《永磁磁力耦合调速器的研究现状及应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《永磁磁力耦合调速器的研究现状及应用.doc（5页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、永磁磁力耦合调速器的研究现状及应用涂福泉，胡良智，李贺，曾庆兵*（武汉科技大学冶金装备与控制教育部重点实验室，武汉 430081）5101520摘要：为了充分利用磁力耦合技术，发挥其在促进国民经济发展中的作用,不断开辟和扩大在工业中的应用领域，介绍了永磁磁力耦合器的工作原理与基本结构，着重对永磁磁力耦合调速技术的应用情况进行了研究，讨论了目前该技术存在的一些问题，针对该技术目前存在的问题提出了一些解决办法，并分析了该项技术在国内的发展前景。关键词：永磁磁力耦合调速器；调速技术；应用研究中图分类号：TH3Research and Application of Permanent magnetic
2、 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 developme
3、nt 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 t
4、hese problems are presented. Finally, the developing prospect of this technology isgiven in the domestic.Keywords: Permanent Magnetic coupling; The magnetic coupling governor technology; Appliedresearch250 引言永磁磁力耦合调速器是应用现代磁学原理，实现力矩的无接触传递的一种纯机械的新型耦合连接装置1。由于该装置通过空气间隙传递扭矩，两部件之间没有任何接触，所以无磨损部件，并能减少 80%的振
5、动，最大限度的允许偏心，无须润滑，能提供指定的启动方式，3035容许脉动载荷，能实现软启动、加载启动，过载保护，并且对电机、负载、耦合器没有损害。该耦合器目前已应用于化学工业、医药、食品、冶金工业等2行业。为了更好地利用和推广这一新兴技术，本文对该技术的应用情况进行调查研究。1 永磁磁力偶合调速器的工作原理永磁磁力耦合调速器按不同要求有不同的分类。一般从工作原理上分，主要有标准型、延迟型、限矩型、调速型四类3,4。图 1 为磁力耦合调速器基本结构示意图，该装置主要由导体磁转子（一般为铜）、永磁转子和控制器三个部分组成5,6。导体磁转子 2 与电机轴 1连接，永磁转子 3 与工作机的轴 4 连接
6、，导体磁转子 2 和永磁转子 3 之间有空气间隙 5（称为气隙），没有传递扭矩的机械连接。这样，电机和工作机之间形成了软（磁）连接，通过调节气隙 5 来实现工作机轴扭矩、转速的变化。40基金项目：国家自然科学基金资助项目（5117538）；国家自然科学基金资助项目（51175386）作者简介：涂福泉，（1970-），男，副教授，复杂机电液系统设计。E-mail: tufuquan2010-1-图 1 永磁磁力耦合器基本结构示意图Figure 1 a schematic diagram of the basic structure of Permanent Magnetic coupling45
7、50556065702 永磁磁力偶合调速器的应用现状2.1 国外应用情况最早开始对其进行应用研究的是美国 MagnaDrive 公司，该公司于 1999 年实现了将永磁磁力耦合调速器用于对风机水泵旋转负载进行调速7,8，并获得成功，从此使这一技术得以推广。在这之前，许多学者已经对其特性进行了充分的研究，不过研究大部分都集中在密封、磁力传动连接上。Caricch 等9已经研究过基于无槽轴向磁通永磁电机（AFPM）的永磁电机有着显著的节能效果；稍后，von Jouanne.A.等10对永磁耦合调速系统进行了载荷传递系统的性能测试及预测，通过分析电动机涡流制动和可调节耦合变速驱动器来探索永久磁铁的机
8、械动力传动设备的性能，实验结果表明了在合理控制的间隙和稳定的温度下，该设备可以达到 200 马力。Brauer 等人11在应用磁驱动控制的液压缸中发现，利用磁耦合驱动控制能够产生稳定的液压负载；同时，Chvala, W. D.和 Winiarski, D. W.12进一步探讨了永磁磁耦合调速驱动器MagnaDrive 调速耦合系统技术的性能和成本效益，根据研究发现，无论从系统的可靠性、长期运行的稳定性、初始安装及日后的可维护性、经济性等几个方面均展示了其调速技术领域的绝对优势。早在上世纪 80 年代，E.N. Economou 和 Paul Mihas13已经开始研究在 Hubbard 模型下
9、（即根据 Pauli 原理,两个处于 i 点的电子,自旋必相反）磁力耦合器的磁转子与定子的热力学分析，得到了实验的预期效果，并初步确定了磁耦合器能获得最大功率的条件。James R. Brennan14主要着手对磁驱动回转容积泵中的应用研究，解释了磁驱动旋转 PD 泵适应环境，并试图获得一些关于磁耦合传动的一些性能特点。另外，David B.Heard15等人在研究危险材料泄露安全装置中将磁耦合技术用于实时监测，以确定达到最大容量，在测试中取得了较理想的效果，给后来的学者在研究磁耦合器工作过程中如何减少磁耗提供了参考。Smith, A. C.和 Peralta-Sanchez, E.16研究永
10、磁磁耦合驱动泵的磁损失与哪些因素有关，发现磁损失主要产生在定子部分。因此有效的控制定子的厚度和深入转子的长度，可以控制减少磁的损失。Chueng,Green.17分析介绍了四种不同的磁铁耦合器应用情况，结果指出一种特殊类型的钕铁硼磁体具有高密度，强的抗腐蚀能力，以及更好的电镀和基本材料之间的粘接性能。这种钕铁硼磁体的磁耦合器体积小，传递扭矩大，运行稳定，同步性好，安全性能优良和维护成本低，非磁性材料的隔离套可以将内外转子完全分离，实现完全气密的磁式动力传输，-2-7580859095100105110而且运行时，轴向力几乎为零。Greg S.Highfill18在研究永磁磁力耦合器在电力设备的
11、应用分析时，提出永磁磁力耦合器提供了一种“断开连接”方法，即隔离振动电机和负载。这种特性可以保护设备免受冲击负载，增加了设备的可靠性。又指出相对于变频技术而言，其有很多技术优势：隔振，无电磁谐波干扰，低成本维护，无（或低）对心要求等。G Donoso19等人为了研究驱动器电磁振荡之间的参数变化关系，建立了电磁耦合振荡实验模型，该实验模型是用分别挂着两个垂直弹簧，并串接在一起的耦合振荡器模型，实验证明，通过调节气隙值，电磁耦合极易被实验者进行调整。2.2 国内应用情况永磁磁力耦合调速技术作为一个新生事物，其从发明时间（1997 年）到目前也不过 15年，国内研究起步比较晚，最先对其应用进行研究开
12、发的是扬州协力传动科技有限公司20和大连宝恒耦合器有限公司。这两家生产的耦合器，其某些性能指标已经达到国际先进水平。目前，该技术在国内主要是应用在电力、石化、钢铁冶金等行业上。中石化燕山石化公司采用了一台 150KW（ASD 20.5 型）的永磁磁力偶合调速器应用到冷却水塔的风机上；中铝兰州分公司自备电厂工业冷却水系统采用 4 台 2400KW（ASDWH4000 型）的永磁磁力耦合器21；山东海化集团自备电厂采用了 6 台 2400KW（ASD WH4000 型）的永磁磁力耦合调速器，安装在锅炉引风机上。苏州钢铁股份有限公司在水泵循环房系统永磁调速节能改造方案中采用了 630KW（XL-TS
13、630-6 型）永磁磁力耦合调速器，均取得了很好的节能效果。姬全胜等22介绍了一种磁力耦合器在滑动摩擦系数测定试验机的具体应用和设计，相信会有一定的应用前景。张洪军等23对同轴圆筒式磁力耦合器启动特性进行了研究，得出通过延时启动可以解决磁力耦合器脱耦的问题，对磁力耦合器的推广应用具有重要意义。尽管如此，国内很多大学对该技术的理论研究还属于起步阶段,沈阳工业大学在这一方面研究起步较早24,25，他们不仅设计出了一台八磁极变速盘式磁力耦合器，优化了某些机械参数，降低了成本；而且还研究了稀土这一新兴材料在磁力耦合器的应用，并取得了一些成果。武汉科技大学流体控制研究所在研项目之一是将这一技术用于液压调
14、速系统，但目前尚无相关文献发表。3 存在的问题及对策作为一种新兴调速技术，其优势是相当明显的，主要包括：柔性启动，启动电流明显降低；噪声、振动大幅降低，大大延长了电机与负载的使用寿命；调速比大；能量转换和传递安全；长期运行稳定可靠；机械结构简单，出现故障时间长，易于或很少维护；绿色环保，高效节能等3,18。但是从目前国内外文献上看，该技术存在滑差、动态响应性较慢、额外的轴向载荷、漏磁、惯性大、改造成本高等问题。下面简述主要存在的问题和相应的对策。（1）滑差由磁力耦合器的工作原理知，这种耦合传输转动是由永磁转子与导磁转子的相互作用而产生的，所以该转矩的传输是不同步的，也就是说与负载相连的永磁转子
15、的转速小于与电动机轴相连的导磁转子的转速。形成这个转速差就叫滑差7。气隙值越大，速度越小，滑差就愈大，所以滑差在低速阶段是很明显的。从原理上知，滑差是不可避免的，因此为了减少滑差带来的振动和噪声，一般建议系统-3-启动时空载或轻载启动，这样系统启动时，系统不会因为过高负载而出现稳定性差等一系列115120125130135140问题。（2）动态响应该耦合器调速原理是通过改变电机转速来改变输入系统的转速，由于一般的异步电机的转动惯量可能大于执行元件（比如液压泵）的转动惯量以及本身的滑差影响了加速性能，减速也不能过快。改善控制系统的结构、减小控制环节的个数会提高该耦合器与系统之间响应的快速性。（3
16、）额外的轴向载荷因为电机与泵之间是无接触机械连接，主要通过气隙来调节转矩，所以两者之间的耦合器需要良好的机械支撑，那么轴向载荷就不可避免的增加。合理的布置永磁转子与导磁转子的位置，利用磁路之间的作用力可以减小轴向的载荷。（4）漏磁漏磁无处不在，这个问题是不可避免的。解决这个问题初步设想可以采用合理的磁路结构或者是采用好的磁隔离装置，比如，采用内磁式和双磁式结构，可以形成磁屏蔽，减少漏磁26。（5）惯性大根据磁力耦合器的调速原理，当电机停止工作时，由于惯性，负载轴还会继续转动，不利于调速的稳定性；而且惯性越大，调速的稳定性越差。解决这个问题可以从两方面着手：一是在负载轴位置增加一个制动机构；二是
17、每次要电机停止工作时，可以先将气隙调到最大，然后再停机，这样便可以降低负载轴的转速，减小惯性对其影响时间。4 结论本文较全面系统地介绍了永磁磁力耦合调速技术的应用及研究现状，指出了新兴磁力偶合调速技术的特点，讨论了该技术存在的问题，这些问题主要包括低速稳定性、响应的快速性、起动或换向时的平稳性等，并针对这些问题提出了相应的对策。由于永磁材料磁性能的限制和隔磁材料价格的昂贵，磁力耦合器的重载调速能力受到限制，目前可以探索着将永磁材料改为软磁材料，即电磁铁。未来调速控制模式应朝着综合方向发展，我们可以尝试着将磁耦合调速技术与其他调速技术结合使用，比如在液压调速方面，我们可以将磁耦合调速技术与旁路节
18、流调速相结合，这样可以提高液压系统的稳定性。磁力偶合器符合节能和生态环保的要求，我们相信随着新技术、新工艺、新结构的出现，其在调速方面必将迎来发展的新高潮。145参考文献 (References)1 李伟斌，于学娟，等.高效无泄漏环保型磁力泵研究探讨J.工业安全与环保，2010，36（5）：44-45.2 大 连 恒 宝 耦 合 器 有 限 公 司 . 永 磁 磁 力 耦 合 器 简 介 及 应 用 领 域 简 介 DB/OL.2011-05-11.1501553 大连恒宝耦合器有限公司.磁力耦合器DB/OL.2011-05-114 严晓霞，赵朝会，张迪等.2 种磁力耦合器的比较J.上海电机学
19、院学报，2009，12(4)：289-292.5 李勇，彭科容，陆永平.永磁磁力耦合器特点及不同结构性能对比研究A.第二届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集C.杭州：浙江大学出版社，2008.258-261.6 李宾，崔立春，秦昌永.异步永磁磁耦合器轴偏心传动特性J.山东理工大学（自然科学版），2013，（27）1：71-75.-4-7 张宏.新型节能调速设备永磁磁力偶合调速器的原理及应用J.中国电力教育，2009，：551-553.8 Charles J M. Magnetic Coupling Protects MachineryJ. Design News, 1999(7):26-
20、28.9 Caricchi F, Crescimbini F, Honorati O. Low-cost compact permanent magnet machine for adjustable-speedpump applicationJ. Industry Applications, IEEE Transactions on, 1998,34(1):109-116.16016517017510 von Jouanne A, Williamson S, Smith A. Performance prediction and test of adjustable, permanent-m
21、agnet,load transmission systemsA.Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.C. Wallace, A.: Conference Record of the 2001IEEE,2001:1648-1655.11 Brauer J R, Lumkes J H Jr. Coupled model of a magnetic actuator controlling a hydraulic cylinder and loadJ.Magnetics, IEEE Transactions on, 2002,38(2):917-920.12 Chval
22、a W D, Winiarski D W. Magnetically Coupled Adjustable Speed Drive SystemsJ. Energy Engineering,2002,(99):38-59.13 E N Economou, Paul Mihas. Magnetic couplings in the hubbard modelJ. Journal of Magnetism andMagnetic Materials, 1978,7(1-4):331-360.14 David B Heard. Fail-safe devices for the prevention
23、 of hazardous materials spillsJ. Journal of HazardousMaterials, 1986,13(2):233-270.15 James R Brennan. Applications for magnetic drive rotary positive displacement pumpsJ. World Pumps,1999,1999(390):24-48.16 Smith A C, Peralta-Sanchez E. Containment can losses in permanent-magnet pump drives J. Jour
24、nal ofApplied Physics, 2006,99(8):314-337.17 Chueng, Green. Permanent magnets applied to magnetic couplingJ. World Pumps, 2005(468):19-30.18 Greg S Highfill. Permanent magnet couplings -the disconnected connectionJ. WorldPumps,2006,2006(477):26-54.19 G Donoso, C L Ladera, P Mart. Magnetically couple
25、d magnet-spring oscillatorsJ. European Journal ofPhysics, 2010,31(3):433-552.18020扬 州 协 力 传 动 科 技 有 限 公 司 . 磁 力 耦 合 器 典 型 应 用 案 例DB/OL.2013-01-13.21 王仁才.磁力耦合器在火电厂供水系统中的应用J.城市建设理论研究，2013，12：50-53.22 姬全胜，柳霁颖.磁力耦合器在真空设备上的应用和设计J.甘肃科技，2013,29（6）：50-5223 张洪军，包丽，李旭艳.同轴圆筒式磁力耦合器启动特性研究J.工程设计学报，2012，（19）6:489-493.18524 邵龙.变速磁力耦合器的优化设计D.沈阳：沈阳工业大学，201225 万援.调速型稀土永磁磁力耦合器的性能研究D.沈阳：沈阳工业大学，2013.26 王以真.实用磁路设计M.北京：国防工业出版社，2008.-5-
