“利君杯”全国建材机械行业技术革新奖三等奖
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绕组式永磁耦合传动技术
2015/08/20 10:01
来源：江苏磁谷科技股份有限公司 徐俊峰
耦合传动是一种隔离传动方式，它允许电机（或其它原动机）单独空载起动，而后通过摩擦力、液力或磁力逐渐加载，带动负载。耦合传动方式使得系统的起动时间、起动转矩可控可调，并能隔离负载端的冲击，实现对电机（或其它原动机）的保护。，因此在工业领域得到广泛的应用。 ......
1、引言
耦合传动是一种隔离传动方式，它允许电机（或其它原动机）单独空载起动，而后通过摩擦力、液力或磁力逐渐加载，带动负载。耦合传动方式使得系统的起动时间、起动转矩可控可调，并能隔离负载端的冲击，实现对电机（或其它原动机）的保护。，因此在工业领域得到广泛的应用。
无论是摩擦片式耦合器、液力耦合器还是磁力耦合器，都遵循以下能量传递公式：
P1=P2+sP1
其中：
P1为驱动端功率；
P2为负载端功率；
sP1为转差功率
s为转差，s=（n1-n2）/n1
转差功率的处理方法，直接影响到耦合传动的性能。
— 摩擦片式耦合器，转差功率消耗在摩擦片上，摩擦片发热，温度升高；
— 液力耦合器，转差功率消耗在液体里，液体发热，温度升高；
— 目前的涡流式永磁耦合器，转差功率消耗在铜导体上，铜导体发热导致耦合器温度升高。
因此，这些耦合器都不太适合于长时间、大转矩起动的场合。而涡流式永磁级耦合器具有结构简单可靠、维护较为方便等优点，在风机、水泵等应用场合具有一定的实用性。
图1 涡流式永磁耦合器
涡流式永磁耦合传动有以下不足之处：
— 铜盘（或铜环）温升高，需要冷却，调速范围越大，速差就越大，则温升越高，特别是堵转时温升迅速上升需及时断开保护；
— 不适合重载起动，速差大时传递扭矩小；
— 传动效率随调速范围线性减低；
— 转差越大，节能效果越不明显；
— 不适合恒转矩调速；
—操作机构和温升冷却系统不可少，整体结构臃肿复杂，可靠性降低 。
绕组式永磁耦合传动技术则彻底解决永磁涡流传动瓶颈技术“温升”问题，不但具有永磁涡流传动的优点而且还具有其根本不可能达到的功能（重载起动，大范围调速，效率高、恒扭矩传动等），大大扩展了永磁耦合传动的应用范围。
相对涡流式结构，绕组式永磁耦合传动具有以下明显优点：
— 无机械执行机构，结构更简单，电子操作更快捷可靠；
— 彻底解决涡流温升问题；
— 重载软起动性能更好，提高起动转矩2～3倍；
— 通过控制绕组中的电流，实现精确的转矩控制，如恒转矩控制，或预先 设定的任意转矩曲线控制；
—通过检测绕组中的电流，实现精确、快速、方便的保护。
2、绕组式永磁耦合传动技术介绍
2.1 绕组式耦合传动技术简介
图2 绕组式永磁耦合器
永磁转子3和绕组转子4构成类似永磁电机（永磁发电机），只要两者之间有速差，在绕组中产生感应电动势。控制单元接通则产生感应电流，产生扭矩传动，相当于离合器的合；控制单元断开无感应电流产生，不传递扭矩，相当于离合器的离；控制单元控制感应电流的大小，则可控制传递扭矩的大小，进而控制速度的大小，达到软起动和调速作用。
2.2 绕组式永磁耦合离合器和软起动器
图3 绕组式永磁耦合传动离合功能和软起功能原理框图
采用绕组式永磁耦合传动技术可以作为离合器或软起动器，取代液力耦合器。从原理上具有以下优点：
—几乎免维修；
—起动转矩可精确调整；
—操作非常方便；
—温升低，起动转矩可提高3倍以上。
2.3 绕组式永磁耦合调速器
图4 绕组式永磁耦合传动调速功能原理框图
采用绕组式永磁耦合传动技术还可以作为调速器，取代变频调速器，主要特点如下：
— 调速范围宽、平滑、无级：在同步转速以下，实现用户要求的最低转速至99%额定转速间平滑无级调速，且机械特性硬；
— 高效率的调速性能：因为变流控制的功率只是总功率的一部分（滑差功率），不像变频器是控制的全部功率，因此自身的功耗比变频器小，一般效率比变频器高2~4个百分点，系统综合效率在全转速范围内都能保持在96%以上，节电率很高；
— 高精度的转速控制：系统的静态精度≥99.8%，完全满足各类负载对转速精度的要求；
— 技术原理带来的高可靠性：变流装置仅控制总输入功率的14.8%（泵、风机类负载），仅承受绕组转子回路的低电压，系统可靠性得到保证；变频控制的功率小，因而变流产生的谐波也小，远低于国家标准要求，一般无须加滤波器；
—灵活方便的控制方式：可实现开环运行与闭环运行、本地控制与远程控制。可方便实现与DCS系统或其它计算机网络连接。
— 完善的保护措施：全面完善的保护和闭锁措施。当系统故障时，用户可选择全速运行或负载停车，同时因为永磁耦合调速器具有离合功能，所以负载停车时原动机或驱动电机不必停机；
— 具有优异的起动性能：一般的，异步电动机起动转矩远远小于其最大转矩。在重载起动场合，永磁耦合调速器允许电机空载起动，利用电动机的最大过载转矩而不是起动转矩来起动负载，从而无需采购特殊的大起动转矩的驱动设备；
— 优异的过载能力和过载保护功能：过载能力可设置成等于原动机或驱动电机的过载能力，过载保护大小可任意设定；
— 系统结构简单、尺寸小，控制容易，对环境要求低，一般厂房的自然环境即可；
—非接触传动，不传递热振动和噪声，抗冲击性能强，维护费用低，日常维护少，使用寿命长。
3、结论
绕组式永磁耦合传动是涡流式永磁耦合传动的升级换代产品，其优异的离合和软起动性能完全可取代液力耦合器，而在调速方面则具有变频调速所不具备的一些优异特点。作为一种隔离传动技术，在工业领域的技术优势非常明显，具有非常广泛的发展前景。
编辑：陈宗勤
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