永磁调速器(PMD)的工作原理及特点

永磁调速器（PMD）的工作原理及特点

2007年永磁耦合与调速驱动器从美国引进我国，在美国已大量应用于冶金、石化、采矿、发电、水泥、纸浆、海运、军舰等行业，国内现在应用案例主要有浙江嘉兴电厂，山东海化自备热电厂, 华电东华电厂, 华能南京电厂, 中石化北京燕山石化, 枣庄煤业集团蒋庄煤矿等大型企业集团。

永磁磁力驱动技术首先由美国MagnaDrive公司在1999年获得了突破性的发展。该驱动方式与传统的同步式永磁磁力驱动技术有很大的区别，其主要的贡献是将永磁驱动技术的应用大大拓宽。它不解决密封的问题，但是它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，并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高，可达到98.5%。该技术现已在各行各业获得了广泛的应用。该技术将对传统的传动技术带来了崭新的概念，必将为传动领域带来一场新的革命。

该产品已经通过美国海军最严格的9-G抗震试验。同时，该产品在美国获得17项专利技术，在全球共获得专利一百多项。目前，由MagnaDrive公司和美国西北能效协会组成专门小组对该技术设备进行商业化推广。由于该技术创新，使人们对节能概念有了全新的认识。在短短的几年中，MagnaDrive获得了很大的发展，现已经渗透到各行各业，在全球已超过6000套设备投入运行。

(一)系统构成与工作原理

永磁磁力耦合调速驱动(PMD)是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动（电动机）和被驱动（负载）侧没有机械链接。其工作原理是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载速度调节。

由下图所示，PMD主要由导体转子、永磁转子和控制器三部分组成。导体转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，导体转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙）。这样电动机和负载由原来的硬（机械）链接转变为软（磁）链接，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。由上面的分析可以知道，通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。

磁感应原理是通过磁体和导体之间的相对运动产生。也就是说，PMD的输出转速始终都比输入转速小，转速差称为滑差。典型情况下，在电动机满转时，PMD的滑差在1% ~ 4%之

间。

通过PMD，输入转矩总是等于输出转矩，因此电动机只需要产生负载所需要的转矩。PMD 传输能量和控制速度的能力不受电动机轴和负载轴之间由于安装未对准原因而产生的小角度或者小偏移的影响。排除了未对准而产生的震动问题，由于没有机械链接，即使电动机本身引起的震动也不会引起负载震动，使整个系统的震动问题得到有效降低。

PMD控制器通过处理各种信号实现对负载调速，包括压力、流量、皮带速度、位移等其它过程控制信号。PMD可以方便地对现有设备进行改造，不需要对现有电动机和供电电源进行任何改动，极少的现金和安装投入。安装PMD以后，对整个系统不产生电磁干扰。在大多数情况下，关闭或者拆除现有的过程控制硬件设备。负载将在最优化的速度运行，增加能源效率，减少运行和维护成本。

永磁磁力耦合调速的特点

●总成本最低。

●维护工作量小，几乎为免维护产品，维护费用极低。

●容忍较大的安装对中误差。大大简化了安装调试过程。

●过载保护功能。提高了整个电机驱动系统的可靠性，完全消除了系统因过载而导致的损

害现象。

●带缓冲的软启动/软制动（刹车）。

●节能效果显着。 节电率达到25%--66%。

●使用寿命长，设计寿命30年。美国海军品质。

●过程控制精确高。

●减震效果好。

●结构简单，适应各种恶劣环境。对环境友好，不产生污染物，不产生谐波。

●体积小，安装方便，可方便地对现有系统进行改造或用在新建系统。

●应用现场多，已成功应用6000套。

(二)永磁调速器之卓越特点

●可控过程启动

对于大型带式输送机，其对驱动系统的要求主要体现在启动、制动过程中能最大限度的降低系统的惯性力，并能实现过载保护和负载平衡，将带式输送机的加速、停车和运行时的胶带张力减到最小。永磁磁力耦合调速驱动(PMD)的性能完全满足这些要求，使大型带式输送机的性能达到最好。而由传统的电动机、减速器所组成的驱动装置在启动和停车过程当中输送带的带速随着电动机的转速变化而快速变化，加剧了输送机本身的振动，增大了系统的惯性力，特别是在输送带满载情况下启动更为困难，因此传统的驱动系统已经不能满足长距离、大运量的大型带式输送机需求

一条皮带可以由一台电动机及一套PMD驱动，也可以由多台电动机及多套PMD驱动。驱动电动机在皮带机启动之前空载启动，此时PMD的输出轴保持不动，当驱动电动机达到满转速时，控制系统逐渐减小每台PMD的气隙，启动皮带机并逐渐加速到满速度。这使得皮带机在被加速至满速度之前有一个缓慢而均匀的预拉伸过程。

加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。启动驱动电动机可以按顺序空载启动，所以电动机的冲击电流非常小。由于驱动电动机可以根据运行负载进行选择而不必根据启动负载选择，所以PMD驱动系统可以选用功率较小的电动机。同样PMD 也可以象控制皮带机的启动那样控制皮带机的停车，通过延长停车时间可以降低对胶带的动态冲击力。

当驱动系统中有多台PMD时，控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载。合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。功率平衡是通过控制每台PMD的气隙，并允许一台或几台PMD进行轻微滑差来实现的，系统中的任何负载的增加都引起PMD 产生滑差，这样驱动系统的所有部件、轴承和齿轮等都将在冲击或者过载时受到保护从而延长其使用寿命。

大功率电机系统的启动问题一直是困惑用户的难题，因为电机系统在启动时，基本上可以看作是满载启动，电机在合闸瞬间，启动电流超出额定工作电流的十几倍甚至几十倍，使得变压器、配电设备短期严重过载，造成电压跌落(“黑电”)甚至启动失败，严重时还可能

烧毁电机。电机启动过程短的持续几秒，长的达到几十秒，电机线圈严重发热，造成电机线圈提前老化，缩短电机使用寿命。

●高可靠性

1.PMD在启动负载之前驱动电机空载启动，电机达到额定的速度之后，通过控制系统

使每台PMD气隙逐渐缩小来缓慢、平稳地对输送带进行张紧，输送带平稳地加速到

全速；使带式输送机在重载工况下可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启

动；使输送带的启动非常平滑，速度由零逐渐缓慢上升，加速度为连续的，实现了

无冲击的软启动。

2.PMD不仅降低了电动机的启动电流和减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响，

从而节约电能并延长电动机的工作寿命，而且极为有效地减小了启动时传动系统对

输送胶带的破坏性张力，消除了输送机启动时产生的振荡，还能大幅度减轻传动系

统本身所受到的启动冲击，延长胶带、托辊等关键部件的使用寿命，保证了设备的

安全可靠运行，有效地降低了设备维修及故障时间成本。

3.使用PMD时，因电机的选择是基于运动条件而不是启动条件，因而使电机的功率及

尺寸可减小到最小，也能够减少不必要的设备投资和运行电费。

4.使用PMD系统，可防止输入到带式输送机的功率及力矩超过安全限度，以保证带式

输送机过载时不能运行，从而保护该系统的其他部件；

5.PMD启动系数为1左右，所选择胶带的强度可降低30％左右。

●恶劣环境的适应性

1.室外恶劣环境

永磁调速器的主要元件为铜盘和永磁盘，永磁材料能在恶劣的环境温度下保持强磁场特性，在地球上的极限环境温度不会超过±100℃，永磁调速器可以在这种环境温度下工作。 而一些电子装备，如变频器，为了降低设备故障率，必须保证温度和湿度恒定在某个范围，因而需要使用专门的房间，防静电、安装精密空调等，增加了安装成本，增加了电能消耗，增加了维护需求和成本。

2.肮脏的环境

永磁调速器是非直接连接的机械调速装置，最小气隙宽度为1/8英寸(约0.317mm)，一般能在空气中飞扬的尘粒直径不会大于该尺寸，所以，它可以用于空气中粉尘较高的环境，如水泥厂、矿山等；当粉尘厚度导致机械摩擦时，可用高压水枪冲洗。 而电子或电气式的调速装置必须在洁净环境工作，因此对机房环境防尘要求很高。

3.易燃易爆环境

永磁调速器是机械式的、无摩擦传递扭矩的调速装置，除执行机构使用较弱电力需要采用防爆结构外，主功率部分绝不会产生火花或静电，因而在易燃易爆环境下使用较为安全。适合于煤矿、油田、油船、军械库、化工、矿井、高浓度粉尘工厂等使用的皮带机、破碎机、水泵、风机、鼓风机、油泵等设备。

电子或电气式设备，工作过程中易产生静电，火花甚至燃烧，不能在易燃易爆环境下使用，否则带来安全隐患。

4.高可靠要求环境

因为永磁调速器元件数量少，可靠性高，因而可用于对可靠性要求高的环境，如消防、

远洋轮船、海军舰船、潜艇等。复杂的电子或电气装置不适宜于对可靠性要求高的使用环境。下图为美国海军在油轮、潜艇和航母上使用永磁耦合器。

5.电力质量差的环境

由于永磁调速器为机械式调速装置，几乎与电力无关，当电力质量很差时，如电压波动、电力谐波、闪变、跌落、短时间断、雷击、浪涌等，这些因素对电子或电气调速装置往往是致命的。采用永磁调速器不会因为电力质量造成损坏。

6.各种电压、频率等级

由于永磁调速器为机械式调速装置，几乎与电力无关，因此，无论电机系统的电压等级及工作频率为多少，均能采用永磁调速器进行调速。永磁调速器对电机转速比较敏感，一般在相同功率下，电机转速越低，永磁调速器尺寸越大。

不产生电力谐波及电磁干扰

通常通过电子或电气实现调速的装置，基本都要通过改变电机输入的电流频率或波形来实现，如大功率或高压变频器一般采取可控硅整流输入，通过PWM直流斩波实现输出频率变换，因此有很大的谐波电流，见下图。电力谐波是电力网的严重污染，按照国家电力质量标准，用电设备对电网造成的总谐波电压不得超过5%，谐波电流对每次都有严格的限值，等效为总谐波电流也在5%~8%左右，如果超过标准规定，将需要加装高成本的有源谐波滤波器，否则将会受到电力部门的处罚，从而大幅增加安装总成本。

谐波电流电压，因为有高于50Hz基本分量，能造成电器元件的发热损耗，严重者能造成设备误动作，造成功率因素补偿电容烧毁、熔断器熔断、空气或断路器开关跳闸。

大家知道，电动机负载是感性负载，而永磁调速器为机械式调速装置，与电性能无关，因而，调速过程不会造成电流谐波，其功率因素取决于电机本身，这种功率因素问题仅利用配电系统中的电容补偿柜就可以补偿，不增加额外的成本。

电子产品或多或少都会产生电磁干扰，通常变频器的电磁干扰比较严重，在电磁兼容环境要求高的地方，为此需要巨大投资进行电磁兼容治理。永磁调速器不会产生电磁干扰。

●电机不会过热，也不需更换和改造电机

从电机转速改变的三个因素：频率、极对数和滑差来看，改变任何一个要素将导致电机转速改变。

现有的调速装置，除永磁调速和液力调速技术外，基本上都是通过改变电机本身的转速实现调速的。我们知道，电机在运转过程中，因电能消耗，电机线圈、硅钢片、机械摩擦都会造成电机发热，因此，电机内部都设计了风叶用以冷却电机。采用改变电机转速的技术，包括变频器、串级调速、双馈调速，在电机低速旋转时，电机的发热都很大，有时不得不使用外部风扇帮助散热。

永磁调速器是通过改变电机与负载之间的滑差实现调速的，也就是说，电机转速始终维持设计转速，因此不会因为电机转速下降导致电机过热。

变频器调速，因为变频器产生的正弦波实际是由方波叠加而成，高次谐波很多，电流的趋肤效应导致电机线圈发热，影响绝缘强度，应该更换绝缘等级更高的电机，如果不更换，电机的可靠性将大大下降，甚至造成绝缘击穿损坏，采用永磁调速技术，不会改变电机的输入电压、电流和频率，因此不会要求改造原电机系统。

●降低维护成本延长系统设备寿命

电机系统的故障主要原因是振动，振动会导致轴承、油封等的加速磨损， 也会导致基座、管道接头、紧固件等松动或断裂或破损，振动还会导致产生强烈的噪声。

振动的产生，主要由于以下因素：

1.电机与负载设备连接时，轴不同心或有一定角度误差；

2.减速机, 皮带机运行发生的振动；

3.机械设备的固有频率的共振等等。

除永磁调速器外其他的调速或调节装置，如CST、变频器、等，因为不改变电机与负载设备的连接，因此在安装过程中必须保证其轴的同心度，这种误差会直接影响电机系统的振动。

永磁调速器因为采用气隙传递扭矩，电机与负载设备之间没有刚性连接，且在机械冲击过程中具有通过滑差实现缓冲，因此极大减小了振动和噪音。

经过在美国4年多的实际使用，减少了机械振动量的80%左右，客户的维护工作量减少一半以上，因设备维护维修的费用、停工损失等大大降低。

(三)永磁调速驱动器分类

●空冷型永磁调速驱动器

空冷型永磁调速驱动器以其导体转子上的散热片带动冷却气流来冷却永磁转子与导体转子之间因转差（滑差）所产生的热量，该转差与传递的转矩相关，而转差与转矩大小由改变两转子之间的气隙来达成。分水平和直立安装两种。

●水冷型永磁调速驱动器

水冷型永磁调速驱动器即由导体转子转动的离心力稳定驱动冷却水流来冷却永磁转子与导体转子因转差（滑差）所产生的热量。水冷型永磁调速驱动器已成功应用于供水泵站，电厂的诱引风机，送风机，潜水泵，渣浆泵，水处理曝气风机，冷却水塔风机等各种大功率电机系统。分水平和直立安装两种。