永磁涡流柔性传动节能技术
永磁涡流调速装置三维有限元分析
永磁涡流调速装置三维有限元分析董舒寻;江清芳;钱志华;钱玉倩;黄崇富【摘要】永磁涡流调速装置采用无机械联结的柔性传动方式,传动特性较软,具有高效节能、无谐波污染等优点.为了探究装置的机械特性和传动特性,给实物装置的参数选定和优化设计提供参考,利用ANSYS Maxwell软件,建立了永磁涡流调速装置的三维有限元模型,赋予了模型各部分相应的属性,进行了三维瞬态磁场有限元分析,得到了模型在不同转速差下的输出转矩和输出功率.随着转速差的增加,输出转矩先增加,后缓慢减小;输出功率持续增加.从转速差·转矩关系曲线上确定了装置的转速差在30～ 100rpm范围内为合理工作区间.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2018(053)006【总页数】6页(P1-6)【关键词】涡流;永磁调速;有限元方法【作者】董舒寻;江清芳;钱志华;钱玉倩;黄崇富【作者单位】南京工程学院自动化学院所,江苏南京211167;南京工程学院自动化学院所,江苏南京211167;南京工程学院自动化学院所,江苏南京211167;南京工程学院自动化学院所,江苏南京211167;南京工程学院自动化学院所,江苏南京211167【正文语种】中文【中图分类】TM301.30 引言目前，电机驱动系统调速的首选方案依然是变频器[1,2]。
但是变频器随着电压等级的增加，其可靠性和可维护性降低，时常发生故障，造成财产损失[3,4]。
另外，高压变频器产生的高次谐波对电网产生污染，并且会大大降低电机的使用寿命，因此需要配备谐波治理设备[5,6]。
上世纪90年代末永磁涡流调速技术的提出，为传统的高压大功率电机传动技术带来了全新的理念。
永磁涡流调速装置是一种新型的电机调速装置，主要包含导体转子和永磁体转子两个基本组件。
它以高性能的稀土永磁材料钕铁硼(NdFeB)作为磁源，通过联结在电机轴的导体转子和联结在负载轴的永磁转子之间的相对运动使得导体转子上产生涡流，该涡流生成感应磁场，且与永磁体产生的磁场相互作用，进而产生电磁力牵引永磁转子随导体转子同向转动，将扭力从电机侧传递给负载端。
永磁电机节能的措施
永磁电机是一种采用永磁体励磁的电动机，相比于传统的电励磁电机，永磁电机具有更高的效率和节能效果。
以下是一些永磁电机节能的措施：优化设计：优化永磁电机的设计是实现节能的关键。
通过合理的电磁设计、结构设计和热设计，可以减小电机的体积、重量和损耗，提高电机的效率。
选用高性能的永磁材料：高性能的永磁材料能够提高永磁电机的磁场强度和效率，从而降低能耗。
降低损耗：降低永磁电机的损耗是节能的重要手段。
通过改进电机设计、优化控制策略等措施，可以有效地减小电机的铁损、铜损和机械损耗。
应用变频技术：变频技术可以实现对永磁电机的精确控制，使电机在不同工况下都能高效运行，从而达到节能效果。
优化控制系统：优化永磁电机的控制系统，根据实际工况调整电机的运行参数，可以有效地提高电机的运行效率，降低能耗。
维护保养：定期对永磁电机进行维护保养，保证电机的正常运行，避免因机械故障或电气故障导致的能耗增加。
总之，永磁电机节能的措施可以从多个方面入手，包括优化设计、选用高性能的永磁材料、降低损耗、应用变频技术、优化控制系统和维护保养等。
这些措施可以提高永磁电机的效率，降低能耗，从而实现节能目标。
永磁电机节能原理
永磁电机节能原理
永磁电机是一种高效节能的电机，其节能原理主要体现在以下几个方面：
1. 高效转换能量：永磁电机采用永磁材料制造转子，使得转子
磁场产生的磁力线与定子线圈磁力线相互作用，从而实现能量的高效转换，减少电机能量损耗，提高电机效率。
2. 恒功率运行：永磁电机在恒定转速下，输出功率与输入功率
成正比，能够实现恒功率运行。
相比传统电机在负载变化时需要不断调整输出功率的方式，永磁电机在负载变化时不需要额外的能量消耗，更加节能。
3. 不需要励磁：永磁电机由于采用永磁材料制造转子，不需要
外部励磁，减少了电机的能量损耗，提高了电机效率。
4. 无电刷结构：永磁电机采用无电刷结构，使得电机在运行时
不会产生碳刷损耗和火花，减少了电机能量损耗，提高了电机效率。
综上所述，永磁电机采用永磁材料制造转子、恒功率运行、不需要外部励磁和采用无电刷结构等技术特点，使得其在运行时能够实现高效转换能量，提高电机效率，实现节能目的。
- 1 -。
永磁电机降低成本的具体措施
降低加工和装配成本。
4. 预防性维护
制定并执行预防性维护计划，包括定期检查、清洁和更换部件。
减少故障停机时间，延长电机使用寿命。
5. 高效控制策略
- 采用磁场定向控制（FOC）策略。- 应用最大转矩控制（MTC）算法。- 引入预测控制策略。
提高电机效率和响应速度，减少能耗。
永磁电机降低成本的具体措施
措施
描述
效果
1. 选用高性价比材料
选择高性能但成本相对较低的永磁材料，如钕铁硼（NdFeB）磁体等。
降低材料成本，提高电机性能。
2. 优化电机设计
- 提高绕组设计，铜损和铁损，提高电机效率。
3. 精简制造流程
6. 无感应传感器技术
使用无感应传感器技术监测电机位置和转速，减少传感器成本和维护成本。
提高系统可靠性，降低总成本。
7. 智能化控制
引入人工智能、模糊控制、神经网络等智能技术，优化电机运行。
提高电机效率和能耗管理水平。
8. 直接驱动系统
在合适的应用场景中，采用永磁电机直接驱动系统，减少中间传动环节。
减少设备复杂性，提高系统效率和可靠性。
9. 定制化解决方案
根据特定应用需求，定制永磁电机解决方案，避免“大马拉小车”现象。
提高系统整体性能，降低能耗和成本。
10. 批量采购和供应链优化
通过批量采购和供应链优化，降低采购成本和维护成本。
规模效应降低成本，提高市场竞争力。
永磁调速器
、环槽螺母套、钢珠等其他附件。 滚珠丝杆套：锻钢车床加工成型毕调质处理HRC22~28内孔环槽部分渗氮，深度 0.5~1.0mm。 滚珠保持架：无缝钢管车床加工成型毕调质处理HRC22~28零件渗氮，深度 0.5~1.0mm。 环槽螺母套：锻钢40Cr车床加工成型毕调质处理HRC22~28内孔环槽部分渗氮， 深度0.5~1.0mm。 钢珠：SФ8硬度HRb8
有倾角的时候可以运行、不对中的情况可以运行、轴向震动时候可以运行 4、空载启动
降低启动峰值电流，减少浪涌持续时间，适合频繁启动，节约能源。 5、绿色环保
没有液力耦合器的漏油污染，更环保。没有变频器调速时对电网产生的谐波污评指导
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目录
1 2 3 4
永磁调速器涡流柔性传动技术是依据现代磁学理论，应 用稀土永磁新材料所产生的强磁力，经过科学的磁极配置， 实现力矩的无接触传递。
永磁 + 涡流 = 柔性传动
涡流电 流
S
N S N 磁极
S
侧视图 顶视图
通过感应磁极与永磁体间的相互作用力来传递扭矩
永磁调速器一般有三个部分组成，一是和电机连接的导磁体，二是与负载连接 的永磁铁，这俩个转动体之间有一定的空间间隙，三是一个调节器，通过调节器调 节俩个转体之间空间的间隙的大小，通过负载扭距的调节实现负载输出速度的控制。
某电厂永磁调速改造方案及实施结果
某电厂永磁调速改造方案及实施结果摘要:永磁调速器是利用永磁耦合技术来达到驱动与调速目的的一种调速装置，可以实现电动机和负载间无机械连接并且可以使负载高效运转。
本文通过电厂的一次电机永磁调速改造，介绍了改造过程中的具体实施流程和方法，指出了新兴永磁调速技术的特点。
同时讨论了该设备运行中存在的问题，包括噪音、执行机构的后期维护、滑差问题、动态响应、调速机构的惯性问题等，并针对这些问题提出了相应的对策。
关键词：节能降耗永磁调速1.改造背景电厂化学水处理车间除盐水泵、中间水泵、预脱盐水泵采用工频运行方式，设计参数偏大，出口压力偏大、流量偏高。
由于水泵容量本身有较大裕量，原水泵在工频运行方式下，无法根据现场工艺要求自动调整流量和压力，因为除盐水供水流量较小，只有20~30 M3/h，远小于额定流量的30%，如果除盐水泵长期投入工频运行，会造成气蚀甚至烧泵的风险；预脱盐水泵和中间水泵分别供阳床和阴床制水，且每台泵对应2台床，工频启动时压力和流量较大，经常造成刚投入的阳床或阴床震动、法兰漏水；且由于电机和水泵为刚性连接，易造成轴承的磨损，水泵电动机非软启动，启动瞬间冲击电流大，对电机绝缘造成一定损伤，缩短电机使用寿命。
为了解决以上问题，电厂尝试新技术，对化学车间里的化学除盐水泵、中间水泵、预脱盐水泵进行了永磁涡流柔性传动调速改造。
2. 水泵永磁调速改造具体情况2.1 工程中的能耗设备情况（1）改造前的水泵、电机参数见表1、表2。
表1 水泵参数2.2 使用的工艺情况永磁传动调速技术作为一项新的技术，有别于传统的变频器节能改造，相比变频器改造，永磁调速改造更加简单方便，只需要将永磁调速装置安装在电机与水泵之间，改造内容如下：（1）电机基础改造和配置情况：电机基础水平后移495mm，在水泵和电机中间安装下永磁调速装置，在永磁体执行臂的平行位置上安装一套控制执行器，执行器由1根220V、100W控制电源线、3根控制信号线通过镀锌管铺设接至三期化学PLC室控制柜。
永磁磁力传动原理、应用及前景
永磁磁力传动原理、应用及前景永磁传动以现代磁学为基础理论，结合永磁材料的磁力作用，实现的力或转矩非接触式传递技术。
这种技术早在20世纪30年代被提出，并经由几十年发展，直到20世纪70年代，工业资源型到技术型转变的发展，同时人类环保意识逐渐提高，人们重拾永磁学的理论研究。
特别是NdFeB稀土这种永磁材料的出现，永磁材料性能应用上取得了显著的提高，使得永磁理论研究得以发展。
永磁磁力传动理论的这次突飞式发展，使得永磁传动技术在各个领域中得以应用，并逐渐以该技术为基础诞生了很多先进的磁力科学新技术。
一、永磁传动技术原理、分类及优缺点1.原理及分类。
永磁传动技术是利用磁性材料间异性相吸、同性相斥的原理，通过磁耦合将磁能转化成机械能的过程。
目前的永磁磁力传动分为转子式永磁传动、永磁离合式传动、涡流式永磁驱动和永磁悬浮式装置等四种传动模式。
1）转子式，特点：通常由主、被动磁组件外加隔离套三部分共同组成，三组件构成同心圆环体。
开发产品：磁力传动阀门、磁力传动泵、磁力调速器等，部分入市场应用，部分尚在研发。
2）涡流式，特点：由永磁转子、铜转子和控制器组成，永磁转子与铜转子构成圆盘模式。
开发产品：有限矩型磁力耦合器，延时型和调速型的磁力耦合器等，已投入市场应用。
3）离合式，特点：由主、被动磁盘和控制器联合构成，主动磁盘同被动磁盘呈现圆盘模式。
开发产品：永磁制动器和永磁离合器。
部分产品已投入市场使用。
4）磁悬浮式，特点：分为圆周磁悬浮和直线导轨类磁悬浮两种。
开发产品：无轴承电动机、磁力轴承以及磁悬浮导轨等，部分形成产品，部分正在研发。
2.磁力传动优缺点。
优点：1）结构简单，组成构件少，发生故障点很少，功能可靠性较高。
2）功能相对较全，能够实现过载保护、轻载起动、离合制动和调速等众多功能。
3）能够基本实现结构间无摩擦传动，从而使用寿命相对较长。
4）能够实现无泄漏传动功能，适合在核电、化工及航天等领域使用。
5）永磁磁力装置的重量与体积相对很小。
国家发展改革委公告《国家重点节能技术推广目录(第五批)》
国家发展改革委公告《国家重点节能技术推广目录(第五批)》佚名
【期刊名称】《造纸信息》
【年(卷),期】2013(000)003
【总页数】1页(P6)
【正文语种】中文
2012年12月13日，国家发展改革委发布2012年第42号公告《国家重点节能
技术推广目录（第五批）》。
第五批目录涉及煤炭、电力、钢铁、有色、石油石化、化工、建材、机械、轻工、建筑、交通、通信等12个行业，共49项重点节能技术。
其中，永磁涡流柔性传动节能技术可用于制浆造纸行业泵机、风机、传送带等设备。
永磁涡流柔性传动节能技术的主要技术内容：负载和电机间无刚性连接。
安装在电机侧的导体转子在负载侧的永磁盘产生的磁场中旋转产生感应磁场并形成涡流，涡流产生感应磁场，并与永磁转子相互作用形成的扭矩带动负载转动，并通过调节永磁盘和导体之间的间隙实现对电机功率的自动调节。
该技术适用的技术条件为：高温、低温、潮湿、淋水、冰冻、粉尘、易受雷击、易燃、易爆及具有腐蚀性的其他场所的电机驱动装置。
单台节电率为30%。
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Magna Drive公司是全球唯一持有和能够使用这些技 术专利的公司。
Magna Drive公司
•2002年，被美国《工业周刊》评为2001年度最佳传动技术 •2003年，被《企业》杂志评选为美国进步最快私人企业500强 •2004年，德勤公司将Magna Drive列入北美进步最快技术500强 •2004年，通过美国海军最严格的9－G抗震试验，并开始大量 采购使用 •2008年，麦格钠产品进入中国市场，开始节能应用 •2010年，鞍山钦元节能设备制造有限公司成功并购美国麦格钠 公司
节能报告
案例5－大庆油田北十二联合站深度污水泵
案例6 上海石化热电厂1250KW 1480rpm
案例7 九江石化热电厂60KW 990rpm
案例8－山东海化锅炉引风机2400KW 990rpm
案例9－北京燕山石化综合水泵站给水泵560KW 991rpm
案例10－山东枣矿集团蒋庄矿皮带机）MGD22/450
感谢各位领导的光临与指导！
谢谢
七、典型案例
案例1 鞍钢东烧厂活性灰2#引风机 220KW 1480rpm
案例1 鞍钢东烧厂活性灰2#引风机
现场监测记录 Field Monitoring Record
20 18 16
运行电流 A Running Current A
14 12 10 8 6 4 2 0 1-Dec 2-Dec 3-Dec 4-Dec 5-Dec 6-Dec 7-Dec 8-Dec 9-Dec 10Dec 11Dec 12Dec 13Dec 14Dec 15Dec 16Dec 17Dec 18Dec 19Dec 20Dec
二、传动原理
•源动机侧的导体转子在负载侧 永磁转子产生的磁场中旋转，切 割磁力线，从而产生感应磁场， 与永磁转子的磁场相互作用产生 扭力，推动负载的旋转，实现了 源动机到负载之间转矩的无接触 传递。 •永磁调速驱动装置颠覆了传统 的扭矩传递方式 •永磁涡流柔性传动调速是一种 全新的调速方式
二、传动原理
6、环境适应能力强
可在高温、低温、高海拔、 高粉尘、湿度大、雷击、易燃 易爆、空间狭小等恶劣环境中 使用。 适应于任何电机，对电力品 质无要求。
7、最低总成本
结构简单，安全
可靠，降低设备的 维修率和维修费用
控制过程简单， 延长设备寿命，
易于实现无级调速
减少设备故障周期
8、技术参数
转速范围：0～3000r/min
2010年，鞍山钦元节能设备制造有限公司成功并购美国 Magna Drive(麦格钠)磁动力股份有限公司。同年与东北大学合 作开发“永磁涡流柔性传动调速装臵”并正式成立技术研发中 心。 目前公司已获得调速型永磁涡流柔性传动节能技术专利发明2 项、实用新型17项、外观设计2项，正在受理的有10项。 2012年5月，公司的“永磁涡流柔性传动调速装臵”在中国科 技博览会上荣获“2012节能中国十大应用新技术”奖。 2012年11月，公司的“永磁涡流柔性传动节能技术” 被国家 发改委列为《国家重点节能技术推广目录（第五批）》当中。 在全国范围内推广使用。 2013年8月，公司的水冷型永磁涡流柔性传动装臵获批辽宁省 科技创新重大专项项目。 2013年7月，水冷型永磁传动节能装臵荣获辽宁省中小企业专 精特新产品。
1
五、技术特点
2、空载启动
降低启动峰值电流 减少浪涌持续时间 适合频繁启动 节约能源
3、减少震动
传统的传动或调速装臵，因为 机械安装要求，必须对电机、风 机或水泵进行精密校准。否则系 统安装后，会引起强烈的机械振 动，并会造成轴承、密封圈等部 件的加速磨损，增加维修成本。 永磁传动装臵因为采用气隙而 不采用硬机械连接传递扭矩，因 而对电机和负载的连接精度要求 大大降低，实践证明，这种气隙 连接方式，隔离了发震动的传递， 可以降低系统震动高达80%。
4、安全环保，无谐波
结构简单，安全性高 没有液力耦合器的漏油 污染，更环保 没有变频器调速时对电 网产生的谐波污染使电网 运行更安全 永磁传动装臵为纯机械 结构，除自身不用电外，同 时还不产生谐波和电磁干扰 等污染，是绿色环保产品
5、具有过载保护功能
电机系统在运行时常常会出现系统 过载或堵转现象，导致电机被烧损的 事故发生，安装永磁传动装臵后，由 于电机和负载轴没有直接的物理连接， 对于冲击型负载及有堵转可能的设备 具有缓冲与自动保护的功能, 减少电机 被烧损的概率。因此可以很简单的解 决驱动系统中最难解决的问题。
1#引风机电流
2#引风机电流
节能报告
案例2 济钢中厚板厂1#给水塔文泵
节能报告
安 1、管网压力波动非常大 装 2、阀门处于80%开闭度， 前 磨损较大 3、运行电流在：162A 1、管网压力波动非常小， 安 压力控制在一个很小的 装 范围 后 2、阀门处于全开状态， 基本没有磨损 3、运行电流在：128A， 节能效果显著
案例11－鞍钢大孤山铁矿排岩皮带机 560WK 990rpm
案例12－弓长岭一球回热风机 900KW 990rpm
案例12－永磁调速配套水循环冷却系统
案例13－弓长岭二球回热风机 900KW 990rpm
案例14－鞍钢动力总厂七高炉循环水泵站 710KW 1485rpm
案例15－宝钢集团条钢事业部除尘风机 160KW 1490rpm
2、适用场合
有调速需求的场所。 流量、压力根据工艺要求需要自动控制的场所（石化、电力） 输送含有颗粒介质又需要经常调节流量的场所（矿山） 有液力偶合器的场所 需要频繁启动、缓冲启动、机械震动大、经常过载的场所 局部环境不安全、污染严重的场所（煤炭、钢铁） 安全性、可靠性要求高，但存在危险的系统（煤气、化工）
案例3 鞍钢矿业公司鞍千矿循环水泵
案例4 大庆采油一厂联合排污泵站
改造前：由主控室监控液面参数，人工对阀门进行手动调节，劳动强度大且调 整精度达不到要求，影响生产 改造后：完全通过自动化控制将水泵的转速调节（流量）到理想的状态，满足 生产要求的同时又节约了能源，电流由120A降低到84A，节电率达30%
适配电机功率:4.0～3500KW
转矩范围：40～24650N· m 工作温度范围：-40～150℃
调速范围：0～99%
传递效率：96～99% 气隙调节范围：3mm～40mm 滑差：1～4% 安装精度：<1mm 节能效率：15%以上
六、技术的应用
1、节能技术的创新
扭矩传递方式的创新。 改变了传统的调速理念：以气隙传递能量，实现电机与负载之 间无机械连接传动，使传动更安全可靠、更简单方便、更高效稳 定。 调速方式的创新。在电机转速不变的情况下，通过调整气隙大 小，实现风机或水泵等设备扭矩和转速的调节，实现流量或压 力的连续控制，从而达到节能的目的。 与机械调速装置相比：具有体积小、磨损小等优势； 与变频调速方式相比：永磁装置本身不消耗电能，无谐波和电 磁干扰产生、环境适应广范、稳定性强； 世界领先。被誉为工业传动史上的一次革命。
永磁涡流柔性传动节能技术
一、技术的起源
美国Magna Drive(麦格钠)磁动力股份有限公司成立于1999年。 公司的发起人是美国波音商务飞机制造公司的前任董事长罗 恩〃伍德先生，投资人有比尔〃盖茨的父亲：威廉〃亨利〃盖茨 三世 。 公司的技术研发团队成员全部来自美国波音商务飞机公司传动 技术部。 永磁涡流柔性传动节能技术在美国获得17项专利技术，在全球 共获得专利200余项
3、应用现状
目前已成功应用于发电、冶金、石化、水处理、采矿与水 泥、纸浆及造纸、暖通空调、海运等行业的泵、风机、离心 机、输送带及其它电机驱动装臵。 永磁调速传动技术产品已在美洲、欧洲、大洋洲、亚洲 拥有国家级经销机构48家、直接一级大客户约800多家。至今 在全球有6000 多套设备在运转，其中1000多套在中国使用。
永磁体感应现象
导体中的涡流电流
S
N
S N
磁极
S
顶视图
通过感应磁极与永磁体间的相 互作用力来传递扭矩
侧视图
7
气隙大小与磁力关系
气隙大 气隙小 导体中产生 更强磁力
导体中产 生更强磁 力
S
N
S
N
S N
S
N
气隙越小，产生感应磁力越强
8
位移速度与磁力关系
S
N
铜导体相 对位移速 度1
S
N
铜导体 相对位 移速度2
S
N
S
N
相同气隙时，速度越快（2大于1），相 互引力越大，传输扭矩越大
9
三、基本结构
导体转子
磁转子
电
机
轴
负
载
轴
气隙
四、永磁驱动装置的分类
（FGC）
（MGD/MGTL）
（ASD）
（WH）
五、技术特点
1、高效节能
1.2 1.1 1.0 离心负载的相似定侓 节流阀控制 0.9 Q1/Q2=(n1/n2) 0.8 功 0.7 H1/H2=(n1/n2)2 率 0.6 比 0.5 节能 T1/T2=(n1/n2)2 0.4 P=T*n 0.3 永磁调速装置 0.2 由于电机，负载，永磁调速 0.1 0.0 装臵共轴，故电机的输出扭矩 0 0.2 0.4 0.6 0.8 流 量 比 等于负载扭矩，所以可知： P1/P2=(n1/n2)3 通过设备的调速方式来计算，一般节能率达到15%～60%
案例16－首钢迁钢炼钢厂6号除尘风机 1250KW 990rpm
案例16－永磁调速配套水循环冷却系统
ห้องสมุดไป่ตู้
国外应用---水和废水行业
美国纽约阿默斯特 WV-2500
加拿大安大略布兰特福德市
澳大利亚黑德兰港必和必拓公司