永磁耦合器应用于刮板输送机的可行性分析

永磁耦合器应用于刮板输送机的可行性分析覃新川School of Mechanical and Power Engineering East China University of Science and TechnologyShanghai, China***************.cn姜超越,钱苏醒School of Mechanical and Power Engineering East China University of Science and TechnologyShanghai, China*******************Abstract：In order to solve the problem of scraper conveyor plug resulting from collapse of coal seam, some coal mine machinery companies consider applying permanent magnetic coupling replacing fluid coupling in scraper conveyor. In assumed conditions, some equations about torque, power and heat productivity, which were deduced from the operating principle were used in practical. Finally, we get the conclusion that applying permanent magnetic coupling can't deal with this problem in given conditions.Keywords: permanet magnet coupling; magnetic induction; torque; heat productivityI.简介永磁耦合技术（涡流式磁力驱动技术）是美国能源部出资为海军舰艇开发的一项新的驱动连接技术，1999年由美国Magna Drive公司转化到民用领域，主要应用于风机、水泵类载荷的驱动。

国内主要由中达电通股份有限公司负责制造、经销。

永磁耦合技术解决了旋转负载系统的对中、软启动、减震、调速及过载保护等问题。

它是通过导磁体和永磁体之间的气隙实现电动机到负载的扭矩传输，使电动机和负载侧没有机械连接。

通过调整气隙的大小可以实现传递扭矩的大小，从而实现负载速度的调节。

永磁耦合技术在大功率传递中与变频器调速方案相比具有无可比拟的优越性，这主要体现在系统的可靠性、长期运行的稳定性和经济性等各个方面。

长期以来，采煤工作面所使用的煤矿井下刮板输送机由于工作环境所致，经常出现由于载荷突然成倍增加导致电动机出现卡堵现象（大量煤炭塌帮，导致负载成倍增加）。

传统的处理方式是依靠人工卸载（将多余的煤炭人工卸载至采空区扔掉），其不仅劳动强度大，费时多，且造成对资源的极大浪费。

国内某煤机集团考虑应用永磁耦合器代替原刮板输送机的液力耦合器，希望实现刮板输送机的低速大扭矩启动，要求启动扭矩为电机额定扭矩的2~3倍，或者依靠永磁耦合器的自动调节功能，避免刮板输送机的闷车现象发生。

由于煤矿井下刮板输送机的驱动功率较大（此次研究的驱动电机功率初定为855kW），在高转差率（实现低速驱动）条件下，发热量较大（初步预计发热量为200kW左右），如何计算发热量？怎样将这些发热量传出等理论问题成为研制工作的难点。

由于传递功率过大，发热量计算等理论问题成为研制工作的难点。

为此厂家希望我们通过理论分析，确定这一设想的可行性。

II.基本工作原理与假定条件永磁耦合器主要由导体转子、永磁转子和控制器三部分组成。

如图１所示为永磁耦合器的原理简图，导体转子固定在电机轴上，永磁转子固定在负载轴上，导体转子和永磁转子之间有间隙（气隙），其减小的调整通过控制器来完成。

这样电动机和负载由原来的机械连接转变为磁连接，通过调节永磁转子和导体转子之间的间隙就可实现负载轴上的输出扭矩变化，从而实现可调整的、可控制的、可重复的负载转速。

图1 永磁耦合器原理简图计算模型的基本假定条件：①磁力线的分布：不考虑磁场强度在导体盘（材质为电解铝或电解铜）中的衰减（因金属铝、铜的相对磁导率rμ偏小，工程计算可取1=rμ）；具体讲：由于导体盘厚度较薄（实际有效部分仅为2.2mm），可设磁场在此范围内（沿厚度）大小、方向均不变；沿径向为常数；沿环向为正弦规律变化；②在正常工作范围内，导体盘与驱动轴之间的转速差很小（其最大值接近电机转速），导致导体盘上的磁场变化频率很小，铜导体盘在趋肤效应最明显时的趋肤深度（磁场变化的频率最大为：Hzf25601500max==）达到16.28毫米。

从而对于厚度仅为4毫米的铜导体盘可不考虑导体盘上感生电流的趋肤效应；电机轴(输入轴)输出轴永久磁铁气隙III. 稳定条件下的电磁关系由于永磁转子的旋转（由电动机带动），永磁转子在导体盘上产生旋转磁场，从而在导体盘上的感生电场的强度可表示为：000sin30θπθπρB n r e ne r B v f E =⨯== (1)其中：30πωρρn r r ==v 为运动导体的相对线速度；0r 为径向单位向量；21n n n-=为导体盘（电机）转速1n 与永久磁铁盘2n 的转速差；由于速度的拟均匀性，因此，当磁场沿环向的分布为正弦分布时，感生电场的分布也基本与磁场分布一致。

只是因30πωρρn r r ==v ，由于ρr 的线性关系，使得ne E 在靠近转轴方向偏小。

于是感生电流密度为：00sin30θπθπγγγρB n r r B v E j =⨯== （2） 而微弧长（径向）导体板（条）在磁场中所受的力为：B j B I F ⨯=⨯=)(dl d br dl d θρ （3）其中，b 为导体板厚度；当b 的厚度很小时，可认为在此范围内磁场强度不变；由于环形金属条不切割磁力线，因此在磁极有效作用范围内，感应电流只有径向分量才对转矩有贡献；切向分量对转矩没有贡献。

微元力矩：])[(B j r F r M ⨯⨯=⨯=dl d br d d θρρρ （4）一对磁极产生的驱动转矩为：⎰⎰⨯⨯=210)(20r r l d br d M B j r ρρθθ （5）当电机转动方向为顺时针（磁力线起源处N 极在前，磁力线回收处S 极在后）时，且永久磁铁在转盘上方，则N 极下方导体板的感应电流方向为由外部指向转轴中心，而S 极下方导体板的感应电流方向为由转轴中心指向外部。

两者（感应电流）在磁场下产生的力（或相对于转轴的力矩）与电机转动方向相同。

所以，一对磁极产生的驱动力矩为：02121021000004200]2sin 412[]4[][302)(2)(2θρρρθρρθθπθθπθπθπγθγθ-=⨯⨯=⨯⨯=⎰⎰⎰⎰r r r r r r r B n b l d r r d b l d br d M B E B j r (6)一个单磁极消耗的功率（发热量）：212100004200202]2sin 412[]4[]30[]sin30[θθρθπθθθππθπγθπθπγθγ-===⎰⎰⎰r rr r V r b B n brdrB n r d dV E P (7)IV. 具体算例现有永磁耦合器已知条件：磁感应强度T B 18.1min 0=，导体板厚度mm b 2.2=，铝导体盘电导m s 71082.3⨯=γ；热导率)/(208K m W ⋅；永久磁铁所在位置：mm r mm r 350,25021==；单个永久磁铁所占弧角130πθ=（最多可布置26个永久磁铁，实际布置12个永久磁铁）； 采用双圆盘结构。

代入已知数据，单个磁铁在不同转速差下运行时的发 热量为：W n r b B n P r r 200004204298.0]2sin 412[]4[]30[021=-=θθπθθθππθπγ (8)12个磁极的总发热量为： W n W n P 221581.54298.012=⨯=总 (9) 根据（8）、（9）两式可计算出对于给定电机在给定转差率时永磁耦合器的发热量。

表1：不同转速差下，永磁耦合器的发热量)18.1(T B =（单边） mN n r B n b M r r ⋅=-=209.8]2sin 412[]4[][3020210000420θρθπθθπθπθπγ (10) 6对永久磁铁产生的转矩为： m N n m N n M ⋅=⋅⨯=273.49209.86总 (11)于是，永磁耦合器传递的总功率为：55.9273.4955.9602222nn n M n M =⨯=⨯⨯π (12) 其中，1485,112=-≈n n n n 为电机输出轴转速，单位为rpm ；根据(11)、(12)两式可计算出在给定转差率时永磁耦合器所能传递的总功率和相应的扭矩。

表2：不同转速差下，永磁耦合器的扭矩和功率)18.1(T B =（单边） 转速差10 20 304050功率（kW ） 76.06 141.1 225.1 298.1 370.1 转速差（rpm ）6080100 200 300 扭矩()(m N ⋅ 2955.2 3940.3 4926985214777准备配备的电机型号为：YBSS －855－4－4142SJ ；功率为855kW ；其额定转速为1485rpm ，额定转矩为5498N.m 。

从表2可以看出：欲使永磁耦合器传输的转矩达到和接近电机的额定转矩5498N.m ，由于磁力耦合器为双圆盘结构，磁力耦合器的转速差将达到60rpm 左右；从表1可知，此时永磁耦合器的发热量（也就是功率损耗）计算值为18.57kW ，占电机输出功率的4.04%，这在一般情况下是可以接受的；但是，如果希望永磁耦合器输出的力矩为额定值的两倍左右，则由表2可以看出，此时永磁耦合器的导体转子与永磁转子的转速差将达到100rpm 左右，相应的由表1可知其此时永磁耦合器的发热量计算值为51.57kW ，占电机输出功率的6.73%，这个数值在通常情况下是不能被接受的，但作为事故处理（刮板输送机因载荷突然增加所导致的堵死现象）的短时运行，也是可以接受的。

不过还要注意一点，此时永磁耦合器传递的功率已达2×714.3kW ，也就是说根据能量守恒定律，选定855kw 异步电动机不可能带动永磁耦合器达到这个状态。

V. 结论与展望根据上述分析，考虑应用永磁耦合器代替原刮板输送机的液力耦合器，希望实现刮板输送机的低速大扭矩启动，要求启动扭矩为电机额定扭矩的2~3倍。