永磁調(diào)速器的工作原理及特點(diǎn)

點(diǎn)擊量：2197   日期：2019-05-20

      永磁磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)在1999年獲得了突破性的發(fā)展。該驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)的同步式永磁磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)有很大的區(qū)別，其主要的貢獻(xiàn)是將永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用大大拓寬。它不解決密封的問(wèn)題，但是它解決了旋轉(zhuǎn)負(fù)載系統(tǒng)的對(duì)中、軟啟動(dòng)、減震、調(diào)速、及過(guò)載保護(hù)等問(wèn)題，并且使永磁磁力驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)效率大大提高，可達(dá)到98.5%。該技術(shù)現(xiàn)已在各行各業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)將對(duì)傳統(tǒng)的傳動(dòng)技術(shù)帶來(lái)了嶄新的概念，必將為傳動(dòng)領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。

      (一) 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理
      永磁磁力耦合調(diào)速驅(qū)動(dòng)是通過(guò)銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)）和被驅(qū)動(dòng)（負(fù)載）側(cè)沒(méi)有機(jī)械鏈接。其工作原理是一端稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體和另一端感應(yīng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，通過(guò)調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙就可以控制傳遞的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載速度調(diào)節(jié)。
      永磁磁力耦合調(diào)速裝置主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三部分組成。導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定在電動(dòng)機(jī)軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（稱為氣隙）。這樣電動(dòng)機(jī)和負(fù)載由原來(lái)的硬（機(jī)械）鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛╂溄樱ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙就可實(shí)現(xiàn)負(fù)載軸上的輸出轉(zhuǎn)矩變化，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化。由上面的分析可以知道，通過(guò)調(diào)整氣隙可以獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速。
      磁感應(yīng)原理是通過(guò)磁體和導(dǎo)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。也就是說(shuō)，永磁調(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)速始終都比輸入轉(zhuǎn)速小，轉(zhuǎn)速差稱為滑差。典型情況下，在電動(dòng)機(jī)滿轉(zhuǎn)時(shí)，永磁調(diào)速器的滑差在1% ~ 4%之間。
      通過(guò)永磁調(diào)速器，輸入轉(zhuǎn)矩總是等于輸出轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)只需要產(chǎn)生負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩。永磁調(diào)速器傳輸能量和控制速度的能力不受電動(dòng)機(jī)軸和負(fù)載軸之間由于安裝未對(duì)準(zhǔn)原因而產(chǎn)生的小角度或者小偏移的影響。排除了未對(duì)準(zhǔn)而產(chǎn)生的震動(dòng)問(wèn)題，由于沒(méi)有機(jī)械連接，即使電動(dòng)機(jī)本身引起的震動(dòng)也不會(huì)引起負(fù)載震動(dòng)，使整個(gè)系統(tǒng)的震動(dòng)問(wèn)題得到有效降低。
      永磁調(diào)速器控制器通過(guò)處理各種信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載調(diào)速，包括壓力、流量、皮帶速度、位移等其它過(guò)程控制信號(hào)。永磁調(diào)速器可以方便地對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，不需要對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)和供電電源進(jìn)行任何改動(dòng)，極少的現(xiàn)金和安裝投入。安裝永磁調(diào)速器以后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不產(chǎn)生電磁干擾。在大多數(shù)情況下，關(guān)閉或者拆除現(xiàn)有的過(guò)程控制硬件設(shè)備。負(fù)載將在最優(yōu)化的速度運(yùn)行，增加能源效率，減少運(yùn)行和維護(hù)成本。
      永磁磁力耦合調(diào)速的特點(diǎn)
      1. 總成本最低。
      2. 維護(hù)工作量小，幾乎為免維護(hù)產(chǎn)品，維護(hù)費(fèi)用極低。
      3. 容忍較大的安裝對(duì)中誤差。大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試過(guò)程。
      4. 過(guò)載保護(hù)功能。提高了整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，完全消除了系統(tǒng)因過(guò)載而導(dǎo)致的損害現(xiàn)象。
      5. 帶緩沖的軟啟動(dòng)/軟制動(dòng)（剎車）。
      6. 節(jié)能效果顯著。 節(jié)電率達(dá)到25%--66%。
      7. 使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)壽命30年。美國(guó)海軍品質(zhì)。
      8. 過(guò)程控制精確高。
      9. 減震效果好。
      10. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。對(duì)環(huán)境友好，不產(chǎn)生污染物，不產(chǎn)生諧波。
      11. 體積小，安裝方便，可方便地對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造或用在新建系統(tǒng)。
      12. 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)多，已成功應(yīng)用6000套。
      (二) 永磁調(diào)速器之卓越特點(diǎn)
      I. 可控過(guò)程啟動(dòng)
      對(duì)于大型帶式輸送機(jī)，其對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中能最大限度的降低系統(tǒng)的慣性力，并能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)和負(fù)載平衡，將帶式輸送機(jī)的加速、停車和運(yùn)行時(shí)的膠帶張力減到最小。永磁磁力耦合調(diào)速驅(qū)動(dòng)的性能完全滿足這些要求，使大型帶式輸送機(jī)的性能達(dá)到最好。而由傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)、減速器所組成的驅(qū)動(dòng)裝置在啟動(dòng)和停車過(guò)程當(dāng)中輸送帶的帶速隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而快速變化，加劇了輸送機(jī)本身的振動(dòng)，增大了系統(tǒng)的慣性力，特別是在輸送帶滿載情況下啟動(dòng)更為困難，因此傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的大型帶式輸送機(jī)需求
      一條皮帶可以由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)及一套永磁調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，也可以由多臺(tái)電動(dòng)機(jī)及多套永磁調(diào)速器驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在皮帶機(jī)啟動(dòng)之前空載啟動(dòng)，此時(shí)永磁調(diào)速器的輸出軸保持不動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到滿轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)逐漸減小每臺(tái)永磁調(diào)速器的氣隙，啟動(dòng)皮帶機(jī)并逐漸加速到滿速度。這使得皮帶機(jī)在被加速至滿速度之前有一個(gè)緩慢而均勻的預(yù)拉伸過(guò)程。
      加速時(shí)間可以根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以按順序空載啟動(dòng)，所以電動(dòng)機(jī)的沖擊電流非常小。由于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以根據(jù)運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行選擇而不必根據(jù)啟動(dòng)負(fù)載選擇，所以永磁調(diào)速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以選用功率較小的電動(dòng)機(jī)。同樣永磁調(diào)速器也可以像控制皮帶機(jī)的啟動(dòng)那樣控制皮帶機(jī)的停車，通過(guò)延長(zhǎng)停車時(shí)間可以降低對(duì)膠帶的動(dòng)態(tài)沖擊力。
      當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有多臺(tái)永磁調(diào)速器時(shí)，控制系統(tǒng)可以確保每臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分擔(dān)相同的負(fù)載。合理的功率平衡可以有效地延長(zhǎng)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的壽命。功率平衡是通過(guò)控制每臺(tái)永磁調(diào)速器的氣隙，并允許一臺(tái)或幾臺(tái)永磁調(diào)速器進(jìn)行輕微滑差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)中的任何負(fù)載的增加都引起永磁調(diào)速器產(chǎn)生滑差，這樣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有部件、軸承和齒輪等都將在沖擊或者過(guò)載時(shí)受到保護(hù)從而延長(zhǎng)其使用壽命。
      大功率電機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)問(wèn)題一直是困惑用戶的難題，因?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，基本上可以看作是滿載啟動(dòng)，電機(jī)在合閘瞬間，啟動(dòng)電流超出額定工作電流的幾倍甚至幾十倍，使得變壓器、配電設(shè)備短期嚴(yán)重過(guò)載，造成電壓跌落(“黑電”)甚至啟動(dòng)失敗，嚴(yán)重時(shí)還可能燒毀電機(jī)。電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程短的持續(xù)幾秒，長(zhǎng)的達(dá)到幾十秒，電機(jī)線圈嚴(yán)重發(fā)熱，造成電機(jī)線圈提前老化，縮短電機(jī)使用壽命。
      II. 高可靠性
     （l）永磁調(diào)速器在啟動(dòng)負(fù)載之前驅(qū)動(dòng)電機(jī)空載啟動(dòng)，電機(jī)達(dá)到額定的速度之后，通過(guò)控制系統(tǒng)使每臺(tái)永磁調(diào)速器氣隙逐漸縮小來(lái)緩慢、平穩(wěn)地對(duì)輸送帶進(jìn)行張緊，輸送帶平穩(wěn)地加速到全速；使帶式輸送機(jī)在重載工況下可控制地逐步克服整個(gè)系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動(dòng)；使輸送帶的啟動(dòng)非常平滑，速度由零逐漸緩慢上升，加速度為連續(xù)的，實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖擊的軟啟動(dòng)。
     （2）永磁調(diào)速器不僅降低了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和減小對(duì)電動(dòng)機(jī)的熱沖擊負(fù)荷及對(duì)電網(wǎng)的影響，從而節(jié)約電能并延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的工作壽命，而且極為有效地減小了啟動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)輸送膠帶的破壞性張力，消除了輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振蕩，還能大幅度減輕傳動(dòng)系統(tǒng)本身所受到的啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)膠帶、托輥等關(guān)鍵部件的使用壽命，保證了設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，有效地降低了設(shè)備維修及故障時(shí)間成本。
     （3）使用永磁調(diào)速器時(shí)，因電機(jī)的選擇是基于運(yùn)動(dòng)條件而不是啟動(dòng)條件，因而使電機(jī)的功率及尺寸可減小到最小，也能夠減少不必要的設(shè)備投資和運(yùn)行電費(fèi)。
     （4）使用永磁調(diào)速器系統(tǒng)，可防止輸入到帶式輸送機(jī)的功率及力矩超過(guò)安全限度，以保證帶式輸送機(jī)過(guò)載時(shí)不能運(yùn)行，從而保護(hù)該系統(tǒng)的其他部件；
     （5）永磁調(diào)速器啟動(dòng)系數(shù)為1左右，所選擇膠帶的強(qiáng)度可降低30％左右。
      III. 惡劣環(huán)境的適應(yīng)性
      1 ．室外惡劣環(huán)境
      永磁調(diào)速器的主要元件為銅盤和永磁盤，永磁材料能在惡劣的環(huán)境溫度下保持強(qiáng)磁場(chǎng)特性，在地球上的極限環(huán)境溫度不會(huì)超過(guò)±100℃，永磁調(diào)速器可以在這種環(huán)境溫度下工作。
      而一些電子裝備，如變頻器，為了降低設(shè)備故障率，必須保證溫度和濕度恒定在某個(gè)范圍，因而需要使用專門的房間，防靜電、安裝精密空調(diào)等，增加了安裝成本，增加了電能消耗，增加了維護(hù)需求和成本。
      2．骯臟的環(huán)境
      永磁調(diào)速器是非直接連接的機(jī)械調(diào)速裝置，最小氣隙寬度為1/8英寸(約0.317mm)，一般能在空氣中飛揚(yáng)的塵粒直徑不會(huì)大于該尺寸，所以，它可以用于空氣中粉塵較高的環(huán)境，如水泥廠、礦山等；當(dāng)粉塵厚度導(dǎo)致機(jī)械摩擦?xí)r，可用高壓水槍沖洗。 而電子或電氣式的調(diào)速裝置必須在潔凈環(huán)境工作，因此對(duì)機(jī)房環(huán)境防塵要求很高。
      3．易燃易爆環(huán)境
      永磁調(diào)速器是機(jī)械式的、無(wú)摩擦傳遞扭矩的調(diào)速裝置，除執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用較弱電力需要采用防爆結(jié)構(gòu)外，主功率部分絕不會(huì)產(chǎn)生火花或靜電，因而在易燃易爆環(huán)境下使用較為安全。適合于煤礦、油田、油船、軍械庫(kù)、化工、礦井、高濃度粉塵工廠等使用的皮帶機(jī)、破碎機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、油泵等設(shè)備。 電子或電氣式設(shè)備，工作過(guò)程中易產(chǎn)生靜電，火花甚至燃燒，不能在易燃易爆環(huán)境下使用，否則帶來(lái)安全隱患。
      4．高可靠要求環(huán)境
      因?yàn)橛来耪{(diào)速器元件數(shù)量少，可靠性高，因而可用于對(duì)可靠性要求高的環(huán)境，如消防、遠(yuǎn)洋輪船、海軍艦船、潛艇等。復(fù)雜的電子或電氣裝置不適宜于對(duì)可靠性要求高的使用環(huán)境?？墒褂糜谟洼?、潛艇和航母上。
      5．電力質(zhì)量差的環(huán)境
      由于永磁調(diào)速器為機(jī)械式調(diào)速裝置，幾乎與電力無(wú)關(guān)，當(dāng)電力質(zhì)量很差時(shí)，如電壓波動(dòng)、電力諧波、閃變、跌落、短時(shí)間斷、雷擊、浪涌等，這些因素對(duì)電子或電氣調(diào)速裝置往往是致命的。采用永磁調(diào)速器不會(huì)因?yàn)殡娏|(zhì)量造成損壞。
      6．各種電壓、頻率等級(jí)
      由于永磁調(diào)速器為機(jī)械式調(diào)速裝置，幾乎與電力無(wú)關(guān)，因此，無(wú)論電機(jī)系統(tǒng)的電壓等級(jí)及工作頻率為多少，均能采用永磁調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速。永磁調(diào)速器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較敏感，一般在相同功率下，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，永磁調(diào)速器尺寸越大。
      IV. 不產(chǎn)生電力諧波及電磁干擾
      通常通過(guò)電子或電氣實(shí)現(xiàn)調(diào)速的裝置，基本都要通過(guò)改變電機(jī)輸入的電流頻率或波形來(lái)實(shí)現(xiàn)，如大功率或高壓變頻器一般采取可控硅整流輸入，通過(guò)PWM直流斬波實(shí)現(xiàn)輸出頻率變換，因此有很大的諧波電流。電力諧波是電力網(wǎng)的嚴(yán)重污染，按照國(guó)家電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)造成的總諧波電壓不得超過(guò)5%，諧波電流對(duì)每次都有嚴(yán)格的限值，等效為總諧波電流也在5%~8%左右，如果超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將需要加裝高成本的有源諧波濾波器，否則將會(huì)受到電力部門的處罰，從而大幅增加安裝總成本。
      諧波電流電壓，因?yàn)橛懈哂?0Hz基本分量，能造成電器元件的發(fā)熱損耗，嚴(yán)重者能造成設(shè)備誤動(dòng)作，造成功率因素補(bǔ)償電容燒毀、熔斷器熔斷、空氣或斷路器開(kāi)關(guān)跳閘。
      大家知道，電動(dòng)機(jī)負(fù)載是感性負(fù)載，而永磁調(diào)速器為機(jī)械式調(diào)速裝置，與電性能無(wú)關(guān)，因而，調(diào)速過(guò)程不會(huì)造成電流諧波，其功率因素取決于電機(jī)本身，這種功率因素問(wèn)題僅利用配電系統(tǒng)中的電容補(bǔ)償柜就可以補(bǔ)償，不增加額外的成本。
電子產(chǎn)品或多或少都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，通常變頻器的電磁干擾比較嚴(yán)重，在電磁兼容環(huán)境要求高的地方，為此需要巨大投資進(jìn)行電磁兼容治理。永磁調(diào)速器不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。
      V 電機(jī)不會(huì)過(guò)熱，也不需更換和改造電機(jī)
      從電機(jī)轉(zhuǎn)速改變的三個(gè)因素：頻率、極對(duì)數(shù)和滑差來(lái)看，改變?nèi)魏我粋€(gè)要素將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速改變。 現(xiàn)有的調(diào)速裝置，除永磁調(diào)速和液力調(diào)速技術(shù)外，基本上都是通過(guò)改變電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。我們知道，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，因電能消耗，電機(jī)線圈、硅鋼片、機(jī)械摩擦都會(huì)造成電機(jī)發(fā)熱，因此，電機(jī)內(nèi)部都設(shè)計(jì)了風(fēng)葉用以冷卻電機(jī)。采用改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，包括變頻器、串級(jí)調(diào)速、雙饋調(diào)速，在電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的發(fā)熱都很大，有時(shí)不得不使用外部風(fēng)扇幫助散熱。
      永磁調(diào)速器是通過(guò)改變電機(jī)與負(fù)載之間的滑差實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，也就是說(shuō)，電機(jī)轉(zhuǎn)速始終維持設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，因此不會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱。
      變頻器調(diào)速，因?yàn)樽冾l器產(chǎn)生的正弦波實(shí)際是由方波疊加而成，高次諧波很多，電流的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電機(jī)線圈發(fā)熱，影響絕緣強(qiáng)度，應(yīng)該更換絕緣等級(jí)更高的電機(jī)，如果不更換，電機(jī)的可靠性將大大下降，甚至造成絕緣擊穿損壞，采用永磁調(diào)速技術(shù)，不會(huì)改變電機(jī)的輸入電壓、電流和頻率，因此不會(huì)要求改造原電機(jī)系統(tǒng)。
      VI. 降低維護(hù)成本延長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)備壽命
      電機(jī)系統(tǒng)的故障主要原因是振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軸承、油封等的加速磨損， 也會(huì)導(dǎo)致基座、管道接頭、緊固件等松動(dòng)或斷裂或破損，振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。
      振動(dòng)的產(chǎn)生，主要由于以下因素：
      1. 電機(jī)與負(fù)載設(shè)備連接時(shí)，軸不同心或有一定角度誤差；
      2. 減速機(jī), 皮帶機(jī)運(yùn)行發(fā)生的振動(dòng)；
      3. 機(jī)械設(shè)備的固有頻率的共振等等。
      除永磁調(diào)速器外其他的調(diào)速或調(diào)節(jié)裝置，如CST、變頻器、等，因?yàn)椴桓淖冸姍C(jī)與負(fù)載設(shè)備的連接，因此在安裝過(guò)程中必須保證其軸的同心度，這種誤差會(huì)直接影響電機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)。
      永磁調(diào)速器因?yàn)椴捎脷庀秱鬟f扭矩，電機(jī)與負(fù)載設(shè)備之間沒(méi)有剛性連接，且在機(jī)械沖擊過(guò)程中具有通過(guò)滑差實(shí)現(xiàn)緩沖，因此極大減小了振動(dòng)和噪音。
      經(jīng)過(guò)在美國(guó)4年多的實(shí)際使用，減少了機(jī)械振動(dòng)量的80%左右，客戶的維護(hù)工作量減少一半以上，因設(shè)備維護(hù)維修的費(fèi)用、停工損失等大大降低。