限矩型永磁耦合器在冲击负载设备中的应用研究

封 姣

(山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000)

煤炭系统冲击负载设备使用过程中，机械保护是不可或缺的一部分，耦合器是其典型代表，目前使用率较高的是限矩型液力耦合器，然而在实践过程中，保护延迟及不保护、易熔塞不喷油、易熔塞喷油后污染环境、油污处理困难、移位破坏等经常困扰着用户，亟待解决。近年出现一种新型限矩型磁力耦合器，用户反馈较好，但应用较少。矿用限矩型永磁耦合器根据楞次定律原理，通过旋转永磁磁场和感应磁场之间的相互作用进行能量传递，通过导电体和永磁体之间的气隙实现由电动机到减速器的转矩传输装置，实现电动机和减速器之间无接触的传动方式[1]。这一独特优点使电机和减速器完全隔离，不会因轴线的不重合而造成振动和破坏[2]，很大程度上降低设备的振动噪音，以及设备由于长时间的高频率振动造成的零件材料疲劳、强度降低发生的设备损坏事故；同时在负载有冲击时，能通过降低负载转速，增大负载转矩，很好地缓冲冲击力，保护设备[3]。实践发现，冲击负载典型工况破碎机发生堵转时，限矩型永磁耦合器能瞬间切断电机和减速器的力矩传递，确保电机和减速器不受损坏[4]。本文通过试验，结合应用分析验证磁力耦合器的性能。

1 限矩型永磁耦合器的基本结构和原理分析

1.1 基本结构

限矩型永磁耦合器由多级永磁转子、感应转子、永磁转子内套及感应转子导体等部件组成[5]，具体见图1。

图1 限矩型永磁耦合器基本结构

1.2 安装方式

感应转子的法兰与驱动电机相联结，永磁转子内套法兰与负载相联结[6]。

1.3 运行原理

当多极永磁转子与感应转子相对运动时，感应转子导电体上产生涡流产生磁场，2个磁场相互作用来拖动负载旋转；当达到设定的堵转转矩时，2个多极永磁转子与感应转子相互排斥，2个多极永磁转子在永磁转子内套上向内滑动，远离感应转子，从而断开联结，负载失去动力[7]。

2 试验研究

试验选用双齿辊破碎机，该设备为冲击负载设备典型代表，试验方法为加载试验，配套160 kW限矩型永磁耦合器，160 kW 4极电机的额定输出转矩为1 024 N·m，将限矩型永磁耦合器调整到感应转子和永磁转子3%滑差状态，输出转矩1 024 N·m，该状态定为额定状态。

2.1 试验条件

具体试验条件见表1。

表1 试验条件

2.2 加载试验

试验时，限矩型永磁耦合器感应转子安装在驱动电机端，永磁转子安装在负载端，负载端通过磁粉制动器进行逐步加载[8]，加载试验数据对应关系见表2，根据数据表绘制加载试验扭矩变化曲线见图2。

表2 加载试验转矩数据关系对应

图2 加载试验扭矩变化曲线

根据表2，当转差在45 r的情况下，电机输出转矩为1 028 N·m，定为耦合器的额定功率；由曲线图可以看出：当继续加载到转差150 r的情况下，限矩型永磁耦合器瞬间脱开，传递功率基本趋于零，此时电机功率也降到最低。在实际使用过程中，破碎机堵转基本是在瞬间发生，所以在脱开瞬间，电机的输入转矩为1 662 N·m，为电机额定转矩的1.62倍，负载转矩为1 746 N·m，是电机额定转矩的1.7倍；低于电机的设计堵转转矩，能很好的保护电机和减速器。

2.3 不同转差下确定功率参数的可行性

为了确保产品的可靠性，对产品在各种状态下的温度状况进行试验，验证确定功率参数的可行性，由此在不同转差下，经过不同时间测试感应盘的对应温度[9]，试验数据如表3。根据表3对应的不同转差下感应盘温度与时间关系曲线见图3。

表3 不同的转差下时间感应盘对应温度/℃

图3 不同转差下感应盘温度与时间关系曲线

从图3可以看出，当转差在60 r以内时，一定时间后感应盘的温度可以自我平衡；高于75 r转差情况下，温度一直在上升，具体在什么状态下能平衡，不予考虑，因为要控制产品温度不高于80 ℃[10]；所以选择45 r的转差作为确定限矩型永磁耦合器功率的基准是合理的。

3 试验验证限矩型永磁耦合器与液力耦合器的区别和优势

此次试验设备是双驱辊式破碎机，配置2台电机(驱动电源660 V，电机功率160 kW)，2台SEW减速器；设备原安装使用的液力耦合器，现将2台限矩型永磁耦合器分别安装在2台电机和2台减速器之间，确保减速器和电机的定位可靠，使限矩型永磁耦合器的磁场气隙均匀[9，10]。破碎机在运行过程中，负载为不均匀负载，所以需要长时间观察记录数据。

3.1 2种传递配套输入输出振动变化

限矩型永磁耦合器安装使用后，实际监测设备重载状况下的振动情况与原使用液力耦合器的状况进行对比，由表4可以看出：更换磁力偶合器后，与使用液力耦合器作比较，电机及减速器的振动值(振动烈度和振动位移)都有大幅度降低。

表4 使用前后电机、减速器振动值

通过长时间监测设备振动数据，电机及减速器的振动值波动较小，设备稳定性得到进一步提高。

3.2 2种传递堵转电流的变化

通过加载，当负载堵转时，采集电机堵转电流数据，数据对比见表5。

表5 使用2种耦合器电机堵转时电机电流数据采集

试验配置的电机额定电压660 V，额定电流为178 A，由表5可以发现，使用限矩型永磁耦合器瞬间堵转电流为额定电流的1.85倍，比原来使用液力耦合器的堵转电流降低50%左右，大大降低了破碎机堵转情况下的电机输入电流；也使电机和减速器受到冲击力的破坏程度大大降低，能很大程度上延长电机和减速器的使用寿命；这个是液力耦合器不能实现的。数据也与试验数据堵转转矩达到1.7倍时保护基本吻合。

同时，由表5可以看出，设备堵转时，液力耦合器传递较永磁耦合器传递电机的输入电流大很多。究其原因不难发现：液力耦合器的保护是在大转差的情况下，液力耦合器中液体消耗功率发热，当发热到可以将易熔塞融化后，耦合介质喷出，才能断开动力传输，这需要一定的时间，不能瞬间断开，所以需要电机输入很大的功率来完成，在这个过程中可能就会造成设备的损坏，导致停产。

3.3 2种传递负载转速的变化

在日常的观察中，当破碎机在有冲击负荷不超过永磁耦合器的保护转矩的情况下，负载转速急速降低(由表2试验数据显示：负载转矩增加较大，比实际电机输出转矩大)，有效地降低了负载的冲击，这种柔性的联结方式很适合破碎机的运行方式，此功能与液力耦合器相当。

3.4 2种传递负载转矩的变化

由表2试验的数据分析，永磁耦合器从在转差逐步增大的情况下，负载转矩在逐步增大，有利于提高破碎机在冲击不易破碎物质的效果，而液力耦合器则不具备瞬时变化性。

3.5 更换2种传递保护后的区别

液力耦合器使用的耦合介质存在环境污染，同时高温液体喷出，也存在安全隐患问题；液力耦合器在保护以后，需要人工进行加液、更换易熔塞，而限矩型永磁耦合器不存在这些问题，保护停机后再启动自动回复原状态，使用简单、安全。

3.6 试验结论

通过试验研究及应用分析，不难看出限矩型永磁耦合器因其特殊原理较限矩型液力耦合器优点突出，不仅解决了液力保护不及时甚至不保护的问题，也避免了液力耦合器喷油污染环境和后续处置困难的问题；同时，限矩型磁力耦合器对移位损坏破裂可以很好的避免；限矩型永磁耦合器在冲击负载系统设备中，解决了许多液力耦合器不能解决的问题，无论从安全保护上还是适用环保上，都远远优于液力耦合器，是液力耦合器很好的替代升级产品。

4 结 语

限矩型永磁偶合器技术在选煤冲击负载设备中得到很好应用，尤其在原煤准备关键设备破碎机、大型带式输送机的传动系统中得到推广，解决了过去传动故障导致全厂生产停产的尴尬，大大降低了工人更换的劳动强度，为后续选煤工艺保驾护航，为选煤生产的连续性提供了有力的保障。