带式输送系统中永磁同步耦合器的应用探析.pdf

1皮带输送机常见驱动与连接方式简介 皮带输送机常见的驱动及连接形式主要为液力 耦合传动、 永磁同步耦合及变频启动， 详见表 1[1]。 目前，同煤集团中大部分矿井皮带输送机所采 取的传动形式均为液力耦合传动，即将液力耦合器 配置在减速机与电机之间。 经过大量的实践可知， 液 力耦合器在实际应用的过程中存在较大的不足 一 是自身体积及质量较大。体积过大就必须准备足够 的安装空间， 这无法适用于安装空间较缺乏的地方； 质量较大就会导致电机或减速机的轴承遇见较大的 径向荷载， 极大影响了轴承的寿命， 甚至会出现断裂 问题。二是在堵传的时候起内部的油温及液压将会 极大提升， 使其出现熔塞或熔化， 液压油以较高的速 度喷出， 对环境造成污染， 对人员的人身造成威胁； 如果堵传的时候极易熔塞， 则无法有效熔化， 进而发 生爆炸。三是无法完成 1∶1 的同步传动， 同时运行 的时候内部液压油的温度会出现上升，因此其不具 备较高的效率， 对于功率较大的设备而言， 这个损耗 效率是无法忽略的。 四是不具备较高的安装效率， 且 必须准确对中， 否则将会产生严重的振动， 对设备的 使用年限产生了较大的影响。五是当其发生故障需 要检查维修的时候， 其拆卸过程较为繁琐， 需要运用 专用的工装， 因此不具备较高的安装及拆卸效率。 在重载工况的背景下，皮带输送机必须克服传 动系统存在的惯性而稳定启动。 因此， 在启动的时候 不仅要降低输送皮带的破坏张力，而且要尽可能降 低传动系统自身所受到的启动冲击，尽可能延长各 个核心部件的使用年限，同时还需要降低其对电机 造成的热冲击， 节能并延长电机的使用年限。 近些年来，永磁同步耦合传动是一项关键的技 术， 可以将该系统启动过程中产生的问题加以解决， 同时它还具有较强的可靠性、 安全性， 也可以在恶劣 工况下进行使用， 同时安装极为便捷等。 根据该耦合 器的构造 （如下页图 1 所示） 、 运行原理、 安装偏差对 振动性能及传递扭矩的层面出发，对该耦合器在皮 带输送机中的优势及适用性加以验证。 2永磁同步耦合器的基本结构与工作原理 该耦合器传动是利用气隙传递转矩与转速的变 带式输送系统中永磁同步耦合器的应用探析 陈思远 （同煤国电同忻煤矿有限公司， 山西大同037003） 摘要 为提高皮带输送系统运行的安全性、 平稳性， 分析了当前带式输送机常用的几种连接方式与驱动的优缺 点， 提出了一种新型的永磁同步耦合传动方案， 介绍了该方案的主要结构及具体工作原理， 指出了永磁同步耦合 器安装误差对带式输送机传递转矩特性与振动特性的影响情况， 并进一步总结了永磁同步耦合器在带式输送机 系统中应用的可行性与优越性， 以期有助于永磁同步耦合器在带式输送系统中的推广应用。 关键词 带式输送机传动系统耦合器结构原理转矩特性 中图分类号 TD528.1文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0067-03 收稿日期 2020-02-19 作者简介 陈思远 （1987） ， 男， 本科， 中级工程师， 从事煤矿机 电相关工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.029 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 项目名称变频器情况液力耦合器情况 永磁同步耦合器 情况 运行原理 通过改变电 流频率运行 通过改变叶轮间 液体的容积大小 运行 通过气隙传递相 应的转矩运行 传递效率大小948499 节能情况相对较高偏低高 保护情况 出现过电流 实施保护 堵转后进行泄压 保护 出现过载打滑现 象后， 可自动恢复 输入电压敏感与否敏感不敏感不敏感 适应环境的能力差一般较好 系统减震效果很差较差好 轴承运行寿命长短较短短较长 能否频繁启动不能不能能 响应速度快慢较快较慢快 是否存在电力谐波是否否 设备运行寿命情况510 a510 a20 a 安装精度要求较高较高低 对中要求较高较高低 所占空间大小大较大较小 防护性能要求防雷防尘防漏防爆防护性能要求低 查找故障的难易程度难易易 是否容易维护难较难易 表 1各种工况与驱动方式下系统的运行情况表 机械分析与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 革性传输设备，促使电机端与传统机械之间的链接 成为无接触的磁力连接。该耦合器的构成主要包含 主动与从动两个转子，在两个转子上安装相应的永 磁磁钢， 并配置一定的气隙。 主动转子与电机轴形成 连接， 从动转子与减速机之间相互连接。 选择筒式同步用词耦合器为对象进行分析， 详 细阐述它的运行原理。该耦合器内外用磁体数目相 一致的偶数片所构成，两个邻近磁体保持相反的径 向充磁方向， 其沿着圆周的方向进行排列。 处于静止 的状态下， 内、 外永磁转子上所设置的 S 极和 N 极 彼此吸引， 并且相互对正， 此时内永磁转子并未受到 转矩的影响。当外永磁转子随着主动轴进行转动的 时候， 开始之时由于受到相应的力矩影响， 内永磁转 子依旧处于静止状态。此时， 与内永磁转子相比， 外 永磁转子则发生相应角度的偏移， 其 N 极对 S 极起 到了一个较好的推动效果，即两个磁体之间产生的 切向分离形成了一种磁转矩。当该转矩克服了负载 及摩擦两个力矩的时候，外永磁转子就会推动内永 磁转子来进行转动， 这就是该耦合器的运行原理。 在启动永磁同步耦合器的时候，主动转子将会 随着电机的转动而转动，当主动与从动两个转子产 生弹性位移之后，负载轴也会随着从动转子的转动 而转动， 这样一来， 主动与从动两个转子之间将会存 在相应的转角差， 即弹性位移角， 该转角差与传递转 矩曲线之间的关系详见图 2。在这种耦合器启动的 时候，由于主动与从动两个转子之间存在弹性位移 角，因此在启动皮带输送机的时候电网及设备所受 到的冲击将会降低。 当其遇到冲击载荷的时候， 工作 点由 A 转移到 B，弹性位移角也从 兹1转变为 兹2， 冲 击载荷也得到了极大缓解， 自行复原至 A 点。因此， 不管是处于启动时期， 还是碰到了冲击载荷， 该耦合 器都将具备较强的弹性缓冲能力。 3永磁同步耦合器的安装误差对传递转矩特性及 振动特性的影响 使用联轴器进行连接的两轴，由于制作和安装 的偏差、受到荷载之后的变形及温度转变等诸多因 素的影响， 常常无法确保对中的准确性， 两轴之间也 会产生相应的偏斜和位移， 如图 3 所示。因此， 联轴 器不仅可以传递相应的转矩，而且可以完善两轴之 间产生的偏移。 永磁同步耦合器的安装部位处于负载轴与驱动 轴之间，在安装这两个轴的时候必定会产生相应的 偏差， 这个偏差主要包含了径向、 轴向及角度三种偏 差。 但是对于轴向与角度两种偏差， 该耦合器并不存 在敏感性，其中轴向可允许窜动量处于 35 mm， 这 是不被传统耦合器所允许的。传统耦合器对径向安 装偏差有着较高的敏感性，在安装的时候起径向允 许变化值为 0.050.10 mm，否则将会产生较强的振 动，因此在安装的时候应当采取有效的手段来进行 准确对中。安装的时候， 如果无法准确对中， 则必定 会产生强烈的振动，对电机或减速机的使用产生了 极大影响， 甚至会出现断裂问题， 对正常生产造成影 响，其所针对的研究主要为径向安装偏差对耦合器 传递力矩产生的影响， 如图 4 所示。 选择六级永磁同步耦合器为对象来分析径向安 装偏差转变条件下传递转矩的性能规律，其径向气 隙值是 3.5 mm。分别针对径向偏差 啄 为 0、 1 mm、 2 mm 和 3 mm 的峰值转矩值进行分析。 为了将径向偏 差与传递转矩之间的关系进行直观表示，采取折线 图来进行反映， 详见下页图 5。 1主动转子； 2从动转子 图 1永磁同步耦合器结构示意图 图 2永磁同步耦合器转矩曲线 3-1轴向位移3-2径向位移 3-3角向位移3-4综合位移 图 3轴线的相对位移 4-1啄04-2啄14-3啄24-4啄3 图 4不同径向安装误差下永磁同步耦合器截面示意图 1 2 Y X T2 T1 兹1兹2 A B 弹性位移角， 兹/ （） 驻x 琢 琢 68 2020 年第 6 期 通过上图可知， 处于准确对中的状况下， 永磁同 步耦合器所传递的峰值扭矩值为 200 N m，随着径 向对中偏差的不断增加，其所传递的转矩值会呈现 出先增加后降低， 其中当偏差为 2 mm 的时候， 其转 矩的最大值为 212 N m， 要比设计值高 6。当偏差 为 3 mm 的时候，该耦合器所传递的转矩值最小为 194 N m， 要比设计值小 3。这是由于随着径向安 装偏差的不断增加及气隙减小，其一侧的磁密持续 增加， 另一侧的气隙磁密将会呈现出不明显的降低， 因此传递扭矩值则不断增加；但是当径向安装存在 较大的偏差时， 尽管气隙会降低， 但是一侧的磁密呈 现出大幅降低，另一侧的磁密较大，甚至会出现饱 和， 这就导致传递转矩值不断降低。 通过以上的分析 可知，径向安装偏差并不会对这种传递转矩产生较 大的影响， 也充分显示出了该耦合器的优势[2]。 该耦合器的安装部位处于减速机与电机之间， 振动传感器的安装部位处于减速机或电动机的轴承 端盖部位， 如图 6 所示。以一个 160 kW、 4 极三相异 步电动机驱动为例子，对各个径向安装偏差下存在 的振动速度值进行检测， 详见表 3。 通过对各个径向安装偏差背景下电动机输出侧 轴承端盖形成的振动速度进行分析检测，其结果详 见表 3， 由此可知， 该耦合器在各个径向下产生的安 装误差并不会振动产生较大的影响，其振动速度的 最小值为 2.01 mm/s， 要比电动机的振动值小许多。 4结论 1） 永磁同步耦合传动则由于主动与从动两个转 子之间存在较大的弹性位移角，因此其具备较强的 抗冲击性和启动缓冲性。 2） 对于永磁同步耦合器而言， 径向安装产生的 误差对其不会产生较大的影响， 其低于 6， 同时对 系统振动也不会产生较大的影响，这就说明永磁同 步耦合器的安装极为简便， 不需要准确对中， 并且具 备独具特色的减震及降震性能。 3） 依据传递的效率、 节能、 运行原理、 过载保护 等角度， 对变频启动、 永磁同步耦合传动、 液力耦合 传动这三种性能进行对比分析，其结果显示永磁同 步耦合传动具有最佳的性能。 4） 与液力耦合传动相比， 永磁同步耦合传动具 有较强的社会及经济效益。 参考文献 [1]牟红刚， 李小宁， 徐俊峰， 等.同步永磁耦合器动力学特性仿真 研究[J].机床与液压， 2019 （6） 33-35. [2]孙建国， 刘鸿元.永磁同步电机直驱带式输送机在煤焦公司的 应用分析[J].煤炭与化工， 2017 （3） 10-12. （编辑 贾娟） 图 5径向安装误差值对所传递转矩变化折线图 1电动机； 2振动传感器； 3永磁同步耦合器； 4减速机 图 6振动测量示意图 表 3几种安装误差情况下电动机的振动值情况表 195 200 205 210 190 2103 径向误差值 /mm 199 204 213 195 12 3 4 径向误差情况 /mm 振动速度值情况 / （mm s-1） 径向误差情况 /mm 振动速度值情况 / （mm s-1） 01.5421.56 11.5932.00 Application of Permanent Magnet Synchronous Coupler in Belt Conveyor System Chen Siyuan （Tongxin Coal Mine Co.,Ltd., Datong Shanxi 037003） Abstract In order to improve the safety and stability of belt conveyor system, the advantages and disadvantages of several common connecting modes and driving are analyzed. A new permanent magnet synchronous coupling transmission scheme is proposed. The main structure and working principle of the scheme are introduced. The influence of the installation error of the permanent magnet synchronous coupler on the transmission torque and vibration characteristics of the belt conveyor is pointed out, and the feasibility and superiority of the application of the permanent magnet synchronous coupler in the belt conveyor system are further summarized in order to facilitate the popularization and application of the permanent magnet synchronous coupler in the belt conveyor system. Key words belt conveyor; transmission system; coupler; structure; principle; torque characteristics 陈思远 带式输送系统中永磁同步耦合器的应用探析69