矿用直驱系统用筒式同步型永磁耦合器特性研究_王雷.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 矿用直驱系统用筒式同步型永磁耦合器 特性研究 王雷 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 基于 185 kW 电机驱动系统对无隔离套、 双永磁体盘同步型耦合器应用于矿用直驱电机 系统时的传动性能开展了相关研究。首先分析了同步型永磁耦合器结构及工作原理， 进而进行 了磁场仿真、 永磁体安装受力分析及过载运行状态下的温度场分布计算。 主要结果如下 采用 10 对级形式， 最大传递扭矩达到 2 600 N m， 满足 185 kW 电机驱动系统需求； 单块永磁体安装受 力较小低于 46 N， 而永磁转子内外套轴向力为 1 000 N， 不对中 1 mm 情况径向力 320 N， 需特 定工装进行安装； 永磁体最高温度 114 ℃， 过载系数 2.0 以上， 满足过载运行需求。 关键词 永磁传动； 永磁耦合器； 磁场仿真； 结构力场； 温度场 中图分类号 TD40文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0104-05 Research on Characteristics of Barrel Synchronous Permanent Magnet Couplers for Direct-drive Systems of Coal Mines WANG Lei1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Based on the 185 kW motor drive system, the transmission perance is studied about the double permanent magnet disc synchronous couplers without isolation sleeves applied in mine direct-drive motor systems. Firstly, the structure and working principle of the synchronous permanent magnet couplers are analyzed, and then the magnetic field simulation, permanent magnet installation force analysis and temperature field distribution calculation under overload operation state are carried out. The main results are as follows the maximum transmission torque reaches 2 600 N m by using the of 10 pairs, which meets the requirements of the 185 kW motor drive system; the installation force of a single permanent magnet is less than 46 N, and the axial force of inner and outer sleeve of the permanent magnet rotor is 1 000 N, and the radial force is 320 N in the case of misalignment 1 mm, thus the specific tools are required for the installation; the maximum temperature of the permanent magnet is 114 ℃, and the overload coefficient is above 2.0, which meets the requirements of overload operation. Key words permanent magnet drive; permanent magnet coupler; magnetic field simulation; structural force field; temperature field 永磁同步电机直驱系统通常采用电机与负载硬 连接的方式运行[1-2]， 尚无有效的机械保护设备， 整 套驱动系统的保护只能依赖变频器提供的过流保 护，一旦变频器过流保护出现故障，保护动作不及 时， 电机将过载烧毁[3]。而同步型永磁传动装备输入 端和输出端同步运行，对与运行转速解耦，可实现 直驱电机系统的无损传递，且在过载时打滑保护电 机， 避免电机过载， 具有明显优势[4]。 目前，同步型永磁传动装置目前多用于水下机 器人解决动密封问题。薛力铭[5]等人将屏蔽技术与 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.021 王雷.矿用直驱系统用筒式同步型永磁耦合器特性研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 104-108. WANG Lei. Research on Characteristics of Barrel Synchronous Permanent Magnet Couplers for Direct-drive Systems of Coal Mines ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 104-108.移动扫码阅读 基金项目 辽宁省自然基金计划资助项目 （2019- MS- 233） ； 中煤科 工集团科技创新基金资助项目 （2018- 2- MS014， 2018- 2- QN010） 104 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 永磁耦合技术相结合，形成屏蔽式永磁耦合器， 构 建水下机器人动力静密封传输装置，实现水下机器 人动力静密封传输的永磁耦合对策的可行性；于雅 莉等人[6]采用解析方法对带隔套同步型永磁耦合器 进行了磁场相关计算，并基于三维仿真方法进行了 横向对比，验证解析计算准确性，为后续水下推进 器用磁力耦合器的进一步优化设计提供了坚实的理 论依据。张铎等人[7]分析了转速和隔离套厚度对涡 流损耗的影响，并对磁体厚度、长度等参数对转矩 传递性能影响规律进行了研究，为磁耦合推进器的 设计提供了一定的借鉴意义。但是以上研究主要集 中于水下机器人带隔离套同步永磁耦合器，且设计 方法多借鉴了电磁电机、磁力轴承、特种电磁机构 等，尚无针对于无隔离套、无损传动的双磁盘永磁 传动性能相关研究，缺少直驱电机系统传动应用的 相关理论支持，还需开展进一步的深入细致研究。 为此以 1 台 185 kW 矿用筒式同步型永磁耦合器为 研究对象，主要探究无隔离套情况下双磁盘直接传 动情况下磁场传递扭矩、轴向力以及应力分布、 过 载打滑热损耗及温升等不同关键特性，探索其应用 于煤矿直驱电机系统的理论基础。 1同步型永磁耦合器结构 筒式同步型永磁耦合器结构示意图如图 1， 耦 合器结构对称分布，主动盘与被动盘皆为永磁体 盘，两盘永磁体的磁场在气隙中耦合，把磁能转化 为机械能， 实现扭矩传递。 同步型耦合器传动模型如图 2，当主动极以速 度 v 运动时， 主动磁极 （主动转子上的永磁体） 与从 动磁极 （从动转子上的永磁体） 产生的作用力 P1和 P2在运动方向上的分量是相叠加的， 而垂直于运动 方向上的分量则方向相反基本抵消。因此从动磁极 在平行于运动方向的力的分量作用下，随主动磁极 以同样的速度 v 运动， 实现了运动和力的传递。 筒式同步型永磁耦合器的优点即可实现主动转 子与从动转子同步旋转， 无转差， 即使主动转子与被 动转子气隙增加也能保持转速不变，只有当主动转 子与被动转子间的气隙增加到一定程度后， 2 个转 子间的传递转矩不能满足负载需求，从动转子会立 即停止转动， 实现过载保护， 但是过载保护时间不可 过长，否则永磁体会有烧毁的风险。由于筒式同步 型永磁耦合器动态性能较好，启动转速不随两盘间 距的变化而变化，只要负载在有效范围内，都可顺 利启动， 同时非接触式传动可解决安装对中难题。 为保证筒式同步型永磁耦合器应用于直驱电机 系统情况下的扭矩传递性能， 且受力均匀合理、 过载 温升可控， 过载保护特性合理， 需要对同步型永磁耦 合器的磁场、 结构力学及温度场进行仿真计算， 保障 各物理场在许可范围内，以期实现可靠稳定无损传 动功能。 2磁场仿真 筒式同步型永磁耦合器多采用表贴式结构， 为 防止转子运行过程中永磁体与转子脱离，需要采用 不同方式对永磁体进行固定，常用的方法有螺栓固 定、碳纤维护套固定等。本台永磁耦合器采用凸形 永磁体结构，利用凸台对永磁体进行保护。永磁体 上沿为 24 mm，下沿 21 mm，充磁方向长度为 25 mm， 永磁体布置示意图如图 3， 外套安装筒及内套 安装筒厚度分别为 8 mm 和 26 mm。永磁体在圆周 方向 20 块均布。 对于筒式同步式永磁耦合器，其运行过程中的 传递转矩可以用式 （1 ） 来表示 TTmaxsin （pθ）（1 ） 式中 T 为永磁耦合器的传递转矩； Tmax为永磁 耦合器的最大传递转矩； p 为永磁耦合器的级对数； θ 为永磁耦合器内外套中轴线之间的夹角。 在静止状态下，同步型永磁耦合器之间的夹角 为 0， 两转子之间的作用力无切向分量。在运行过 图 1同步型耦合器结构图 Fig.1Structure diagram of synchronous couplers 图 2同步型耦合器传动基本模型 Fig.2Transmission basic model of synchronous couplers 105 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 程中， θ 随负载的变化而自适应变化， 即永磁耦合器 的传递转矩随负载变化。当 pθ90时， 永磁耦合器 传递转矩达到最大值。对于研究的同步型永磁耦合 器， 在圆周方向上永磁体 20 块均布， 永磁耦合器的 级对数为 10。可知当 θ9时， 永磁耦合器可以传递 最大转矩。 设置内外转子对应永磁体之间的夹角为 9， 可 以得到永磁耦合器的最大传递能力，永磁耦合器轴 向长度为 1 m 时的传递能力为为 17.96 kN m， 当永 磁耦合器的轴向长度为 150 mm 时，可以计算得到 此时永磁耦合器的最大传递转矩为 2 690 N m， 满 足 185 kW 永磁电机的过载需求。 永磁体输出磁力线分布云图如图 4，可以看出 磁力线云图与磁密云图分布对应程度高，且圆周分 布规律明显。外圈永磁体与对应的内圈永磁体组成 1 个磁极， 磁力线封闭于外圈钢盘内， 红色区域及蓝 色区域为磁力线密集区，即磁密大的区域，红色与 蓝色代表磁力线方向不同。同时，永磁体凸起处磁 力线密度大，这是由于为保证永磁体镶嵌于钢盘内 在离心力作用下避免甩出，专门做成滑槽型式卡住 永磁体，而永磁体为安装于槽内多出的部分漏磁较 多， 故其磁密大、 云图显现颜色较深。而磁力线较少 的部分， 在磁密中便为蓝色显示， 表示磁密度低， 磁 力线分布及磁密分布合理。由于本台筒式永磁耦合 器为同步式， 正常运行时内外套之间相对转速为 0， 所以无涡流损耗出现，即没有温升，永磁耦合器一 直保持室温运行。 3安装受力 由于筒式同步型永磁耦合器结构主体为永磁体 与钢套，安装过程存在一定吸力，为确保安装过程 安全可靠， 需要进行安装过程中永磁体受力分析[8-9]。 分别对内磁套及外磁套安装第 1 块永磁体、第 2块 永磁体及最后 1 块永磁体时的受力进行了计算。安 装第 1 块永磁体时磁场矢量图及磁密图如图 5。安 装最后 1 块永磁体时磁场矢量图及磁密图如图6。 当永磁耦合器内磁套安装第 1 块永磁体时， 永 磁体径向吸力约为 23 N， 轴向吸力约为 35 N。当永 磁耦合器内磁套安装第 2 块永磁体时，永磁体径向 吸力约为 19 N， 切向吸力约为 11 N， 轴向吸力约为 44 N。 当永磁耦合器内磁套安装最后 1 块永磁体时， 永磁体径向吸力约为 17 N， 轴向吸力约为 45 N。 当永磁耦合器外磁套安装第 1 块永磁体时， 永 磁体径向吸力约为 46 N， 轴向吸力约为 22 N。当永 磁耦合器外磁套安装第 2 块永磁体时，永磁体径向 吸力约为 41 N， 切向吸力约为 9 N， 轴向吸力约为 图 3永磁体布置示意图 Fig.3Schematic diagram of permanent magnet layout 图 4永磁体磁力线分布云图 Fig.4Cloud map of magnetic field line distribution 图 5第 1 块永磁体磁场矢量图及磁密图 Fig.5The first permanent magnet magnetic field vector diagram and magnetic density map 106 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 33 N。当永磁耦合器外磁套安装最后 1 块永磁体时， 永磁体径向吸力约为 39 N， 轴向吸力约为 35 N。 当内外磁套开始组装时， 2 个磁套之间的轴向 力约为 1 000 N， 当出现不对中达到 1 mm 时， 内外 磁套之间的径向力为 320 N， 此时作用力较大， 需要 工装进行固定安装，以防出现安装事故。内外磁套 组装时磁场矢量图及磁密图如图 7。 综合来看， 永磁体安装过程所需用力较小， 可以 正常安装，而内外磁套组装时作用力较大，需要特 定工装进行安装。 4过载温度 永磁耦合器应用现场存在负载过大或卡死问 题，此时永磁耦合器将出现高温升，为避免温升故 障的发生发生， 需对过载运行温度进行计算[10-11]。当 永磁耦合器输出端卡死时，永磁耦合器的传递转矩 将一直按照式 （1 ） 变化， 引起电机的输出转矩也随 之变化，电机在半个周期内电动运行，另半个周期 会发电运行。当永磁耦合器输出端卡死时，永磁耦 合器的损耗约为 40 kW， 磁场损耗曲线如图 8。 使用 ANSYS Workbench 进行联合仿真后， 按照 经验公式设置散热系数， 永磁体温度分布如图 9。 永磁耦合器永磁体的温度最高为 114 ℃，选用 牌号为 N45SH 的永磁体不会出现不可逆退磁， 且当 温度上升时，永磁体的性能出现下降，使永磁耦合 器的最大传递能力出现下降，同时减少了涡流的损 耗，降低永磁体的温升。本次进行的永磁耦合器额 定传递功率满足设计需求， 过载系数在 2.0 以上， 满 足过载运行需求。 5结语 1） 针对 185 kW 直驱电机系统， 同步型永磁耦 合器采用 10 对级永磁体排布， 在 θ9情况下， 磁场 可实现 2 600 N m 扭矩传动，满足系统传动需求， 且磁场分布及磁密分布合理。 2） 对筒式同步型耦合器安装过程进行了磁场及 受力分析，永磁体安装所需用力在许可范围内， 可 图 6最后 1 块永磁体磁场矢量图及磁密图 Fig.6Magnetic vector diagram and magnetic density diagram of the last permanent magnet 图 7内外磁套组装时磁场矢量图及磁密图 Fig.7Magnetic field vector diagram and magnetic density diagram during assembling inner and outer magnetic sleeve 图 8磁场损耗曲线 Fig.8Magnetic field loss curve 107 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 以实现安全可靠安装，而内外磁套安装时需要特 定工装。 3） 对同步型耦合器进行过载温度场分析， 最高 温升 114 ℃， 此时高温将降低永磁体磁性， 耦合器传 动能力下降， 有利于保护电机， 同时可实现 2.0 过载 倍数， 保证直驱系统电机顺利启动。 参考文献 ［1］ 李争， 史雁鹏， 杜深慧， 等.大功率永磁同步电机磁热 耦合分析 ［J］ .大电机技术， 2020 （1） 6-9. ［2］ 韦强， 冯桂宏， 张炳义.矿用皮带机用直驱永磁电机冷 却系统研究 ［J］ .机电工程， 2019， 36 （8） 873-878. ［3］ 鲍晓华， 刘佶炜， 孙跃， 等.低速大转矩永磁直驱电机 研究综述与展望 ［J］ .电工技术学报， 2019， 34 （6） 1148-1160. ［4］ 张强， 刘军.永磁调速耦合器在选煤厂带式输送机上 的应用研究 ［J］ .中国煤炭， 2018， 44 （2） 87-90. ［5］ 薛力铭， 安跃军， 许晓辉， 等.实现水下机器人动力静 密封传输的永磁耦合对策 ［C］ //第十三届沈阳科学学 术年会论文集 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