王 雷，朱玉芹，劉 昊

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

傳統(tǒng)的煤機(jī)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大部分采用異步電機(jī)搭配減速器的形式，傳動(dòng)路線較長(zhǎng)，在長(zhǎng)距離、大功率的發(fā)展方向下更容易出現(xiàn)諸多故障，其中機(jī)械傳動(dòng)減速裝置的存在不僅增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的總體能耗和運(yùn)行噪聲，而且降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性和可靠性，同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率低，造成了能源的浪費(fèi)[1,2]。而全永磁直驅(qū)系統(tǒng)包括永磁同步電機(jī)、永磁滾筒、永磁耦合器及永磁減速器等，其效率高、功率因數(shù)高，且能實(shí)現(xiàn)低速直驅(qū)，電機(jī)與負(fù)載直接連接，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，不僅滿足礦用裝備低速大轉(zhuǎn)矩需求，還縮短了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的長(zhǎng)度，在煤礦應(yīng)用日趨廣泛[3,4]。隨著永磁電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，煤機(jī)裝備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也面臨重大轉(zhuǎn)型需求，但大部分企業(yè)的解決思路是使用永磁電機(jī)對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行替換，提高電機(jī)端的效率，長(zhǎng)傳動(dòng)鏈導(dǎo)致的懸臂梁、系統(tǒng)效率低的問(wèn)題仍未能改善，目前尚缺少礦用全永磁式低速直驅(qū)系統(tǒng)的研發(fā)，未能從根源上提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用效率。

而煤礦全永磁直驅(qū)系統(tǒng)可大幅減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度，提高煤機(jī)裝備的運(yùn)行效率；削弱高頻電磁波對(duì)周邊傳感器干擾，提高煤礦設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性；降低對(duì)電源及繞組絕緣的需求及運(yùn)輸、維修的人工成本；緩解巷道內(nèi)空間尺寸受限的難題；克服低速直驅(qū)永磁電機(jī)體積大的缺點(diǎn)，使永磁電機(jī)在刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)等低中心高設(shè)備上得到應(yīng)用；為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加可靠的機(jī)械保護(hù)，避免驅(qū)動(dòng)設(shè)備損壞造成的生產(chǎn)事故，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義[5]。

1 煤礦全永磁電機(jī)系統(tǒng)

煤機(jī)裝備全永磁直驅(qū)系統(tǒng)主要包括永磁同步電機(jī)、永磁滾筒、永磁耦合器及永磁減速器。

1.1 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)為驅(qū)動(dòng)端，依靠永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，具有高效率、體積小、質(zhì)量輕、高功率密度、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行可靠、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前高效節(jié)能電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。若采用低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型煤機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式，相比傳統(tǒng)的異步電機(jī)，此時(shí)永磁電機(jī)不需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流，轉(zhuǎn)子上既無(wú)銅耗又無(wú)鐵耗，所以永磁同步電機(jī)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持接近于1 的功率因數(shù)，具有功率因數(shù)高的特點(diǎn)；0%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)效率高，在效率上，不但在額定點(diǎn)有了提高，而且在低負(fù)載、低速條件下，更是優(yōu)勢(shì)明顯。

永磁同步電機(jī)按結(jié)構(gòu)分主要包括內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)及外轉(zhuǎn)子電機(jī)。內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)中分為工頻自啟動(dòng)電機(jī)與高速變頻電機(jī)。而高速變頻電機(jī)為又分為高速電機(jī)與低速電機(jī)，其中低速電機(jī)包括一體式直驅(qū)電機(jī)、一體式半直驅(qū)電機(jī)、分體式直驅(qū)電機(jī)及分體式半直驅(qū)電機(jī)。外轉(zhuǎn)子電機(jī)包括高速電機(jī)及低速電機(jī)，而低速電機(jī)又稱為永磁滾筒。內(nèi)轉(zhuǎn)子高速電機(jī)多用于高轉(zhuǎn)速水泵、風(fēng)機(jī)，外轉(zhuǎn)子高速電機(jī)，也叫輪轂電機(jī)，多用于電動(dòng)汽車等場(chǎng)合，而煤礦用永磁電機(jī)多為50～100 r/min 低轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主要為工頻自啟動(dòng)電機(jī)、一體式直驅(qū)電機(jī)、一體式半直驅(qū)電機(jī)、分體式直驅(qū)電機(jī)、分體式半直驅(qū)電機(jī)及永磁滾筒等6 大類。工頻自啟動(dòng)電機(jī)可不通過(guò)變頻器自啟動(dòng)，目前工頻永磁電機(jī)技術(shù)極為成熟，市場(chǎng)飽和，無(wú)研究必要。其余5 大類永磁電機(jī)需變頻器啟動(dòng)，且一體/分體式半直驅(qū)永磁電機(jī)在煤礦電機(jī)系統(tǒng)尚無(wú)應(yīng)用，一體直驅(qū)及分體直驅(qū)永磁電機(jī)尚缺少大功率相關(guān)研究。因此，實(shí)現(xiàn)一體/分體式半直驅(qū)永磁電機(jī)“從無(wú)到有”的技術(shù)突破，攻克一體直驅(qū)可靠性、永磁滾筒大功率、分體直驅(qū)大功率關(guān)鍵技術(shù)十分必要。永磁同步電機(jī)分類如圖1。

圖1 永磁同步電機(jī)分類Fig.1 Permanent magnet synchronous motor classification

1.2 永磁滾筒

永磁滾筒是外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，定子與軸安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，工作時(shí)膠帶、絞繩等負(fù)載直接連接轉(zhuǎn)子，不再需要額外的連接手段，電機(jī)具有更大的轉(zhuǎn)矩密度，可以廣泛應(yīng)用于帶式輸送機(jī)、絞車等設(shè)備，市場(chǎng)前景廣闊。永磁滾筒運(yùn)行效率高，全轉(zhuǎn)速范圍功率因數(shù)高，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)；不需要額外的連軸結(jié)，節(jié)省安裝空間，帶式輸送機(jī)的機(jī)頭可以更加靈活的布置；適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子表面漏磁，吸附煤中的鐵器，可起到磁選機(jī)的功效。目前，永磁滾筒礦用產(chǎn)品最高輸出功率315 kW，額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速60～90 r/min；冷卻方式采用水冷結(jié)構(gòu)，設(shè)備需要外置變頻器及冷卻系統(tǒng)。永磁滾筒結(jié)構(gòu)圖如圖2

圖2 永磁滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure picture of permanent magnet drum

1.3 永磁耦合器

目前永磁耦合器按結(jié)構(gòu)及原理主要分為同步型、限矩型和調(diào)速型。

同步型耦合器結(jié)構(gòu)圖及傳動(dòng)基本模型圖3。同步型永磁耦合器可應(yīng)用于低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)損傳動(dòng)的同時(shí)為永磁電機(jī)提供機(jī)械保護(hù)。耦合器結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，主動(dòng)盤與被動(dòng)盤皆為永磁體盤，兩盤永磁體的磁場(chǎng)在氣隙中耦合，把磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞。當(dāng)主動(dòng)極以速度v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)磁極（主動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁體）與從動(dòng)磁極（從動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁體）產(chǎn)生的作用力P1、P2在運(yùn)動(dòng)方向上的分量是相疊加的，而垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的分量則方向相反基本抵消。因此從動(dòng)磁極在平行于運(yùn)動(dòng)方向的力的分量作用下，隨主動(dòng)磁極以同樣的速度v 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，無(wú)轉(zhuǎn)差。當(dāng)兩轉(zhuǎn)子間的傳遞轉(zhuǎn)矩不能滿足負(fù)載需求，從動(dòng)轉(zhuǎn)子會(huì)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，但是過(guò)載保護(hù)時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)，否則永磁體會(huì)有燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。

限矩型永磁耦合器如圖4。限矩型永磁耦合器多應(yīng)用與異步電機(jī)系統(tǒng)，高效傳動(dòng)的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)功能。限矩型永磁耦合器通過(guò)滑差來(lái)自適應(yīng)負(fù)載變化，具有在負(fù)載卡死或其它扭力過(guò)大條件下使負(fù)載完全脫離電機(jī)的能力，當(dāng)負(fù)載卡死或超過(guò)限定值的時(shí)候，排斥力迫使永磁轉(zhuǎn)子移向遠(yuǎn)離銅導(dǎo)體的位置，此時(shí)離心體不再限制永磁轉(zhuǎn)子位移，氣隙將被拉大，從而減小了電機(jī)與負(fù)載之間的傳遞轉(zhuǎn)矩，電機(jī)得到完全保護(hù)。當(dāng)停止電機(jī)或卸掉負(fù)載后，其能夠自動(dòng)復(fù)位，無(wú)需操作員介入。限矩型永磁耦合器安裝時(shí)允許較大安裝誤差，安裝方便，適應(yīng)潮濕、粉塵、高低溫等惡劣工況，額定傳遞效率大于97%，明顯高于液力耦合器。

調(diào)速型永磁耦合器如圖5。調(diào)速型永磁耦合器多用于異步電機(jī)傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可通過(guò)氣隙精準(zhǔn)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的精確輸出，節(jié)能效果顯著。調(diào)速型永磁耦合器可通過(guò)手動(dòng)或信號(hào)控制調(diào)節(jié)氣隙大小來(lái)改變輸出轉(zhuǎn)速，具有調(diào)速功能，應(yīng)用于帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)與多機(jī)功率平衡控制，解決直起直停重載沖擊及多電機(jī)運(yùn)行、單臺(tái)電機(jī)出力不均導(dǎo)致的電機(jī)過(guò)載燒毀、運(yùn)輸帶磨損斷裂等故障。應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等離心式負(fù)載調(diào)速可通過(guò)氣隙調(diào)節(jié)精確控制流量輸出，克服機(jī)械閥門流量調(diào)節(jié)造成的能量損失問(wèn)題，解決“大馬拉小車”電機(jī)高配問(wèn)題，具有良好節(jié)能效果。對(duì)環(huán)境和電網(wǎng)無(wú)污染，屬于清潔技術(shù)，額定轉(zhuǎn)差率3%，額定傳遞效率大于95%。適用于需要實(shí)現(xiàn)負(fù)載全過(guò)程調(diào)控的場(chǎng)合。

圖4 限矩型永磁耦合器Fig.4 Torque limited permanent magnet coupling

圖5 調(diào)速型永磁耦合器Fig.5 Speed-adjustable permanent magnet coupling

1.4 永磁減速器

永磁減速器又叫永磁齒輪，其通過(guò)永磁體磁場(chǎng)作用，以非接觸式方式通過(guò)氣隙來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩[7]。磁場(chǎng)調(diào)制式永磁減速器結(jié)構(gòu)圖如圖6，包含高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)轉(zhuǎn)子、低速旋轉(zhuǎn)的外轉(zhuǎn)子以及靜止不動(dòng)的調(diào)磁環(huán)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與內(nèi)轉(zhuǎn)子連接，負(fù)載直接與外轉(zhuǎn)子相連，內(nèi)外轉(zhuǎn)子上皆安裝有永磁體，中間安裝有磁場(chǎng)調(diào)制環(huán)，其上放置高導(dǎo)磁特性的調(diào)磁鐵塊，用于調(diào)制內(nèi)外氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)永磁減速器內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過(guò)永磁減速器的磁場(chǎng)調(diào)制來(lái)改變傳動(dòng)比，從而帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、可過(guò)載保護(hù)，后期運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)易且維護(hù)量小，并可替代傳統(tǒng)聯(lián)軸器及減速機(jī)功能的非接觸式柔性傳動(dòng)裝置來(lái)解決目前煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)存在的振動(dòng)大、噪聲大、無(wú)過(guò)載保護(hù)功能、輪齒磨損等技術(shù)難題。礦用磁場(chǎng)調(diào)制型永磁減速器應(yīng)用到煤礦機(jī)械，可降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，降低維護(hù)要求，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，為井下設(shè)備的設(shè)計(jì)工作提供了新思路、新設(shè)備。

圖6 磁場(chǎng)調(diào)制式永磁減速器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of magnetic field modulation permanent magnet reducer

1.5 應(yīng)用情況

礦用永磁同步電機(jī)可實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)，取消傳動(dòng)系統(tǒng)中的減速器，實(shí)現(xiàn)高效、高可靠驅(qū)動(dòng)。其中，分體式低速永磁直驅(qū)電機(jī)可應(yīng)用于大部分低速負(fù)載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但中心高過(guò)高，難以匹配刮板機(jī)；分體式低速永磁半直驅(qū)電機(jī)尤其適用于中心高較低的刮板輸送機(jī)、礦車等；一體式低速永磁直驅(qū)電機(jī)適用于安裝空間受限及驅(qū)動(dòng)部經(jīng)常移動(dòng)的場(chǎng)合，但中心高較高，難以在刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等場(chǎng)合得到應(yīng)用；一體式低速永磁半直驅(qū)電機(jī)適用于大部門煤機(jī)裝備；礦用永磁滾筒應(yīng)用于帶式輸送機(jī)、提升機(jī)等場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)定子與軸安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，節(jié)省空間、可靠性高，但礦用功率最高為315 kW。礦用永磁耦合器可應(yīng)用于帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等所有煤機(jī)裝備傳動(dòng)系統(tǒng)，可靠性高、傳動(dòng)效率高。永磁減速器可替換機(jī)械減速器，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

針對(duì)現(xiàn)有煤礦電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)存量市場(chǎng)，建議采用永磁耦合器替換原有變頻器或液力耦合器，或采用永磁減速器替換原有機(jī)械減速箱，不僅可實(shí)現(xiàn)高效高可靠傳動(dòng)，還可降低前期投入成本，性價(jià)比高，尤其對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵等離心式負(fù)載節(jié)能效果顯著。針對(duì)增量市場(chǎng)及新煤機(jī)市場(chǎng)，可采用全永磁驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。針對(duì)刮板輸送機(jī)，可采用“分體式低速永磁半直驅(qū)電機(jī)、一體式低速永磁半直驅(qū)電機(jī)+同步型永磁耦合器”；針對(duì)帶式輸送機(jī)，315 kW 以下可采用“永磁滾筒+同步型永磁耦合器”，315 kW 以上帶式輸送機(jī)用低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)（變頻一體機(jī)、分體直驅(qū)）+同步型磁力耦合器。因此，多種永磁同步電機(jī)、永磁耦合器及永磁減速器搭配方案可實(shí)現(xiàn)礦用全永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)高效、高可靠運(yùn)行。

2 全永磁電機(jī)系統(tǒng)多物理場(chǎng)

煤礦全永磁電機(jī)系統(tǒng)中，低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)多學(xué)科交叉研究關(guān)鍵技術(shù)主要包括關(guān)鍵零部件尺寸參數(shù)對(duì)非均勻磁場(chǎng)特性影響規(guī)律（磁場(chǎng)）、磁熱耦合高效散熱系統(tǒng)（熱力學(xué)）、高可靠穩(wěn)定機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)（機(jī)械）及智能控制系統(tǒng)（電控）等[8]。永磁耦合器多學(xué)科交叉研究關(guān)鍵技術(shù)主要包括永磁體及銅盤盤對(duì)磁場(chǎng)特性影響（磁場(chǎng)）、旋轉(zhuǎn)離心風(fēng)冷及水冷散熱系統(tǒng)（熱力學(xué)）、高速重載可靠穩(wěn)定調(diào)速機(jī)構(gòu)及整機(jī)結(jié)構(gòu)（機(jī)械）、恒轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)（電控）等[9]，永磁減速器多學(xué)科交叉研究?jī)?nèi)容亦涉及磁場(chǎng)、熱力學(xué)、機(jī)械及電控等多物理場(chǎng)耦合分析。因此，煤礦全永磁電機(jī)系統(tǒng)多學(xué)科解耦后皆為電磁學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械、電控等學(xué)科，多物理場(chǎng)分析相互融通，觸類旁通。下面以永磁耦合器為例進(jìn)行多物理場(chǎng)分析。

2.1 多物理場(chǎng)耦合機(jī)理

永磁耦合器永磁體、銅盤等關(guān)鍵尺寸參數(shù)影響磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩傳遞性能；磁場(chǎng)性能決定熱損耗大小，進(jìn)而影響溫度場(chǎng)分布；溫度場(chǎng)又會(huì)反作用于磁場(chǎng)，造成永磁體、銅盤等磁場(chǎng)性能衰退，造成轉(zhuǎn)矩傳遞能力下降；同時(shí)磁場(chǎng)軸向力及溫度熱應(yīng)力會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形影響[10]。機(jī)械散熱片及油冷、水冷循環(huán)路徑分布又將導(dǎo)致熱力學(xué)溫度分布變化，流道分布還將影響磁場(chǎng)漏磁率。而軟啟動(dòng)及功率平衡控制策略制定則需依據(jù)磁場(chǎng)啟動(dòng)力矩及溫度場(chǎng)溫升變化進(jìn)行預(yù)警設(shè)置，且調(diào)速曲線及調(diào)速機(jī)構(gòu)是控制策略調(diào)控基礎(chǔ)。因此，永磁耦合器電磁學(xué)、熱力學(xué)、電控、機(jī)械等多物理場(chǎng)耦合作用，動(dòng)態(tài)耦合機(jī)理復(fù)雜，需解耦進(jìn)行分析后進(jìn)行耦合計(jì)算。基于多物理場(chǎng)耦合機(jī)理，將多場(chǎng)解耦分析，并保障電磁、溫度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相互接口傳輸數(shù)據(jù)，建立了永磁耦合器多學(xué)科交叉開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化流程[11]。以1 臺(tái)永磁體安裝直徑為φ500 mm 的礦用永磁耦合器為例進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

2.2 非均勻磁場(chǎng)

分別研究不同銅盤厚度、永磁體占空比、永磁體級(jí)數(shù)及氣隙對(duì)永磁耦合器磁場(chǎng)傳遞性能的影響規(guī)律。保持礦用永磁耦合器的其他尺寸參數(shù)不變，設(shè)定銅盤的厚度為不同值，得到的銅盤厚度對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩影響規(guī)律如圖7。可以看到，隨著銅盤厚度的增加，礦用永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩有所增加，但當(dāng)銅盤的厚度超過(guò)6 mm 后，其轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)率開始降低，代表此時(shí)礦用永磁耦合器銅盤厚度的影響達(dá)到了一個(gè)極限值。如果繼續(xù)增加銅盤的厚度，則會(huì)使造成材料的浪費(fèi)。

圖7 銅盤厚度對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩影響規(guī)律Fig.7 The influence rule of copper disc thickness on transmission torque

永磁耦合器采用18 級(jí)，則每塊永磁體占20°機(jī)械角度，設(shè)置永磁體的占空比在0.1～0.9 之間變化，對(duì)不同的永磁體占空比進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中保持永磁體的體積及厚度不變，礦用永磁耦合器在45 r/min 轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速下的占空比對(duì)轉(zhuǎn)矩影響如圖8。永磁耦合器在永磁體厚度不變時(shí)，隨著開角的增加，其傳遞轉(zhuǎn)矩也在增加，轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)率不斷減小，當(dāng)永磁體占空比達(dá)到0.75 時(shí)，礦用永磁耦合器具有最大轉(zhuǎn)矩體積比，即此時(shí)永磁耦合器的永磁體利用率最大，在占空比繼續(xù)增加時(shí)，轉(zhuǎn)矩密度開始降低。

相比于占空比，永磁耦合器的級(jí)數(shù)也對(duì)傳遞性能有較大影響。將18 級(jí)、永磁體占空比為0.75 的礦用永磁耦合器改造為16 級(jí)和20 級(jí)，設(shè)定新的永磁耦合器永磁體占空比在0.6～0.85 之間變化，同時(shí)保持永磁體的總體積不變，得到了永磁耦合器在不同級(jí)數(shù)下的傳遞性能及永磁體厚度的變化趨勢(shì)，變級(jí)數(shù)時(shí)傳遞性能及永磁體厚度變化如圖9，礦用永磁耦合器最大傳遞性能如圖10?？梢钥闯?，當(dāng)永磁耦合器為16 級(jí)和20 級(jí)時(shí)，其仍在永磁體占空比為0.75 左右時(shí)有較為良好的性能輸出。不同之處在于16 級(jí)傳遞最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速約為145 r/min，而20 級(jí)永磁耦合器傳遞最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速約為135 r/min。即在相同轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速下，級(jí)數(shù)多的耦合器可以傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。

圖8 占空比對(duì)轉(zhuǎn)矩影響Fig.8 Effect of duty cycle on torque

圖9 變級(jí)數(shù)時(shí)傳遞性能及永磁體厚度變化Fig.9 Change of transmission performance and thickness of permanent magnet with variable series

圖10 礦用永磁耦合器最大傳遞性能Fig.10 Maximum transmission performance of mine permanent magnetic coupling

永磁耦合器最大氣隙需要進(jìn)行有限元計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選定1 個(gè)合理的最大氣隙值。設(shè)礦用永磁耦合器運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速，氣隙g 按照g=［4、6、8、…、36 mm］變化，則可以計(jì)算出永磁耦合器在不同氣隙下的傳遞轉(zhuǎn)矩，不同氣隙下礦用永磁耦合器的傳遞能力如圖11。

圖11 不同氣隙下礦用永磁耦合器的傳遞能力Fig.11 Transmission capability of mine permanent magnetic coupling under different air gap

由圖11 可以看出，永磁耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩與氣隙成反相關(guān)，氣隙越大，其傳遞轉(zhuǎn)矩越小。據(jù)此，可以根據(jù)永磁耦合器在最小氣隙時(shí)的運(yùn)行性能確定設(shè)備的額定參數(shù)，并利用有限元分析計(jì)算的結(jié)果設(shè)計(jì)出最大氣隙；同時(shí)對(duì)氣隙大小進(jìn)行調(diào)節(jié)則會(huì)得到永磁耦合器在不同氣隙時(shí)主從轉(zhuǎn)子之間的吸力，為設(shè)計(jì)氣隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供必要的數(shù)據(jù)。

2.3 旋轉(zhuǎn)離心流固耦合風(fēng)冷散熱

基于流固耦合傳熱結(jié)合MRF 模型精確計(jì)算散熱系數(shù)的方法，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)離心風(fēng)冷溫度場(chǎng)精確表征，并分析不同熱損耗情況下的溫度變化規(guī)律，為散熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[12]。依然以安裝直徑為φ500 mm的礦用永磁耦合器為例，基于渦流損耗計(jì)算公式得到銅盤熱損耗值并作為熱源賦給銅盤，進(jìn)而輸入散熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到溫度場(chǎng)分布。永磁耦合器溫度云圖及軸向溫度分布圖如圖12。

永磁耦合器溫度最高處為銅盤，溫度向銅盤兩側(cè)成梯度降低，銅盤到永磁體方向由于有空氣域，導(dǎo)熱系數(shù)小，熱傳遞效率低，熱阻大，故永磁體蓋處溫度最低。銅盤到散熱片方向，由于散熱片旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)空氣流動(dòng)，散熱系數(shù)大，熱量散出主要經(jīng)過(guò)散熱片，故散熱片為主散熱體。此時(shí)，散熱片最高溫度為58.67 ℃，溫度值完全在安全范圍內(nèi)，即在永磁耦合器在45 N·m 卡死產(chǎn)熱最多狀態(tài)下，表面溫度亦在許用溫度范圍內(nèi)，表明散熱效果良好，可滿足要求。

由于釹鐵硼永磁體的溫度性能較差，其在溫度達(dá)到150 ℃后會(huì)出現(xiàn)不可逆退磁，導(dǎo)致永磁耦合器無(wú)法正常運(yùn)行，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注永磁體溫升。永磁體溫度分布云圖如圖13，永磁體此時(shí)溫升約為35℃，在允許溫升范圍內(nèi)，可穩(wěn)定運(yùn)行。

圖12 永磁耦合器溫度云圖及軸向溫度分布圖Fig.12 Temperature cloud diagram and axial temperature distribution of permanent magnet coupling

圖13 永磁體溫度分布云圖Fig.13 Cloud distribution map of permanent magnets

對(duì)煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司開發(fā)的6 種型號(hào)（COBT310、COBT380、COBT430、COBT550、COBT580、COBT620）永磁耦合器不同熱損耗下溫度場(chǎng)分步進(jìn)行研究。主要針對(duì)轉(zhuǎn)差率為3%（額定轉(zhuǎn)差率）、6%、9%、12%、15%、18%（大轉(zhuǎn)差、高熱損），即不同熱損耗情況下散熱片及永磁體處溫度值對(duì)比，永磁耦合器不同型號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)比圖（略），不同型號(hào)不同轉(zhuǎn)差情況下，銅盤溫度最高，永磁體溫度最低，且隨著轉(zhuǎn)差率升高各零部件溫升明顯，在18%大轉(zhuǎn)差、高熱損時(shí)各零部件溫升顯著且溫差最大；隨著永磁體盤徑增加，即型號(hào)的增大，永磁耦合器產(chǎn)熱量增加，最高溫升達(dá)122 ℃，散熱片溫度值為106 ℃，在煤礦安全要求150 ℃以下，尚處于安全區(qū)，但實(shí)際應(yīng)用中并不允許整機(jī)溫度如此高，這會(huì)造成銅盤及散熱片性能不穩(wěn)定，極易引發(fā)永磁耦合器運(yùn)行故障，此時(shí)應(yīng)考慮變換風(fēng)冷散熱方式為液冷散熱方式。而永磁體溫度值為73 ℃，處于退磁安全范圍內(nèi)。原因是雖然銅盤溫度較高，但向永磁體傳遞時(shí)由于氣隙空氣膜阻力的存在，極大程度上阻止了熱損耗向永磁體盤傳遞，故其溫升較低，安全性較高。

綜上所述，基于流固耦合傳熱溫度場(chǎng)表征方法能夠精確反應(yīng)永磁耦合器溫度分布，不同熱損耗情況下溫升隨著熱損耗功率增加而上升，不同零部件溫度分布變化規(guī)律同樣隨熱損耗增加而上升。該計(jì)算結(jié)果能夠預(yù)估永磁耦合器溫度分布，預(yù)警高溫升情況，并為散熱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.4 高精實(shí)時(shí)可靠調(diào)速機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

依據(jù)調(diào)速機(jī)構(gòu)的基本原理可知，氣隙調(diào)節(jié)過(guò)程中齒輪齒條及調(diào)速內(nèi)外套之間需要克服磁盤與銅盤之間的軸向力作用，磁盤分離機(jī)構(gòu)中有3 對(duì)齒輪齒條用于分離兩側(cè)磁盤，有6 根銷軸用于傳遞轉(zhuǎn)矩，齒輪齒條受力示意如圖14。3 對(duì)齒輪共同來(lái)承擔(dān)磁盤與銅盤之間軸向力，每個(gè)齒輪需承受軸向力的1/3，將該力作用于齒輪齒條的選型設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核（應(yīng)力仿真分析圖略）。

圖14 齒輪受力分析Fig.14 Gear force analysis

如圖14，調(diào)速機(jī)構(gòu)中調(diào)速內(nèi)套上設(shè)計(jì)有3 個(gè)均布的正弦曲線溝槽，在調(diào)速外套上安裝有3 個(gè)凸輪軸承，在執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)下，凸輪軸承在調(diào)速溝槽內(nèi)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣隙的功能。為了確保調(diào)速性能，凸輪軸承與調(diào)速內(nèi)套溝槽內(nèi)滑動(dòng)時(shí)，二者需要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度以滿足調(diào)速需求，對(duì)調(diào)速溝槽所承受的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)磁場(chǎng)仿真出的銅盤與磁盤之間的軸向力，每個(gè)凸輪軸承受法向壓力為軸向力的1/3。根據(jù)凸輪軸承的尺寸及調(diào)速溝槽形式，對(duì)調(diào)速溝槽的機(jī)型接觸應(yīng)力分析，保證所受應(yīng)力及變形量滿足材料的力學(xué)特性，調(diào)速溝槽接觸應(yīng)力仿真分析圖略。

2.5 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載軟啟動(dòng)數(shù)學(xué)模型與控制策略

在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，使用電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)耦合器的氣隙進(jìn)行調(diào)節(jié)[13]。隨著氣隙減小，耦合器輸出轉(zhuǎn)矩T 增加，直到耦合器輸出端開始動(dòng)作。

式中：T 為耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；ω 為耦合器輸出端角速度，rad/s；n 為耦合器輸出端轉(zhuǎn)速，r/min；J 為帶式輸送機(jī)輥筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；a 為耦合器輸出加速度，m/s2；Cp為和帶式輸送機(jī)有關(guān)的常數(shù)；t 為運(yùn)行時(shí)間，s。

式（1）可變?yōu)椋?/p>

式中：δ 為耦合器的轉(zhuǎn)差率；g0為帶式輸送機(jī)開始動(dòng)作時(shí)耦合器的氣隙；g 為耦合器運(yùn)行時(shí)下氣隙。

此時(shí)耦合器輸出轉(zhuǎn)矩為帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

將式（2）等式兩側(cè)同時(shí)對(duì)t 求導(dǎo)，可以得到：

若啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)耦合器的氣隙不作調(diào)整，即dg/dt＝0，則式（3）變?yōu)椋?/p>

式中：s 為耦合器的轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速。

求解式（4）微分方程，得:

式中:C1為常數(shù)。

當(dāng)負(fù)載開始動(dòng)作時(shí)，若使耦合器的氣隙不變，耦合器工作在特性曲線的上升區(qū)，因此有:

由式（5）和式（6）可知，耦合器的輸出加速度a將以指數(shù)形式上升，以致造成對(duì)膠帶及輥筒極大的沖擊。因此，需在負(fù)載啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)改變耦合器的氣隙以調(diào)節(jié)耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩，將耦合器的輸出加速度穩(wěn)定在1 個(gè)區(qū)間內(nèi)，直到負(fù)載啟動(dòng)完畢，達(dá)到軟啟動(dòng)的效果。可設(shè)定軟啟動(dòng)時(shí)間為tstart，進(jìn)而求得軟啟動(dòng)的期望平均加速度為：

式中：ar為啟動(dòng)過(guò)程中的期望平均加速度；nN為耦合器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

耦合器的氣隙g 由角行程電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行控制，氣隙調(diào)節(jié)為勻速，即:

式中:TZ為角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從0%到100%開度的時(shí)間，s。

將式（8）代入式（3），有:

為對(duì)帶式輸送機(jī)不造成沖擊，令帶式輸送機(jī)以恒定的加速度進(jìn)行軟啟動(dòng)，即：

角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)角與實(shí)際開度的關(guān)系為:

式中:θ（t）為角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)角，rad；c（t）為角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出開度實(shí)際值。

永磁耦合器氣隙與角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)角的關(guān)系為:

式中：θ 為角行程機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)角，rad。

由式（11）和式（12）得：

式中：c 為執(zhí)行器開度。

由式（10）和式（13）得:

根據(jù)式（14），軟啟動(dòng)過(guò)程中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度調(diào)節(jié)率可取:

式中：kI為積分控制系數(shù)；△c 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度的增量；為啟動(dòng)過(guò)程中的期望平均加速度。

基于恒轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)數(shù)學(xué)模型分析，可得到耦合器軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。帶式運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)流程圖如圖15。

帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)流程分為以下步驟：

1）啟動(dòng)電機(jī)，此時(shí)永磁耦合器處于最大氣隙位置，只能傳遞很小的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)空載啟動(dòng)，減少電機(jī)峰值電流持續(xù)時(shí)間，削弱電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中電網(wǎng)的壓降。

2）永磁耦合器處于大氣隙時(shí)，其傳遞轉(zhuǎn)矩不能帶動(dòng)負(fù)載，永磁耦合器的輸出轉(zhuǎn)速加速度為0，經(jīng)過(guò)PID 調(diào)節(jié)器對(duì)信號(hào)的處理，永磁耦合器的氣隙迅速減小，直到永磁耦合器輸出端動(dòng)作，此時(shí)根據(jù)調(diào)速型永磁耦合器的數(shù)學(xué)模型計(jì)算此次啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)永磁耦合器的輸出端轉(zhuǎn)速及氣隙大小，計(jì)算出永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩，并將計(jì)算結(jié)果和T1進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比后計(jì)算出轉(zhuǎn)速的加速度，經(jīng)過(guò)PID 調(diào)節(jié)器后對(duì)永磁耦合器的氣隙進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)，使永磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩維持在T1，維持帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)速加速度。

4）當(dāng)帶式輸送機(jī)的帶速達(dá)到額定后，調(diào)速型永磁耦合器將會(huì)到最小氣隙狀態(tài)下運(yùn)行。此階段控制器將會(huì)根據(jù)本次啟動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)與設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，修正PID 控制參數(shù)。

5）帶式輸送機(jī)停機(jī)后，調(diào)速型永磁耦合器的氣隙將會(huì)調(diào)節(jié)至最大狀態(tài)，保證下次啟動(dòng)時(shí)電機(jī)可以空載啟動(dòng)。最終可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)加速度低于0.25 m/s2。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）煤礦全永磁電機(jī)系統(tǒng)可大幅減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度，提高運(yùn)行效率及穩(wěn)定性。其中永磁同步電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)50～100 r/min 低轉(zhuǎn)速直驅(qū)，且傳動(dòng)效率可達(dá)97%；永磁耦合器應(yīng)用于電機(jī)傳動(dòng)環(huán)節(jié)，高效傳動(dòng)的同時(shí)為電機(jī)提供有效的機(jī)械保護(hù)；永磁減速器應(yīng)用于電機(jī)傳動(dòng)環(huán)節(jié)替換傳統(tǒng)齒輪減速器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、可過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2）以永磁耦合器為例進(jìn)行多物理場(chǎng)解耦分析，在非均勻磁場(chǎng)方面，可以發(fā)現(xiàn)銅盤厚度最優(yōu)為6 mm，占空比0.75 時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩最大，相同轉(zhuǎn)差情況下技術(shù)越多磁場(chǎng)傳遞轉(zhuǎn)矩能力愈強(qiáng)。同時(shí)，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩傳遞能力與氣隙成反比。

3）旋轉(zhuǎn)離心流固耦合風(fēng)冷溫度場(chǎng)分析方面，在負(fù)載卡死產(chǎn)熱量最大情況下，散熱片最高溫度為58.67 ℃，溫度處于安全范圍內(nèi)；同時(shí)，分析了不同熱損耗、不同型號(hào)永磁耦合器的溫度變化規(guī)律，可知溫度隨熱損耗增加而升高。

4）針對(duì)高精實(shí)時(shí)調(diào)速機(jī)構(gòu)力學(xué)分析方面，對(duì)氣隙調(diào)節(jié)過(guò)程中齒輪齒條受力進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到齒輪強(qiáng)度、調(diào)速溝槽接觸應(yīng)力等滿足應(yīng)力及材料變形量要求。

5）建立了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載軟啟動(dòng)調(diào)控?cái)?shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算分析，得到軟啟動(dòng)控制策略及軟啟動(dòng)調(diào)控流程，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)加速度低于0.25 m/s2。