矿用筒式永磁耦合器软启动及过载保护特性研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202112032 收稿日期 2021-06-21 基金项目 国家重点计划专项2016YFC0600900; 中央高校基本科研业务经费资助项目3142015037 作者简介 孙 珂1990, 男, 山东聊城人, 在读博士研究生, 主要研究方向为磁力传动, E-mail tbp150401006 student. cumtb. edu. cn。 引用格式 孙 珂, 崔 巍, 张 涛, 等. 矿用筒式永磁耦合器软启动及过载保护特性研究 [J]. 煤炭工程, 2021, 53 12 164-169. 矿用筒式永磁耦合器软启动及过载保护特性研究 孙 珂1, 崔 巍1, 张 涛1, 时剑文2, 孟国营1, 丁 军3 1. 中国矿业大学北京 机电与信息工程学院, 北京 100083; 2. 清华大学 机械工程学院, 北京 100084; 3. 华北科技学院 机电工程学院, 燕郊 065201 摘 要 永磁耦合器作为一种新型的传动装置应用日趋广泛, 是矿用传动设备的新选择。 对于 恒转矩负载, 永磁耦合器具有软启动及过载保护功能, 特别适用于刮板输送机及带式输送机, 但目 前对其软启动及过载保护特性缺乏较为深入的认知, 为进一步研究其软启动及过载保护特性, 设计 并制作 6kW 筒式永磁耦合器样机, 搭建试验平台, 试验研究表明脱耦启动相比耦合启动, 电机启动 时间减少了 32, 峰值电流减少了 34, 具有更好的软启动性能; 过载时应在 16s 内切断电机电 源, 或将耦合器调至脱耦状态以保护电机和耦合器。 关键词 永磁耦合器; 软启动; 启动电流; 过载保护; 过载电流 中图分类号 TD407 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202112-0164-06 Test on soft start and overload protection characteristics of cylinder permanent magnet coupler for mine SUN Ke1, CUI Wei1, ZHANG Tao1, SHI Jian-wen2, MENG Guo-ying1, DING Jun3 1. School of Electrical and Ination Engineering, China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. School of Mechanical Engineering Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. School of Electrical and Ination Engineering, North China Institute of Science and Technology, Yanjiao 065201, China Abstract As a new type of torque transmission device, permanent magnet coupler PMC is increasingly widely used, and becomes a new choice of torque transmission equipment for mines. PMC have soft-start and overload protection functions for constant torque loads. They are suitable for scraper conveyors and belt conveyors. However, there is currently a lack of in- depth research of their soft-start and overload protection characteristics. In order to further research its soft start and overload protection characteristics, a prototype of a cylindrical permanent magnet coupler CPMC with a rated power of 6kW for experimental testing is designed and manufactured, a test bench is set up , the experimental research shows that decoupling start has better soft start perance compared with coupling start, which reduces the motor start time and peak current by 32 and 34, respectively; the motor power supply or coupling should be cut off within 16s to protect the motor and the coupler. Keywords permanent magnet coupling; soft start; starting current; overload protection; overload current 刮板输送机和带式输送机是煤矿井下常见的输送 设备, 这两种设备在煤矿生产工作中启动、 制动较为 频繁, 且经常需要带载启动, 带载启动时若产生的张 力过大会对负载部件造成损害[1], 同时, 带载启动也 会延长驱动电机的启动时间, 导致启动电流存在时间 过长而引起电机发热, 对电网也会形成冲击; 此外, 负载卡死所引发的过载或堵转也会造成电机严重发热 甚至会损坏电机, 造成生产事故。 因此, 在煤矿生产 领域对刮板输送机、 带式输送机等设备的驱动电机的 软启动及过载保护具有较高的要求。 永磁耦合器作为新型的传动设备, 通过电磁感 应无接触的传递转矩, 广泛应用在矿山生产中[2]。 461 第53卷第12期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 53, No. 12 万方数据 外钢筒 永磁体 外层 框架 显示为透明 导体筒 永磁体 内层 内钢筒 永磁耦合器具有软启动及过载保护特性, 是解决这 一需求的优异方案。 永磁耦合器按永磁体布置形式 可分为两种, 一种为永磁体镶嵌在盘式框架上, 主 磁路方向为轴向, 调速方式分别为改变气隙厚 度[3,4], 另一种为永磁体镶嵌在筒式框架上, 导体形 状也为筒式结构, 主磁路方向为径向, 调速方式为 调节耦合长度[5,6]。 目前对永磁耦合器的软启动或过 载保护特性已有一些研究, 如文献[7]通过试验测 试证明了盘式永磁耦合器具有过载保护性能; 文献 [8]分析了盘式永磁耦合器用于刮板输送机软启动 的可行性, 并设计了电机的功率平衡控制系统; 文 献[9]通过仿真分析了同步式永磁耦合器在过载工 况下的温升特性, 得出了过载时永磁体最高温升为 114℃的结论; 文献[10]针对 40kW 盘式永磁耦合器 稳定运转及过载工况下的涡流损耗与温度特性, 得 出了过载时应在 45s 内关闭电机以防止永磁耦合器 过热失效等结论; 文献[11]仿真分析了大功率矿用 盘式永磁耦合器软启动时的温度场, 得出了软启动 过程中耦合器的温度和热损均是先升后降, 且温度 变化滞后于热损等结论。 以上文献对永磁耦合器大多都为仿真研究, 其 准确性有待进一步验证; 或研究不够深入, 仅验证 了可行性, 对电机启动时电流、 转速、 转矩等参数 的变化过程缺乏认知, 且主要研究对象为盘式永磁 耦合器, 因为结构上的差异, 筒式永磁耦合器性能 表现上和盘式有一定的区别。 综上所述问题, 本文 对筒式永磁耦合器进行了实验研究, 搭建试验测试 平台, 测试其软启动、 过载保护性能, 对其启动、 过载时的性能表现有了更准确、 深入的认知, 对矿 用筒式永磁耦合器的设计、 制造以及选型应用等具 有一定的参考意义。 1 结构及原理 1. 1 结构 筒式永磁耦合器结构如图 1 所示, 其结构主要 由镶嵌着永磁体块的内外钢筒以及导体筒构成, 导 体筒连接负载轴, 其余部分连接电机轴, 在电机启 动或稳定运转时通过改变导体筒与磁体筒的耦合长 度可以实现软启动、 调速等功能。 1. 2 工作原理 当筒式永磁耦合器处于工作状态时, 永磁体筒 与导体筒之间存在相对转差而产生旋转磁场, 旋转 磁场切割导体筒产生感应电势, 导体筒内有涡流产 图 1 筒式永磁耦合器结构 生, 从而产生感应磁场, 感应磁场与永磁体磁场相 互作用会产生电磁转矩。 根据楞次定律, 感应磁场 总会阻碍磁场的变化, 因此电磁转矩会驱动导体筒 随永磁体筒转动。 永磁体筒与导体筒之间耦合长度 变化时, 筒式永磁耦合器的转差会随之变化, 可实 现调速的目的[12-15]。 图 2 磁通管分布 通过以下步骤可得出筒式永磁耦合器转矩计算 公式 1 构建筒式永磁耦合器永磁体回复线方程。 2 建立等效磁路模型, 得出外磁路特性方程。 3 联立上述两个方程得出在工作状态时内外永 磁体磁感应强度 Bm1、 Bm2与磁场强度 Hm1、 Hm2。 4 利用磁场分割法将磁路分割为如图 2 的五种磁 通管, 并根据磁通管磁阻计算方法计算它们的磁阻。 利 用等效磁路法构建等效磁路[16-18], 并根据磁路的基尔 霍夫定律得出磁路的方程组1, 以及气隙磁通量 Φa 与磁通管磁阻的关系式2, 联立式1、 2及磁通管 i 磁通量计算式 Φi a iBi可计算得出磁通管 1、 4、 5 映 射在导体筒区域的磁感应强度 B1、 B4、 B5。 Φa Φ 2 - Φ m1 0 Φa Φ 3 - Φ m2 0 4RmΦm1 R 2Φ2 2 Br - B m1 μ0μrm hc RaΦa -R 2Φ2 -R 3Φ3-1/2 1-e -h c/ dsd sσcamRcB1ω 4RmΦm2 R 3Φ3 2 Br - B m2 μ0μrm hc 1 561 2021 年第 12 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 RaΦa R 1Φ1 R 4Φ4 R 5Φ5 2 式中, Φa为气隙磁通量; Φm1、 Φm2为磁路的 主磁通; Br为永磁体剩磁; Rm为永磁体磁阻; Ra 为气隙磁组; R1、 R4、 R5分别为磁通管 1、 4、 5 的 磁阻; μ0为真空磁导率; μrm为永磁体相对磁导率; ω 为转差。 5 根据安培定则, 得出磁回路中提供转矩的磁 通管 1、 4、 5 所映射区域的安培力计算式3式 5, 进一步得出筒式永磁耦合器转差转矩关系方 程6, 最终得出筒式永磁耦合器功率计算式7 M1 1/21 - e -h c/ dsd sσcambmr 2 cB 2 1ω 3 M4 1/41 - e -h c/ dsd sσcamr 2 clgB 2 4ω 4 M5 1/41 - e -h c/ dsd sσcamr 2 clgB 2 5ω 5 TPMC N2M1 4M4 4M56 P n - ωTPMC 9550 7 式3-7中, lg为气隙厚度; σc为导体筒电 导率; Rc为导体筒半径; am、 bm、 hc分别为永磁体 宽度、 轴向长度与厚度; ds为趋肤深度, 其值为 2 μ0μrσcω ; n 为输入转速; N 为永磁体磁极对数。 2 试验平台搭建 根据式1式7, 设计一个额定功率为 6kW 的筒式永磁耦合器样机并搭建试验平台, 耦合器结 构参数见表 1。 表 1 筒式永磁耦合器参数 参数数值 永磁体宽度圆周向 / mm30 永磁体轴向长度/ mm80 永磁体厚度径向 / mm15 永磁体极对数/ 对10 外侧永磁体距圆心距离/ mm78 内侧永磁体距圆心距离/ mm53 外侧钢桶外径/ mm104 内侧钢桶内径/ mm48 导体桶轴向长度/ mm100 导体桶平均半径/ mm72 导体桶厚度/ mm6 气隙厚度内外永磁体径向距离 / mm10 平台采用低速大扭矩电机为驱动元件参数见表 2, 经输入侧转矩转速传感器与筒式永磁耦合器相 连, 耦合器另一侧经输出侧转矩转速传感器与负载 磁粉制动器相连。 筒式永磁耦合器可通过丝杠结构 调节导体筒与永磁体筒的耦合长度, 导体筒外侧设 有红外温度传感器可用来测量导体筒温度, 使用钳 形电表测量电机电流并记录。 表 2 三相异步电机参数 型号 额定 功率/ kW 额定 电流/ A 额定 电压/ V 额定转速 / rmin -1 YE2 225M-63059. 3380980 3 软启动特性测试 筒式永磁耦合器作为传动装置的启动方式通常 有两种 ①耦合启动 耦合器在耦合的状态下直接 启动; ②脱耦启动 将耦合调节至脱耦状态耦合长 度为 0后启动电机, 待电机运转至额定转速时调节 耦合器至耦合状态[19,20]。 分别测试耦合启动和脱耦启动两种输入转速和 输出转速随时间变化的数据, 可得出如图 3 所示的 筒式永磁耦合器启动转速曲线。 图 3 启动转速曲线 由图 3 可知, 耦合启动状态下, 电机启动后输 入端转速经 4. 7s 加速至电机额定转速, 负载端同样 在 4. 7s 时启动完毕, 进入稳定运转状态。 启动过程 中输入端与输出端的加速基本同步; 脱耦启动状态 下, 输入端经过 3. 5s 加速至电机额定转速, 运转稳 定后将耦合器调节至耦合状态, 负载端经过 4s 完成 启动, 进入稳定运转状态。 两种启动方式的启动过 程中输入、 输出转速的变化均比较平稳, 未出现明 显波动。 两种启动方式下的启动转矩曲线如图 4 所示, 661 装备技术 煤 炭 工 程 2021 年第 12 期 万方数据 从图中可以得知耦合启动状态下输入转矩与输出转 矩同步上升, 增大至极大值后经过略微下降进入稳 定运转状态; 而脱耦启动状态下, 输入转矩在启动 时存在小幅波动, 该波动是由输入侧自身的转动惯 量所产生, 在输入端启动完毕, 角加速度降为 0 后 就会消失, 进入耦合状态后输入转矩和输出转矩同 步增加, 增大到极大值后略微下降进入稳定运转状 态。 两种启动方式下, 转矩均会经过一个极大值后 才进入稳态, 其产生的原因是试验平台启动后, 电 机在拖动负载启动时需提供额外的转矩为输入轴及 输出轴提供角加速度, 当整个系统进入匀速转动状 态后, 提供角加速度的转矩降为 0, 耦合器传递转 矩降低至磁粉制动器所提供的模拟负载转矩值。 图 4 启动转矩曲线 由启动转速特性测试结果可知, 脱耦启动负载 端启动时间短于耦合启动, 因此脱耦启动过程中的 角加速度平均值大于耦合启动, 脱耦启动下的峰值 转矩 也 相 对 更 高。 耦 合 启 动 时, 峰 值 转 矩 为 56. 5N m, 稳态转矩为 54. 5N m, 稳态转矩约为峰 值 转 矩 的 96. 5; 脱 耦 启 动 时 峰 值 转 矩 为 62. 5N m, 稳态转矩为 57. 8N m, 稳态转矩约为峰 值转矩的 92. 5。 永磁耦合器稳定运转时, 传递转 矩即为磁粉制动器所提供的模拟输出转矩, 软启动 特性试验结果中, 两种启动方式的稳态转矩略有差 别, 这是试验误差所造成。 启动转矩试验研究结果 表明, 耦合驱动与脱耦启动启动过程中的转矩波动 范围均不到 10, 可有效避免电机带载启动时对负 载设备产生的冲击。 由图 5 可知, 耦合启动状态下, 电机在运行至 3. 5s 时电流达到峰值 187A, 随后电流下降并在 4. 7s 电机启动完毕后进入稳态; 脱耦启动状态下, 电机 运行至2. 2s 后电流达到峰值123A, 随后电流下降并 在 3. 2s 电机启动完毕后进入稳态。 将永磁耦合器调 节至啮合状态过程中电流未出现明显波动。 异步电 机直接启动电流通常为额定电流的 47 倍[12], 因此 耦合启动与脱耦启动的方式对电机均有一定的软启 动效果, 但脱耦启动相比耦合启动, 电机启动时间 减少了 32, 峰值电流减少了 34, 具有更好的软 启动性能。 图 5 电机启动电流曲线 从以上对比研究可以得知, 电机拖动系统中, 筒式永磁耦合器以耦合启动、 脱耦方式启动的过程 中转速与转矩的变化均较为平稳, 且相比直接启动 电机启动过程中的峰值电流均有所减少, 两种启动 方式均有一定的软启动效果, 但脱耦启动时电机的 启动速度明显加快, 启动电流相比耦合启动也有较 大程度的降低, 因此脱耦启动的方式软启动性能 更好。 4 过载保护特性测试 4. 1 永磁耦合器机械特性曲线 分析永磁耦合器过载保护特性需要了解其机械 特性, 永磁耦合器的机械特性曲线与异步电机类似, 如图 6 所示, 点 A、 B、 C、 D 分别对应其启动状态 点、 临界运行点、 额定运行点、 同步运行点。 1 启动状态点。 也称为堵转状态点, 该点输出 转速为 0, 永磁耦合器在启动或堵转时均运行在该 点, 此时的转差率为 1, 对应转矩 Tst即为永磁耦合 器的启动转矩或堵转转矩, 当负载转矩大于该值 时永磁耦合器无法启动。 761 2021 年第 12 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 图 6 永磁耦合器机械特性曲线 2 临界运行点。 该点对应永磁耦合器最大传递 转矩 Tmax, 当 Tmax大于电机最大输出转矩时, 永磁 耦合器不能对电机提供过载保护。 3 额定运行点。 该点为永磁耦合器额定工作 点, 传递转矩为耦合器额定转矩, 输出功率为耦合 器额定功率。 4 同步运行点。 该点永磁耦合器输出转速与电 机转速相等, 耦合器转差与传递转矩均为 0。 4. 2 过载保护试验测试 启动实验平台电机, 并在运行稳定后快速增加 磁粉制动器转矩, 使耦合器负载端处于堵转状态, 同时记录输入输出转速、 耦合器温度等数据。 这个 过程耦合器转速随时间变化曲线如图 7 所示。 图 7 过载转速曲线 由图 7 可知, 当负载转矩突然增大到超过永磁 耦合器最大传递转矩后输出转速快速下降至停转, 而电机端输入转速经过小幅下降后保持稳定运转, 负载的增加未对电机造成冲击或使电机堵转, 耦合 器对电机起到了保护作用。 过载时转输入、 输出转矩随时间的变化曲线如 图 8 所示。 由图 8 可知, 提高负载转矩时, 输入转矩也随 输出转矩同步提升, 当转矩增大至耦合器堵转后, 耦合器的传递转矩不增反降, 这是因为堵转时的转 差很大, 越过了筒式永磁耦合器临界运行点, 运转 图 8 过载转矩曲线 在堵转状态点。 过载时电机电流变化曲线如图 9 所示, 由图 9 可知, 负载转矩增加时, 电机运行电流也随之增加, 过载时电机电流迅速增大到 165A, 达到了额定电流 的 280。 电机虽然没有堵转, 但因为永磁耦合器的 堵转转矩远大于电机额定转矩, 导致此时电机的运 行电流远高于额定电流, 这对电机的寿命是不利的, 因此在设计制造时, 可适当降低耦合器的堵转转矩, 以降低过载时电机的运行电流。 图 9 过载电机电流曲线 应注意永磁耦合器对电机的过载保护本质是把 负载对电机的冲击转移到了耦合器上, 过载时电机 运转功率几乎全部转换成了永磁耦合器导体转子的 涡流发热, 耦合器的温度会急剧升高, 温度变化曲 线如图 10 所示。 图 10 过载温度曲线 由图 7 可知, 系统在运行至 40s 时负载端开始 过载, 而负载轴转在 54s 时停转, 负载端进入过载 状态后, 前 14s 耦合器温度提升速度相对较为缓慢, 861 装备技术 煤 炭 工 程 2021 年第 12 期 万方数据 但在负载轴停转、 进入堵转状态后温度急剧上升, 在16s 内从32℃上升至164℃, 因此在系统发生过载 时应迅速切断电机电源, 或调节永磁耦合器耦合长 度至脱耦状态, 否则当永磁体温度超过其材料的居 里温度时会发生不可逆退磁而失效。 5 结 论 搭建筒式永磁耦合器试验平台、 制作耦合器样 机并对其进行试验测试得出了其软启动及过载保护 特性, 得出以下结论 1 筒式永磁耦合器在耦合启动与脱耦启动时均 具有一定的软启动效果, 且脱耦启动的软启动性能 表现优于耦合启动。 2 筒式永磁耦合器具有过载保护效果, 在生产 设计中, 适当减小其堵转转矩可对电机提供更好的 过载保护效果。 3 对于 6kW 筒式永磁耦合器, 堵转后温度会 在 16s 内上升至 164℃, 且电机电流也会提升, 发生 堵转后应在 16s 内切断电机电源或将耦合器调至脱 耦状态以确保永磁体不会过热失效。 参考文献 [ 1 ] 郭永存, 何家锐, 李成林. 基于永磁涡流传动的长距离带式 输送机启动特性研究 [J].煤炭科学技术, 2020, 481 54-60. [ 2 ] 时剑文, 孙 珂, 孟国营. 矿用调速型永磁耦合器性能影响 因素分析 [J]. 矿业科学学报, 2018, 31 68-75. [ 3 ] Kano Y, Kosaka T, Matsui N.A simple nonlinear magnetic analysis for axial -flux permanent -magnet machines [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 576 2124-2133. [ 4 ] Nguyen T D, Tseng K J, Zhang S, et al.A novel axial flux permanent-magnet machine for flywheel energy storage system Design and analysis [ J ].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 589 3784-3794. [ 5 ] Bracikowski N, Hecquet M, Brochet P, et al.Multiphysics modeling of a permanent magnet synchronous machine by using lumped models[ J ].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 596 2426-2437. [ 6 ] Hsieh M F, Hsu Y C.A generalized magnetic circuit modeling approach for design of surface permanent-magnet machines [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 59 2 779-792. [ 7 ] 牛耀宏, 孟国营. 矿用永磁耦合联轴器过载保护研究 [J]. 煤炭工程, 2014, 462 106-107, 110. [ 8 ] 李成林, 何家锐, 米亚迪. 刮板输送机磁力软启动及功率平 衡控制研究 [J]. 煤矿机械, 2019, 408 35-38. [ 9 ] 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, 518 104-108. [10] 时剑文, 王泽路, 孙 珂, 等. 矿用永磁耦合器涡流损耗及 温度场分析 [J]. 煤矿安全, 2017, 4810 101-104, 107. [11] 朱玉芹. 大功率矿用盘式永磁偶合器软启动瞬态温度场研究 [J]. 煤矿机械, 2021, 421 34-36. [12] 刘锦波, 张承慧. 电机与拖动 [M].北京 清华大学出版 社, 2015. [13] 张利男, 寇子明, 吴 娟, 等. 永磁外转子提升机变频调速 系统研究 [J]. 煤炭工程, 2021, 535 136-141. [14] 罗宇驰. 超深矿井提升机卷筒及钢丝绳变形失谐分析及优化 [D]. 重庆 重庆大学, 2016. [15] 刘金海. 基于参数化 dq0 坐标变换的 PMSM 建模与矢量控制 [J]. 电气工程学报, 2017, 1211 28-34. [16] 李 博. 永磁同步电机矢量控制技术的研究 [D]. 北京 中 国科学院大学, 2017. [17] 龚宪生, 罗宇驰, 吴水源. 提升机卷筒结构对多层缠绕双钢 丝绳 变 形 失 谐 的 影 响 [ J].煤 炭 学 报, 2016, 41 8 2121-2129 [18] 张学城. 井下单绳缠绕提升机主轴装置承载特性研究 [D]. 徐州 中国矿业大学, 2020. [19] 李炳才, 刘 静.永磁同步电动滚筒在梁北选煤厂的应用 [J]. 煤炭工程, 2019, 512 63-65 [20] 李义. 内置式永磁同步轮毂电机的气隙形变及振动特性研究 [D]. 黑龙江 哈尔滨工业大学, 2018. 责任编辑 赵巧芝 961 2021 年第 12 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据