限矩型磁力耦合器在柳塔煤矿的应用

王 鹏，刘 鑫，赵 虎

（国家能源集团神东煤炭集团，陕西 榆林719000）

破碎机由于具有结构简单、工作可靠、维修简便等特点，已广泛应用于煤矿领域。目前煤矿破碎机主要是通过电动机连接液力偶合器后再连接负载，从而完成扭矩的输出，实现电动机到工作机的功率传递[1-5]。但是液力偶合器在使用中存在诸多问题难以解决，后期维护成本较高，已严重制约煤矿安全及高效生产。

1 液力偶合器存在的问题

目前神东煤炭公司已在柳塔矿12123 综采工作面使用液力偶合器进行生产，通过神东煤炭公司在各矿井的液力偶合器使用情况，发现虽然液力偶合器相比传统联轴器具备诸多优势，但是生产现场仍然存在许多难以解决的实际问题：①液力偶合器同轴度要求高，对安装精度要求严格，拆装时间长[6]；②由于现场设备冲击负载较大，负载波动性强，液力偶合器油温极易升高，且易导致内部动密封过早失效出现漏油情况；③当瞬时大负荷冲击电机时，液力偶合器易熔塞升温需要一定的时间，而使得保护措施不能及时动作，易造成电机损坏的问题；④液力偶合器自身湍动能损失大，内部损耗较大，效率较低；⑤当负载端出现卡死状态后，液力偶合器过载保护进行喷油，需要重新注油才能正常运转，增加了后期维护周期和成本，也增加了井下的不安全因素，对环境造成污染。

2 磁力耦合器原理及结构特点

随着永磁材料的不断进步，永磁传动技术得到了突飞猛进的发展，磁力耦合器采用非接触式磁力传动，无谐波干扰，不产生电应力，不损害电动机轴承；且为纯机械结构，无需介质，传动效率高，运行十分可靠。通过调节永磁体与铜盘气隙精确控制转速及扭矩，不仅可以保证恒扭矩负载软启动及多机功率平衡，缓解煤机装备直起直停对电动机产生的重载冲击，克服长距离运输电动机出力不均、互为负载的难题，避免电动机断轴等问题，保障煤机设备安全运行，具有广阔的应用前景[7-8]。

2.1 工作原理

磁力耦合器利用永磁体的同性相斥、异性相吸的原理，它是传动技术、材料技术、制造技术的集成体[9]。设备运转时，电动机通过电动机端联轴节与磁力耦合器本体连接，驱动铜转子旋转，铜转子切割永磁体磁力线产生感应涡流，形成涡流磁场与永磁体磁场相互作用生成转矩从而带动永磁体转子旋转，驱动工作机运行，实现电动机到工作机的功率传递。铜转子和永磁转子之间有空气间隙（称为气隙），其没有传递扭矩的机械连接，电动机和工作机之间形成了软（磁）连接，可通过调节气隙来实现工作机轴扭矩、转速的变化。

2.2 结构特点

磁力耦合器从结构上可分为2 种：一是筒式结构；二是盘式结构[10]。当内、外磁体均为径向充磁时，耦合磁极成径向配置的永磁耦合器为筒式永磁耦合器；而内、外磁体均为轴向充磁时，耦合磁极成轴向配置的永磁耦合器则为盘式永磁耦合器。

磁力耦合器从原理上可分为2 种：一种是同步型；一种为异步型。同步型磁力耦合器的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，把磁能转变为机械能，实现传扭。异步型磁力耦合器的主动盘为永磁体，被动盘为铜盘，利用永磁体磁场与感应磁场的相互作用来传扭。

磁力耦合器从气隙调节方式上可分为2 种：一是限矩型；二是调速型。限矩型磁力耦合器可以通过滑差来自适应负载变化，自动调节气隙大小，其具有在负载卡死或其它扭力过大条件下使负载完全脱离电机的能力。限矩型磁力耦合器启动时，永磁转子就会移向扭力较小位置，而离心体仍保持水平状态，从而抑制这种轴向位移，保证小气隙运行，提供较大的启动力矩。正常运转时，离心体在离心力的作用下变为垂直于水平方向，永磁转子仍然处于小气隙的位置，而当负载卡死或超过限定值的时候，排斥力迫使永磁转子移向远离铜导体的位置，此时离心体不再限制永磁转子位移，气隙将被拉大，从而减小了电机与负载之间的传递扭矩，电机得到完全保护。当停止电机或卸掉负载后，其能够自动复位，无需操作员介入。

调速型磁力耦合器可通过控制器调节气隙的大小，其具有手动或信号控制2 种模式。对于自动控制系统，当控制器接到1 个控制信号后，控制器对信号进行识别、计算和转换后，给其执行元件发出调节指令，执行元件就会调节铜转子与永磁转子之间的气隙，从而根据适时的负载输入扭矩的要求，改变工作机的工作点，即调节了工作机的转速和扭矩。

3 限矩型磁力耦合器结构特点及优点

3.1 结构特点

柳塔煤矿用限矩型磁力耦合器结构图如图1，耦合器主要由输入组件、铜盘、永磁体盘、磁钢、输出组件等组成，输入组件包括主动输入联轴节、弹性梅花盘、从动联轴节、外罩、散热片等。输送组件包括磁盘组件、输出轴等。其是以磁场为介质，可实现电动机到负载的非接触式传动。

图1 柳塔煤矿限矩型磁力耦合器结构图Fig.1 Structure diagram of limited torque magnetic coupling in Liuta Coal Mine

3.2 优 点

限矩型磁力耦合器由于其结构特点及工作原理具有以下优点：①磁力耦合器可以通过滑差来自适应负载变化，具有传动效率高且免维护的优势；②实现电动机缓冲启动、停机功能，降低启动峰值、减少启动时间、可实现频繁启动，延长电动机电气使用寿命；③隔离电动机侧与负载侧的振动，减少整个系统的振动；④允许较大的对中误差，包括电动机与永磁耦合器之间的角度、水平偏移和轴向偏移；⑤采用非物理性连接，通过气隙来传递扭矩，降低设备振动和运行噪音；⑥对于冲击型负载及有堵转可能的设备具有缓冲与自动保护的功能, 相当于实现电动机过载保护功能，且过载保护后，排除干扰即可自动复位；⑦磁力耦合器本身不耗电，不产生谐波和电磁干扰，高效节能。

磁力耦合器对比液力偶合器具有以下优势：①软启动特性优于液力偶合器，减小启动时对电网的冲击；②传动效率及节能效果高于液力偶合器，实现高效运转，节能降耗，减少运行成本；③设备整体体积小于液力偶合器，节省安装空间；④过载时无需喷油，也不用加传动液，不会对环境造成污染，后期维护时间少，节省人力成本及油液成本。

4 限矩型磁力耦合器的仿真

针对神东煤炭公司柳塔煤矿400 kW 破碎机受冲击载荷，且易过载的实际使用工况，采用限矩型磁力耦合器替换原液力偶合器，可有效解决原液力偶合器所存在的问题。

限矩型磁力耦合器的基本参数如下：①功率：400 kW；②转速：1 500 r/min；③输入轴径：φ85 mm；④输出轴径：φ85 mm；⑤最大外径：φ680 mm；⑥磁钢数量块：48。

限矩型磁力耦合器设计为与神东公司原有已使用液力偶合器相同的轴向尺寸，可直接替换而无需其他改造，有利于现场的快速安装替换使用。磁力耦合器采用N45SH 钕硼铁永磁体，永磁体阵列结构采用Halbach 形式，总体结构采用异步盘式结构，通过三维建模并利用有限元软件分析得出其性能参数足以满足传递400 kW 功率的使用要求。

散热问题同样一直是磁力耦合器的研究重点，良好的散热条件，可以减小设备的热负荷，防止磁钢退磁失效，确保永磁耦合器可以长期有效的工作。根据磁力耦合器基本原理可知，铜盘切割磁感线会产生涡流，涡流的产生会在铜盘中生成较大的热量，并不断向外辐射，如果该热量集聚在设备内部，将会对永磁体的工作特性造成较大影响，甚至造成永磁体退磁，从而导致设备无法正常运转。通过仿真软件对磁力耦合器中的热损耗进行评估计算，磁力耦合器热损耗功率云图如图2。

采用磁路分析方法来确定永磁体的工作点，并且综合考虑磁负荷与电负荷的影响，应用流体力学软件进行冷却系统模拟分析，得出最优化的冷却系统，确保在不同的工况下，永磁体工作点处于退磁拐点以上。通过合理的冷却方式设计，并在磁力耦合器的设备外壳上安装散热片，增强散热效果，在采用自然风冷却方式对铜盘进行散热的情况下，可以确保磁力耦合器的安全运行温度，正常情况下磁力耦合器运行温升不超过20 ℃，运行最高温度不超过85 ℃，有效保证了磁力耦合器的性能及整个传动系统的稳定性[11]。

图2 磁力耦合器热损耗功率云图Fig.2 Heat loss power diagram of magnetic coupling

5 现场应用

限矩型磁力耦合器已安装于神东煤炭公司柳塔矿400 kW 破碎机上并开始运行，目前运转情况良好，过煤量超过150 万t，未见异常情况发生。在破碎机系统负载波动性大、频繁重载启动、过载等复杂的工况，磁力耦合器均可正常工作。本磁力耦合器安装简便，可直接替换原有液力偶合器，无需对现场其他设备或基础设施进行任何改造。安装时，电动机轴与磁力耦合器输入端联轴节固定在一起，通过弹性盘与磁力耦合器内部铜转子组件形成一体，将电动机扭矩传递给铜转子；减速器高速轴通过负载端联轴节与磁力耦合器本体连接在一起，磁力耦合器本体与输入端联轴节之间完成对中找正后，满足弹性盘的对中要求，即完成磁力耦合器的安装，期应用范围广，且操作流程简单，能够降低劳动力资源投入，适用于煤矿恶劣环境。

当设备运转时，首先电动机启动，限矩型磁力耦合器可以实现电动机空载启动，降低电动机启动峰值电流和浪涌时间，实际的能耗也会相应减少，这样一来电动机的运行就会更加稳定。磁力耦合器的这种零负载启动特性能够提高电动机的滚动轴承的可靠性，在某种意义上也就是提高了电动机运行的可靠性。

当负载端由于各种原因导致设备卡死时，负载转矩远远超过磁力耦合器的最大转矩，磁力耦合器的永磁体盘可向内推开，使工作气隙即磁盘与铜盘之间气隙被拉至最大，从而使传递转矩逐渐小于负载转矩，此时转矩就会急速减小，直到转矩减小至0。此时磁力耦合器无传递能力，即实现了负载端卡死状态下电动机可以空载运行，电动机就算长期处于此空载的工作状态也不会导致电动机损伤，起到保护电动机的功能，大大提高了电动机的使用周期和使用寿命，减少了电动机故障的发生频率。

6 结 语

针对神东煤炭公司柳塔矿12123 综采工作面400 kW 破碎机所用限矩型液力偶合器存在的相关问题，分析了不同磁力耦合器的结构特点及原理，通过磁力耦合器与液力偶合器的对比，以及对实际应用情况进行分析，研究了适用于柳塔矿的限矩型磁力耦合器，通过有限元分析验证此磁力耦合器的性能参数。柳塔矿400 kW 破碎机用限矩型磁力耦合器，满足煤矿破碎机在各种工况下对传动系统安全、可靠、高效的技术要求，克服了液力偶合器工作效率低，易发热漏油，过载易喷油，污染环境，影响工作人员生产安全等问题。