祖磊磊

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司三礦，山西陽泉 045008）

0 引言

現(xiàn)有減速器多以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)等純機(jī)械傳動(dòng)為主，但普遍存在傳動(dòng)比大時(shí)機(jī)械效率過低的問題;另外，材料品質(zhì)和工藝水平上還有許多弱點(diǎn)。由于在傳動(dòng)的理論上、工藝水平、材料品質(zhì)方面沒有突破，因此沒能從根本上解決傳遞功率大、傳動(dòng)比大時(shí)體積小、重量輕、機(jī)械效率高等這些基本要求[1]。隨著磁力機(jī)械的發(fā)展，永磁傳動(dòng)在各行業(yè)均有了一定的應(yīng)用。通過對實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)例進(jìn)行分析和研究，這種傳動(dòng)技術(shù)也可以應(yīng)用在一些減速傳動(dòng)的領(lǐng)域。在動(dòng)力端和負(fù)載端之間設(shè)置永磁多極磁場和感應(yīng)繞組，由于相對轉(zhuǎn)差使感應(yīng)繞組產(chǎn)生磁場而實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞；同時(shí)通過調(diào)節(jié)感應(yīng)繞組產(chǎn)生的磁場，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的變化。

永磁傳動(dòng)應(yīng)用在逐步增多，較高的傳動(dòng)效率和友好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到了用戶的認(rèn)可。在這些產(chǎn)品的應(yīng)用過程中，本文作者對其減速傳動(dòng)的一些原理進(jìn)行了進(jìn)一步的分析研究。

1 基本結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

永磁傳動(dòng)基本結(jié)構(gòu)剖面和部件示意分別如圖1、2所示。

圖1 基本機(jī)構(gòu)剖面圖

圖2 基本機(jī)構(gòu)部件示意圖

1.2 裝配方式

如圖1和2所示，該裝置是一種徑向牽引變速裝置，包括外轉(zhuǎn)子1、永磁體2、控制器3、內(nèi)轉(zhuǎn)子4和繞組5。其中：外轉(zhuǎn)子的一側(cè)設(shè)有法蘭聯(lián)接端用于與負(fù)載設(shè)備聯(lián)接，內(nèi)轉(zhuǎn)子的一側(cè)設(shè)有法蘭聯(lián)接端用于與原動(dòng)機(jī)設(shè)備聯(lián)接，繞組對稱固定在內(nèi)轉(zhuǎn)子上組成繞組轉(zhuǎn)子放置在外轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，控制器安裝在內(nèi)轉(zhuǎn)子一側(cè)，永磁體固定在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑端面上，永磁體和繞組在徑向上存有合理的間隙[2]。

1.3 扭矩傳遞

將此傳動(dòng)裝置安裝在原動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間，原動(dòng)機(jī)和負(fù)載端不同步轉(zhuǎn)速使內(nèi)轉(zhuǎn)子上的繞組與外轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)[3]，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流形成磁場，多極永磁體旋轉(zhuǎn)磁場和感應(yīng)磁場兩個(gè)磁場相互作用，實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞，兩個(gè)磁場的相互牽引方向?yàn)閺较颉?/p>

1.4 控制器基本原理

控制器原理如圖3所示（這只是一種控制方式，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步開發(fā)、改進(jìn)控制部分，實(shí)現(xiàn)更完美的控制），繞組分成A、B、C三相（亦可為多相），在A、B、C三相中分別串接雙向可控硅TS1、TS2、TS3，并且三相以星形接法閉合連接；雙向可控硅TS1、TS2、TS3由光耦合可控硅控制器MOC1、MOC2、MOC3控制[4]；測速元件HALL-A、HALL-B、HALL-C布置在內(nèi)轉(zhuǎn)子與永磁體對應(yīng)的合理位置，用來檢測內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；測速元件HALL-A、HALL-B、HALL-C將信號(hào)采集傳給單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)，由單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的程序分析處理，并生成控制信號(hào)給光耦合可控硅控制器MOC1、MOC2、MOC3控制雙向可控硅TS1、TS2、TS3的導(dǎo)通角；電路中需要的控制電源為電池（亦可由繞組中的感應(yīng)電經(jīng)整流調(diào)壓提供）。

2 實(shí)施控制速度原理

通過控制繞組回路中的雙向可控硅TS1、TS2、TS3導(dǎo)通角，控制繞組中感應(yīng)電流的大小改變感應(yīng)磁場大小，實(shí)現(xiàn)不同的減速比。具體原理：逐步降低雙向可控硅TS1、TS2、TS3的導(dǎo)通角，由于繞組中導(dǎo)通電壓降低，繞組中的電流也降低，感應(yīng)磁場也降低，繞組與永磁體之間就要加大轉(zhuǎn)速差，增大感應(yīng)電動(dòng)勢，使雙向可控硅TS1、TS2、TS3在導(dǎo)通角不變的情況下，增大導(dǎo)通電壓，提高電流，提高感應(yīng)磁場來滿足拖動(dòng)負(fù)載的扭矩傳遞[5]；反之，逐步增加雙向可控硅TS1、TS2、TS3的導(dǎo)通角，繞組與永磁體之間逐步減小轉(zhuǎn)速差，減小感應(yīng)電動(dòng)勢保持能拖動(dòng)負(fù)載的扭矩傳遞；在控制器中測速元件HALL-A、HALL-B、HALL-C對內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測反饋給單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)，單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)對繞組回路中的雙向可控硅TS1、TS2、TS3導(dǎo)通角進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，可以使負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在所設(shè)定的減速比的速度上。

驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)速不變，隨著感應(yīng)端繞組中串接的可控硅導(dǎo)通角的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載端速度的變化。

3 負(fù)載端速度與感應(yīng)磁場變化的關(guān)系

假定驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速不發(fā)生改變，而多極永磁體的磁場不會(huì)發(fā)生變化，且永磁磁場與感應(yīng)磁場的氣隙也不改變，所以感應(yīng)磁場發(fā)生變化，永磁體磁場和感應(yīng)磁場之間的相互作用力就會(huì)發(fā)生改變，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，隨著感應(yīng)磁場降低，負(fù)載端的轉(zhuǎn)速下降，感應(yīng)磁場增大，負(fù)載端的轉(zhuǎn)速提高[6]。

4 負(fù)載端力矩和驅(qū)動(dòng)端力矩的變化關(guān)系

隨著負(fù)載端轉(zhuǎn)速的變化，負(fù)載端力矩和驅(qū)動(dòng)端力矩的變化關(guān)系如下所述。

驅(qū)動(dòng)端的功率：

P1=n1·M1

負(fù)載端的功率：

P2=n2·M2

耦合功率：

P3=V·I

式中：P1為驅(qū)動(dòng)端功率；n1為驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)速；M1為驅(qū)動(dòng)端扭矩；P2為負(fù)載端功率；n2為負(fù)載端轉(zhuǎn)速；M2為負(fù)載端扭矩；P3為耦合功率（需要消耗一定的功率產(chǎn)生耦合磁場）；V為感應(yīng)繞組導(dǎo)通電壓；I為感應(yīng)繞組電流。

耦合功率為永磁旋轉(zhuǎn)磁場與感應(yīng)繞組之間相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場所需功率的大小。

驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端的功率關(guān)系如下：

圖3 電路圖

P1=P3+P2

在此不考慮由于產(chǎn)品本身慣量造成的功率損耗，也就是：

n1·M1=V·I+n2·M2

假定輸入端為多極永磁旋轉(zhuǎn)磁場，輸入功率不變?yōu)橐粋€(gè)恒定值，也就是輸入的轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩M1不變，而輸入端和負(fù)載端扭矩的產(chǎn)生是靠永磁旋轉(zhuǎn)磁極與感應(yīng)繞組的感應(yīng)磁場之間的剪切力形成的。而要使作用在永磁旋轉(zhuǎn)磁場上的扭矩不變，就要負(fù)載端的感應(yīng)繞組隨著負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)生的感應(yīng)磁場不變，所以隨著負(fù)載量的變化，通過負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化[7]。產(chǎn)生感應(yīng)磁場不變，也就是繞組中的電流大小沒發(fā)生改變。負(fù)載感應(yīng)磁場隨著輸入端和負(fù)載端的轉(zhuǎn)速差的變化所需電流I沒變，只有感應(yīng)磁場的頻率發(fā)生了變化，也就是感應(yīng)繞組中電流的頻率發(fā)生了變化，更進(jìn)一步說就是作用在負(fù)載端的力矩沖擊頻率發(fā)生了改變，產(chǎn)生感應(yīng)磁場的功率P3不變（此為理想狀態(tài)，實(shí)際上由于繞組的溫度變化，阻值發(fā)生改變，功率也會(huì)發(fā)生改變，合理的參數(shù)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)變化不是太大）。實(shí)現(xiàn)耦合功率P3不發(fā)生改變可以通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)導(dǎo)通電壓V實(shí)現(xiàn)感應(yīng)繞組中電流I不發(fā)生改變。

那么負(fù)載端和驅(qū)動(dòng)端扭矩之間的關(guān)系為：

由于V、I、n1、M1不變，成為了常數(shù)，那么負(fù)載端扭矩M2就會(huì)隨著負(fù)載端轉(zhuǎn)速n2的變化而變化，負(fù)載端轉(zhuǎn)速n2提高，負(fù)載端輸出扭矩M2降低，負(fù)載端轉(zhuǎn)速n2降低，負(fù)載端輸出扭矩M2增大。在此變速過程中，感應(yīng)繞組的耦合功率不變，所以只要永磁旋轉(zhuǎn)磁極的永磁體選擇合適且感應(yīng)繞組設(shè)計(jì)合理、繞制合格，感應(yīng)繞組也不會(huì)過熱。也就是只要所允許的驅(qū)動(dòng)端功率不過載，感應(yīng)繞組就不會(huì)過載。

假定負(fù)載端所需的轉(zhuǎn)矩M2不變，當(dāng)負(fù)載端的轉(zhuǎn)速n2發(fā)生改變，驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端的轉(zhuǎn)矩關(guān)系：

由于n1不變?yōu)槌?shù)，耦合功率V*I相對于輸入功率P1來說，功率相對較小，也可先設(shè)定為常數(shù)，那么負(fù)載端在所需轉(zhuǎn)矩M2不變的情況下，驅(qū)動(dòng)端的輸入轉(zhuǎn)矩M1在輸入轉(zhuǎn)速n1不變的情況下隨著負(fù)載端的轉(zhuǎn)速n2降低，逐步減小，那么驅(qū)動(dòng)端的輸入功率P1也就相應(yīng)減小，符合了力矩電機(jī)的原理。

輸入功率不變，輸出端在輸出轉(zhuǎn)速發(fā)生改變的情況下，輸出端的力矩也相應(yīng)發(fā)生改變，輸出端轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩提高，輸出端轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩減小，形成了一個(gè)減速傳動(dòng)裝置，可以應(yīng)用在適合的減速傳動(dòng)場合。

5 永磁減速傳動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)

（1）在功率傳遞過程中，是通過永磁旋轉(zhuǎn)磁場與感應(yīng)磁場的剪切力傳遞，而轉(zhuǎn)速的變化是通過電控實(shí)現(xiàn)的，是一種新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

（2）產(chǎn)品相對于傳統(tǒng)的減速機(jī)體積大大縮小、重量減輕、噪聲減小、拆裝更方便[8]。

客觀總結(jié)事件經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以懲前毖后 近年來，圍繞化工企業(yè)的建設(shè)，媒體相繼報(bào)道了很多當(dāng)?shù)孛癖姺磳Φ穆曇?，甚至由此引發(fā)的群體不穩(wěn)定事件。直到現(xiàn)在，關(guān)于PX、垃圾焚燒等項(xiàng)目建設(shè)受到當(dāng)?shù)厝罕娮钃系氖虑?，依然歷歷在目。這固然有普通群眾缺乏相關(guān)專業(yè)知識(shí)的原因，更有當(dāng)?shù)卣o普通大眾造成了“唯經(jīng)濟(jì)論”的印象，只要能促動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長，只要不引發(fā)群體事件，就可以使項(xiàng)目上馬投產(chǎn)運(yùn)行。這充分說明，有關(guān)部門應(yīng)從維護(hù)公眾利益出發(fā)，深刻總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對違法違規(guī)行為依法懲戒，樹立依法治國的權(quán)威，懲前才能毖后，才能疏導(dǎo)好群眾的情緒，引導(dǎo)民眾支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展奠定良好的氛圍和基礎(chǔ)。

（3）對于重載設(shè)備的啟動(dòng)，可以根據(jù)設(shè)備需要預(yù)先在單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)程序中設(shè)定相關(guān)程序，先以低速大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，而后再增速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了利用減速機(jī)對負(fù)載的軟啟動(dòng)，減少電網(wǎng)沖擊，而且也不需為重載設(shè)備的啟動(dòng)加大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。

（4）可設(shè)置功率過載保護(hù)（在繞組回路中加裝過載保護(hù)監(jiān)測），在超載時(shí)斷開繞組不產(chǎn)生扭矩傳遞，保護(hù)設(shè)備。

（5）由于這種永磁變速傳動(dòng)只有一個(gè)無接觸嚙合環(huán)節(jié)，所以傳遞效率大大高于其它減速裝置，更節(jié)能。

（6）嚙合面無接觸，也就不存在磨損，所以無需潤滑、冷卻，減少了油脂類的使用，較其它減速裝置更環(huán)保。

（8）這種減速裝置需控制的功率只是一個(gè)相對較小的耦合功率，非全功率控制，所以使用的電氣元件不需要太大功率，且數(shù)量少，電路簡單，所以維修方便。

（9）控制裝置可預(yù)設(shè)程序自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能；也可使用滑環(huán)外接控制部分或采用無線控制技術(shù)通過安裝在減速裝置上的內(nèi)置控制器中的無線接收控制部分進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，能更好地滿足與各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的對接。

6 結(jié)束語

綜上所述，此項(xiàng)技術(shù)成果推廣應(yīng)用后，是傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)重大變革，對于國家提倡的節(jié)能減排政策方針有非常重要的意義。