新型磁滞式电缆卷筒的研制及应用

赵恢柏

（岳阳大力神电磁机械有限公司，湖南岳阳 414100）

0 引言

目前国内磁滞式电缆卷筒主要沿用20 世纪技术，采用5 孔箱体，单个磁滞头的扭矩较小，当卷取的电缆截面积较大时，需要用到多个磁滞头。但在实践中，多台电机的同步性不好。于是研制一款新型磁滞式电缆卷筒，它只有一个较大的磁滞头。电缆卷筒结构如图1 所示。

图1 电缆卷筒结构

1 工作原理

1.1 电缆卷筒收、放电缆原理

电机运行后，电缆卷筒电机将动力由皮带轮通过皮带传至磁滞头（又叫磁滞力矩盘），磁滞头驱动减速机，减速机再驱动卷筒本体中的主轴转动。主轴一端装有滑环箱，另一端装有绕线盘。主轴转动时带动滑环转动，通过碳刷实现电能（或电信号）由固定极向活动极传送，另一端则带动绕线盘旋转，从而实现对电缆的收放。收取电缆：当移动电器向电源箱运行时，电缆卷筒的电机工作，通过传动装置，转动收线盘，使之收取电缆。此时电缆的卷取速度大于电器的移动速度，通过磁滞头内部的磁块打滑来实现速度同步。释放电缆：当移动电器离开电源箱时，电缆卷筒的电机可以工作，也可以不工作，此时通过移动设备强行将电缆拉出，释放电缆。电机输出轴上装有单向轴承，可防止电缆在电机没有工作时从收线盘上滑落。电机始终朝一个方向旋转。

1.2 磁滞头工作原理

磁滞头的动力输入端装有一个多极永久磁钢盘（磁盘），这个磁盘的对面有一个强感应盘，感应盘安装在动力输出盘上。当电机通过皮带轮带动磁盘旋转时，便通过磁感应带动感应盘运转，从而使动力输出盘带动输出轴旋转，带动减速机输入轴旋转，以实现磁连接。当输出轴旋转阻力转大时，磁盘通过磁感应带动感应盘运转时，便产生打滑现象。磁耦合力矩的大小可通过两盘间隙来调整。改变感应圆盘与永久磁钢之间的距离（即磁隙）即可改变磁连接力矩的大小。

2 部件选型与计算

（1）电机。电机作为新型磁滞式卷筒的动力源，一般选用外形美观、效率高、噪声低、防护等级和绝缘等级高的卧式三相异步电机，电机功率P=4 kW，转速V1=1440 r/min，电压U=380 V。

电机功率与扭矩的计算公式如下：

在实际中，电机功率P=4 kW，转速V=1440 r/min。计算如下：扭矩

（2）皮带轮。主动皮带轮的直径D1=140 mm，从动皮带轮的直径D2=180 mm，可以计算出传动比

根据电机功率P=4 kW，转速V=1440 r/min。可以计算出皮带的线速度：V2=π×D1×V1=3.14×0.14×1440=633 m/min。

再根据电机的扭矩Tn=26.5 N·m，从而选用A 型普通V 带。

（3）磁滞头。磁滞头是磁滞式电缆卷筒的重要组成部分。目前国内磁滞头主要是沿用上世纪日本的技术，磁盘的直径比较小，只有140 mm，单个磁滞头传递的扭矩只有5～8 N·m，如果遇到大电缆，就要使用多个磁滞头联用。设计的新型磁滞式电缆卷筒的磁盘直径是320 mm，单个磁滞头传递的扭矩有20～30 N·m，即便遇到大的电缆，1 个磁滞头也可以满足要求。磁滞头结构如图2 所示。

图2 磁滞头结构

结构特点：连接法兰的材料是45#钢，它与减速机连接；皮带轮的材料是铸铁，通过皮带与电机上的皮带轮连接，来传递电机的扭矩；磁滞头外壳的材料是铝合金铸件，其外面有很多散热片。因为磁滞头旋转时切割磁力线，会产生很多热量，而磁滞头外壳采用铝合金材料加上散热片，具有良好的散热功能；永磁块的材料是钕铁硼，具有较强的磁力，其形状为扇形，共有16 块沿圆周方向均匀分布在磁块托盘上，磁块托盘又通过平键与主轴连接，与主轴一同旋转并传递扭矩；磁钢可以充磁，与永磁块相互感应产生磁力。电机产生的扭矩通过皮带轮、磁滞头外壳传递到磁钢，磁钢与永磁块之间有间隙，可以通过调整间隙的大小来调节磁力的大小。其调节方法如图3 所示：①拆开磁滞头防尘罩，拧开磁滞头上的4 个固定螺钉；②拆下调节螺母上的4 个螺钉；③顺时钟旋转调节螺母，力矩变小。此时，调节螺母与卡环这间的间隙会变大；逆时钟旋转调节螺母，力矩变大。此时，调节螺母与卡环这间的间隙会变小。调节好力矩后，将所有零部件复原。

图3 调节方法

（4）减速机。减速机要选用没有自锁功能的直齿减速机，速比i2=30，型号为40CVM-30-4 kW。其输入端为磁滞头，输出端安装一个链轮。

（5）变速箱。变速箱采用钢板焊接而成，内装一组链轮，小链轮P=25.4、Z=15，大链轮P=25.4、Z=33，速比。因为变速箱内的线速度很低，且传递的力矩较大，所以采用链条传动。

（6）收线盘。收线盘用50 mm×30 mm×5 mm 的方管焊接而成，当收线盘的外径大于2.4 m 时，为了方便运输和安装，一般设计成2 个半圆，到现场再螺栓固定成一个整圆。收线盘的内径要大于电缆的最小弯曲半径，电缆的最小弯曲半径是电缆直径的10 倍（电缆的最小弯曲直径是电缆直径的20 倍）。收线盘的内宽为电缆直径的1.1 倍。

3 控制柜设计

新型磁滞式电缆卷筒的控制柜是一种集中控制和保护电气设备的装置，通常以金属柜体为基础构建。它可以用来集中控制和监测电缆卷筒各种电气设备，以确保电缆卷筒的正常运行和安全性。一般单独设置在卷筒的旁边，其电气原理如图4 所示：①A、B、C 接外部电源（3 相AC 380 V 50 Hz），U、V、W 接卷筒电机；②2、3接行走电机定子绕组（AC 380 V），当行走电机得电时，带动中间继电器KA 动作，卷筒电机动行；当行走电机断电时，中间继电器KA 立即失电复原。由于中间继电器KA 辅助延时触点断电后延时断开，卷筒电机延时停止运行；③无论是行走电机前进（远离电源）还是后退（靠近电源），卷筒一直处于收电缆状态。如果是端部供电，放电缆是卷筒电机可以不工作；④注意要保证卷筒电机运行方向与收电缆的方向一致，如果运转方向相反，只需要把卷筒电机的接线任意对调两相即可。

图4 电气原理

4 导向轮的设计

导向轮是电缆卷筒以外单独的一个部件，一般安装电缆卷筒的收线盘下面0.5 m 的位置。导向轮的作用是：使电缆的出线始终保持在同一高度；能感应电缆拉力的大小，更好地保护电缆，使其不被过大的拉力拉断。导向轮两边各装有4 个轮子，其材料为尼龙轮，能更好地保护电缆外皮不被磨损。导向轮结构如图5 所示。

图5 导向轮结构

导向轮的工作原理：导向轮通过活动支架绕销轴的旋转，来触动限位器，并把限位器感应到的信号传递到龙门吊的移动电机控制箱，使龙门吊的移动停止，起到电缆不被拉断的作用。而限位器的感应拉力大小的调节，则通过调节花篮螺栓上的两根螺栓的距离来调节拉簧预定拉力的大小。

5 应用案例

根据用户的具体要求对新型磁滞式电缆进行设计。具体参数如下：橡套电缆型号：YC3×120+1×35，直径55 mm，每米重量6.2 kg，电缆长度150 m，安装高度3 m，移动速度30 m/min。根据用户所提供的参数，对新型磁滞式电缆卷筒的力矩、速度、收线盘的尺寸进行计算：

（1）力矩。4 kW 的电机最大能产生26.5 N·m 扭矩，因为磁滞头的力矩传递要有调节大小的余量，所以取中间值20 N·m，传递效率按0.8 来计算。

（2）收线盘的尺寸。根据电缆的直径d=55 mm，长度L=155 m，收线盘宽度系数1.1，最小弯曲直径系数20，计算收线盘的外径D1、内径D2、内宽B。

（3）速度。因为收线盘收取电缆的线速度是变量，而收取电缆的速度与设备移动的速度可以通过磁滞头的打滑来实现同步，收取电缆的速度要大于设备移动的速度。所以取收线盘的内径来计算卷取速度，传递效率按0.8 来计算。

综合以上对新型磁滞式电缆力矩、收线盘、速度的计算方法的了解，可以对用户提供的不同参数的电缆卷筒进行计算，从而选择适当的电机、减速机，设计制做出适当尺寸的收线盘。