiàn)代磁學原理，實現(xiàn)力矩的無接觸傳遞的一種純機械的新型耦合連接裝置1。由于該裝置通過空氣間隙傳遞扭矩，兩部件之間沒有任何接觸，所以無磨損部件，并能減少 80%的

5、振動，最大限度的允許偏心，無須潤滑，能提供指定的啟動方式，3035容許脈動載荷，能實現(xiàn)軟啟動、加載啟動，過載保護，并且對電機、負載、耦合器沒有損害。該耦合器目前已應用于化學工業(yè)、醫(yī)藥、食品、冶金工業(yè)等2行業(yè)。為了更好地利用和推廣這一新興技術(shù)，本文對該技術(shù)的應用情況進行調(diào)查研究。1 永磁磁力偶合調(diào)速器的工作原理永磁磁力耦合調(diào)速器按不同要求有不同的分類。一般從工作原理上分，主要有標準型、延遲型、限矩型、調(diào)速型四類3,4。圖 1 為磁力耦合調(diào)速器基本結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置主要由導體磁轉(zhuǎn)子（一般為銅）、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三個部分組成5,6。導體磁轉(zhuǎn)子 2 與電機軸 1連接，永磁轉(zhuǎn)子 3 與工作機的軸 4 連

6、接，導體磁轉(zhuǎn)子 2 和永磁轉(zhuǎn)子 3 之間有空氣間隙 5（稱為氣隙），沒有傳遞扭矩的機械連接。這樣，電機和工作機之間形成了軟（磁）連接，通過調(diào)節(jié)氣隙 5 來實現(xiàn)工作機軸扭矩、轉(zhuǎn)速的變化。40基金項目：國家自然科學基金資助項目（5117538）；國家自然科學基金資助項目（51175386）作者簡介：涂福泉，（1970-），男，副教授，復雜機電液系統(tǒng)設(shè)計。e-mail: tufuquan2010-1-圖 1 永磁磁力耦合器基本結(jié)構(gòu)示意圖figure 1 a schematic diagram of the basic structure of permanent magnetic coupling4

7、550556065702 永磁磁力偶合調(diào)速器的應用現(xiàn)狀2.1 國外應用情況最早開始對其進行應用研究的是美國 magnadrive 公司，該公司于 1999 年實現(xiàn)了將永磁磁力耦合調(diào)速器用于對風機水泵旋轉(zhuǎn)負載進行調(diào)速7,8，并獲得成功，從此使這一技術(shù)得以推廣。在這之前，許多學者已經(jīng)對其特性進行了充分的研究，不過研究大部分都集中在密封、磁力傳動連接上。caricch 等9已經(jīng)研究過基于無槽軸向磁通永磁電機（afpm）的永磁電機有著顯著的節(jié)能效果；稍后，von jouanne.a.等10對永磁耦合調(diào)速系統(tǒng)進行了載荷傳遞系統(tǒng)的性能測試及預測，通過分析電動機渦流制動和可調(diào)節(jié)耦合變速驅(qū)動器來探索永久磁鐵的

8、機械動力傳動設(shè)備的性能，實驗結(jié)果表明了在合理控制的間隙和穩(wěn)定的溫度下，該設(shè)備可以達到 200 馬力。brauer 等人11在應用磁驅(qū)動控制的液壓缸中發(fā)現(xiàn)，利用磁耦合驅(qū)動控制能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的液壓負載；同時，chvala, w. d.和 winiarski, d. w.12進一步探討了永磁磁耦合調(diào)速驅(qū)動器magnadrive 調(diào)速耦合系統(tǒng)技術(shù)的性能和成本效益，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，無論從系統(tǒng)的可靠性、長期運行的穩(wěn)定性、初始安裝及日后的可維護性、經(jīng)濟性等幾個方面均展示了其調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢。早在上世紀 80 年代，e.n. economou 和 paul mihas13已經(jīng)開始研究在 hubbard 模型

9、下（即根據(jù) pauli 原理,兩個處于 i 點的電子,自旋必相反）磁力耦合器的磁轉(zhuǎn)子與定子的熱力學分析，得到了實驗的預期效果，并初步確定了磁耦合器能獲得最大功率的條件。james r. brennan14主要著手對磁驅(qū)動回轉(zhuǎn)容積泵中的應用研究，解釋了磁驅(qū)動旋轉(zhuǎn) pd 泵適應環(huán)境，并試圖獲得一些關(guān)于磁耦合傳動的一些性能特點。另外，david b.heard15等人在研究危險材料泄露安全裝置中將磁耦合技術(shù)用于實時監(jiān)測，以確定達到最大容量，在測試中取得了較理想的效果，給后來的學者在研究磁耦合器工作過程中如何減少磁耗提供了參考。smith, a. c.和 peralta-sanchez, e.16研究

10、永磁磁耦合驅(qū)動泵的磁損失與哪些因素有關(guān)，發(fā)現(xiàn)磁損失主要產(chǎn)生在定子部分。因此有效的控制定子的厚度和深入轉(zhuǎn)子的長度，可以控制減少磁的損失。chueng,green.17分析介紹了四種不同的磁鐵耦合器應用情況，結(jié)果指出一種特殊類型的釹鐵硼磁體具有高密度，強的抗腐蝕能力，以及更好的電鍍和基本材料之間的粘接性能。這種釹鐵硼磁體的磁耦合器體積小，傳遞扭矩大，運行穩(wěn)定，同步性好，安全性能優(yōu)良和維護成本低，非磁性材料的隔離套可以將內(nèi)外轉(zhuǎn)子完全分離，實現(xiàn)完全氣密的磁式動力傳輸，-2-7580859095100105110而且運行時，軸向力幾乎為零。greg s.highfill18在研究永磁磁力耦合器在電力設(shè)備

11、的應用分析時，提出永磁磁力耦合器提供了一種“斷開連接”方法，即隔離振動電機和負載。這種特性可以保護設(shè)備免受沖擊負載，增加了設(shè)備的可靠性。又指出相對于變頻技術(shù)而言，其有很多技術(shù)優(yōu)勢：隔振，無電磁諧波干擾，低成本維護，無（或低）對心要求等。g donoso19等人為了研究驅(qū)動器電磁振蕩之間的參數(shù)變化關(guān)系，建立了電磁耦合振蕩實驗模型，該實驗模型是用分別掛著兩個垂直彈簧，并串接在一起的耦合振蕩器模型，實驗證明，通過調(diào)節(jié)氣隙值，電磁耦合極易被實驗者進行調(diào)整。2.2 國內(nèi)應用情況永磁磁力耦合調(diào)速技術(shù)作為一個新生事物，其從發(fā)明時間（1997 年）到目前也不過 15年，國內(nèi)研究起步比較晚，最先對其應用進行研究

12、開發(fā)的是揚州協(xié)力傳動科技有限公司20和大連寶恒耦合器有限公司。這兩家生產(chǎn)的耦合器，其某些性能指標已經(jīng)達到國際先進水平。目前，該技術(shù)在國內(nèi)主要是應用在電力、石化、鋼鐵冶金等行業(yè)上。中石化燕山石化公司采用了一臺 150kw（asd 20.5 型）的永磁磁力偶合調(diào)速器應用到冷卻水塔的風機上；中鋁蘭州分公司自備電廠工業(yè)冷卻水系統(tǒng)采用 4 臺 2400kw（asdwh4000 型）的永磁磁力耦合器21；山東?；瘓F自備電廠采用了 6 臺 2400kw（asd wh4000 型）的永磁磁力耦合調(diào)速器，安裝在鍋爐引風機上。蘇州鋼鐵股份有限公司在水泵循環(huán)房系統(tǒng)永磁調(diào)速節(jié)能改造方案中采用了 630kw（xl-t

13、s630-6 型）永磁磁力耦合調(diào)速器，均取得了很好的節(jié)能效果。姬全勝等22介紹了一種磁力耦合器在滑動摩擦系數(shù)測定試驗機的具體應用和設(shè)計，相信會有一定的應用前景。張洪軍等23對同軸圓筒式磁力耦合器啟動特性進行了研究，得出通過延時啟動可以解決磁力耦合器脫耦的問題，對磁力耦合器的推廣應用具有重要意義。盡管如此，國內(nèi)很多大學對該技術(shù)的理論研究還屬于起步階段,沈陽工業(yè)大學在這一方面研究起步較早24,25，他們不僅設(shè)計出了一臺八磁極變速盤式磁力耦合器，優(yōu)化了某些機械參數(shù)，降低了成本；而且還研究了稀土這一新興材料在磁力耦合器的應用，并取得了一些成果。武漢科技大學流體控制研究所在研項目之一是將這一技術(shù)用于液壓

14、調(diào)速系統(tǒng)，但目前尚無相關(guān)文獻發(fā)表。3 存在的問題及對策作為一種新興調(diào)速技術(shù)，其優(yōu)勢是相當明顯的，主要包括：柔性啟動，啟動電流明顯降低；噪聲、振動大幅降低，大大延長了電機與負載的使用壽命；調(diào)速比大；能量轉(zhuǎn)換和傳遞安全；長期運行穩(wěn)定可靠；機械結(jié)構(gòu)簡單，出現(xiàn)故障時間長，易于或很少維護；綠色環(huán)保，高效節(jié)能等3,18。但是從目前國內(nèi)外文獻上看，該技術(shù)存在滑差、動態(tài)響應性較慢、額外的軸向載荷、漏磁、慣性大、改造成本高等問題。下面簡述主要存在的問題和相應的對策。（1）滑差由磁力耦合器的工作原理知，這種耦合傳輸轉(zhuǎn)動是由永磁轉(zhuǎn)子與導磁轉(zhuǎn)子的相互作用而產(chǎn)生的，所以該轉(zhuǎn)矩的傳輸是不同步的，也就是說與負載相連的永磁轉(zhuǎn)

15、子的轉(zhuǎn)速小于與電動機軸相連的導磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。形成這個轉(zhuǎn)速差就叫滑差7。氣隙值越大，速度越小，滑差就愈大，所以滑差在低速階段是很明顯的。從原理上知，滑差是不可避免的，因此為了減少滑差帶來的振動和噪聲，一般建議系統(tǒng)-3-啟動時空載或輕載啟動，這樣系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)不會因為過高負載而出現(xiàn)穩(wěn)定性差等一系列115120125130135140問題。（2）動態(tài)響應該耦合器調(diào)速原理是通過改變電機轉(zhuǎn)速來改變輸入系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，由于一般的異步電機的轉(zhuǎn)動慣量可能大于執(zhí)行元件（比如液壓泵）的轉(zhuǎn)動慣量以及本身的滑差影響了加速性能，減速也不能過快。改善控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、減小控制環(huán)節(jié)的個數(shù)會提高該耦合器與系統(tǒng)之間響應的快速性。（

16、3）額外的軸向載荷因為電機與泵之間是無接觸機械連接，主要通過氣隙來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，所以兩者之間的耦合器需要良好的機械支撐，那么軸向載荷就不可避免的增加。合理的布置永磁轉(zhuǎn)子與導磁轉(zhuǎn)子的位置，利用磁路之間的作用力可以減小軸向的載荷。（4）漏磁漏磁無處不在，這個問題是不可避免的。解決這個問題初步設(shè)想可以采用合理的磁路結(jié)構(gòu)或者是采用好的磁隔離裝置，比如，采用內(nèi)磁式和雙磁式結(jié)構(gòu)，可以形成磁屏蔽，減少漏磁26。（5）慣性大根據(jù)磁力耦合器的調(diào)速原理，當電機停止工作時，由于慣性，負載軸還會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，不利于調(diào)速的穩(wěn)定性；而且慣性越大，調(diào)速的穩(wěn)定性越差。解決這個問題可以從兩方面著手：一是在負載軸位置增加一個制動機構(gòu)；二

17、是每次要電機停止工作時，可以先將氣隙調(diào)到最大，然后再停機，這樣便可以降低負載軸的轉(zhuǎn)速，減小慣性對其影響時間。4 結(jié)論本文較全面系統(tǒng)地介紹了永磁磁力耦合調(diào)速技術(shù)的應用及研究現(xiàn)狀，指出了新興磁力偶合調(diào)速技術(shù)的特點，討論了該技術(shù)存在的問題，這些問題主要包括低速穩(wěn)定性、響應的快速性、起動或換向時的平穩(wěn)性等，并針對這些問題提出了相應的對策。由于永磁材料磁性能的限制和隔磁材料價格的昂貴，磁力耦合器的重載調(diào)速能力受到限制，目前可以探索著將永磁材料改為軟磁材料，即電磁鐵。未來調(diào)速控制模式應朝著綜合方向發(fā)展，我們可以嘗試著將磁耦合調(diào)速技術(shù)與其他調(diào)速技術(shù)結(jié)合使用，比如在液壓調(diào)速方面，我們可以將磁耦合調(diào)速技術(shù)與旁路

18、節(jié)流調(diào)速相結(jié)合，這樣可以提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。磁力偶合器符合節(jié)能和生態(tài)環(huán)保的要求，我們相信隨著新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，其在調(diào)速方面必將迎來發(fā)展的新高潮。145參考文獻 (references)1 李偉斌，于學娟，等.高效無泄漏環(huán)保型磁力泵研究探討j.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（5）：44-45.2 大 連 恒 寶 耦 合 器 有 限 公 司 . 永 磁 磁 力 耦 合 器 簡 介 及 應 用 領(lǐng) 域 簡 介 db/ol.2011-05-11.1501553 大連恒寶耦合器有限公司.磁力耦合器db/ol.2011-05-114 嚴曉霞，趙朝會，張迪等.2 種磁力耦合器的比較j.上海電機

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