矿用直驱系统用筒式同步型永磁耦合器特性研究

王 雷

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

永磁同步电机直驱系统通常采用电机与负载硬连接的方式运行[1-2]，尚无有效的机械保护设备，整套驱动系统的保护只能依赖变频器提供的过流保护，一旦变频器过流保护出现故障，保护动作不及时，电机将过载烧毁[3]。而同步型永磁传动装备输入端和输出端同步运行，对与运行转速解耦，可实现直驱电机系统的无损传递，且在过载时打滑保护电机，避免电机过载，具有明显优势[4]。

目前，同步型永磁传动装置目前多用于水下机器人解决动密封问题。薛力铭[5]等人将屏蔽技术与永磁耦合技术相结合，形成屏蔽式永磁耦合器，构建水下机器人动力静密封传输装置，实现水下机器人动力静密封传输的永磁耦合对策的可行性；于雅莉等人[6]采用解析方法对带隔套同步型永磁耦合器进行了磁场相关计算，并基于三维仿真方法进行了横向对比，验证解析计算准确性，为后续水下推进器用磁力耦合器的进一步优化设计提供了坚实的理论依据。张铎等人[7]分析了转速和隔离套厚度对涡流损耗的影响，并对磁体厚度、长度等参数对转矩传递性能影响规律进行了研究，为磁耦合推进器的设计提供了一定的借鉴意义。但是以上研究主要集中于水下机器人带隔离套同步永磁耦合器，且设计方法多借鉴了电磁电机、磁力轴承、特种电磁机构等，尚无针对于无隔离套、无损传动的双磁盘永磁传动性能相关研究，缺少直驱电机系统传动应用的相关理论支持，还需开展进一步的深入细致研究。为此以1 台185 kW 矿用筒式同步型永磁耦合器为研究对象，主要探究无隔离套情况下双磁盘直接传动情况下磁场传递扭矩、轴向力以及应力分布、过载打滑热损耗及温升等不同关键特性，探索其应用于煤矿直驱电机系统的理论基础。

1 同步型永磁耦合器结构

筒式同步型永磁耦合器结构示意图如图1，耦合器结构对称分布，主动盘与被动盘皆为永磁体盘，两盘永磁体的磁场在气隙中耦合，把磁能转化为机械能，实现扭矩传递。

图1 同步型耦合器结构图Fig.1 Structure diagram of synchronous couplers

同步型耦合器传动模型如图2，当主动极以速度v 运动时，主动磁极（主动转子上的永磁体）与从动磁极（从动转子上的永磁体）产生的作用力P1和P2在运动方向上的分量是相叠加的，而垂直于运动方向上的分量则方向相反基本抵消。因此从动磁极在平行于运动方向的力的分量作用下，随主动磁极以同样的速度v 运动，实现了运动和力的传递。

图2 同步型耦合器传动基本模型Fig.2 Transmission basic model of synchronous couplers

筒式同步型永磁耦合器的优点即可实现主动转子与从动转子同步旋转，无转差，即使主动转子与被动转子气隙增加也能保持转速不变，只有当主动转子与被动转子间的气隙增加到一定程度后，2 个转子间的传递转矩不能满足负载需求，从动转子会立即停止转动，实现过载保护，但是过载保护时间不可过长，否则永磁体会有烧毁的风险。由于筒式同步型永磁耦合器动态性能较好，启动转速不随两盘间距的变化而变化，只要负载在有效范围内，都可顺利启动，同时非接触式传动可解决安装对中难题。

为保证筒式同步型永磁耦合器应用于直驱电机系统情况下的扭矩传递性能，且受力均匀合理、过载温升可控，过载保护特性合理，需要对同步型永磁耦合器的磁场、结构力学及温度场进行仿真计算，保障各物理场在许可范围内，以期实现可靠稳定无损传动功能。

2 磁场仿真

筒式同步型永磁耦合器多采用表贴式结构，为防止转子运行过程中永磁体与转子脱离，需要采用不同方式对永磁体进行固定，常用的方法有螺栓固定、碳纤维护套固定等。本台永磁耦合器采用凸形永磁体结构，利用凸台对永磁体进行保护。永磁体上沿为24 mm，下沿21 mm，充磁方向长度为25 mm，永磁体布置示意图如图3，外套安装筒及内套安装筒厚度分别为8 mm 和26 mm。永磁体在圆周方向20 块均布。

对于筒式同步式永磁耦合器，其运行过程中的传递转矩可以用式（1）来表示：

式中：T 为永磁耦合器的传递转矩；Tmax为永磁耦合器的最大传递转矩；p 为永磁耦合器的级对数；θ 为永磁耦合器内外套中轴线之间的夹角。

图3 永磁体布置示意图Fig.3 Schematic diagram of permanent magnet layout

在静止状态下，同步型永磁耦合器之间的夹角为0°，两转子之间的作用力无切向分量。在运行过程中，θ 随负载的变化而自适应变化，即永磁耦合器的传递转矩随负载变化。当pθ=90°时，永磁耦合器传递转矩达到最大值。对于研究的同步型永磁耦合器，在圆周方向上永磁体20 块均布，永磁耦合器的级对数为10。可知当θ=9°时，永磁耦合器可以传递最大转矩。

设置内外转子对应永磁体之间的夹角为9°，可以得到永磁耦合器的最大传递能力，永磁耦合器轴向长度为1 m 时的传递能力为为17.96 kN·m，当永磁耦合器的轴向长度为150 mm 时，可以计算得到此时永磁耦合器的最大传递转矩为2 690 N·m，满足185 kW 永磁电机的过载需求。

永磁体输出磁力线分布云图如图4，可以看出磁力线云图与磁密云图分布对应程度高，且圆周分布规律明显。外圈永磁体与对应的内圈永磁体组成1 个磁极，磁力线封闭于外圈钢盘内，红色区域及蓝色区域为磁力线密集区，即磁密大的区域，红色与蓝色代表磁力线方向不同。同时，永磁体凸起处磁力线密度大，这是由于为保证永磁体镶嵌于钢盘内在离心力作用下避免甩出，专门做成滑槽型式卡住永磁体，而永磁体为安装于槽内多出的部分漏磁较多，故其磁密大、云图显现颜色较深。而磁力线较少的部分，在磁密中便为蓝色显示，表示磁密度低，磁力线分布及磁密分布合理。由于本台筒式永磁耦合器为同步式，正常运行时内外套之间相对转速为0，所以无涡流损耗出现，即没有温升，永磁耦合器一直保持室温运行。

3 安装受力

图4 永磁体磁力线分布云图Fig.4 Cloud map of magnetic field line distribution

由于筒式同步型永磁耦合器结构主体为永磁体与钢套，安装过程存在一定吸力，为确保安装过程安全可靠，需要进行安装过程中永磁体受力分析[8-9]。分别对内磁套及外磁套安装第1 块永磁体、第2块永磁体及最后1 块永磁体时的受力进行了计算。安装第1 块永磁体时磁场矢量图及磁密图如图5。安装最后1 块永磁体时磁场矢量图及磁密图如图6。

图5 第1 块永磁体磁场矢量图及磁密图Fig.5 The first permanent magnet magnetic field vector diagram and magnetic density map

当永磁耦合器内磁套安装第1 块永磁体时，永磁体径向吸力约为23 N，轴向吸力约为35 N。当永磁耦合器内磁套安装第2 块永磁体时，永磁体径向吸力约为19 N，切向吸力约为11 N，轴向吸力约为44 N。当永磁耦合器内磁套安装最后1 块永磁体时，永磁体径向吸力约为17 N，轴向吸力约为45 N。

当永磁耦合器外磁套安装第1 块永磁体时，永磁体径向吸力约为46 N，轴向吸力约为22 N。当永磁耦合器外磁套安装第2 块永磁体时，永磁体径向吸力约为41 N，切向吸力约为9 N，轴向吸力约为33 N。当永磁耦合器外磁套安装最后1 块永磁体时，永磁体径向吸力约为39 N，轴向吸力约为35 N。

图6 最后1 块永磁体磁场矢量图及磁密图Fig.6 Magnetic vector diagram and magnetic density diagram of the last permanent magnet

当内外磁套开始组装时，2 个磁套之间的轴向力约为1 000 N，当出现不对中达到1 mm 时，内外磁套之间的径向力为320 N，此时作用力较大，需要工装进行固定安装，以防出现安装事故。内外磁套组装时磁场矢量图及磁密图如图7。

综合来看，永磁体安装过程所需用力较小，可以正常安装，而内外磁套组装时作用力较大，需要特定工装进行安装。

4 过载温度

永磁耦合器应用现场存在负载过大或卡死问题，此时永磁耦合器将出现高温升，为避免温升故障的发生发生，需对过载运行温度进行计算[10-11]。当永磁耦合器输出端卡死时，永磁耦合器的传递转矩将一直按照式（1）变化，引起电机的输出转矩也随之变化，电机在半个周期内电动运行，另半个周期会发电运行。当永磁耦合器输出端卡死时，永磁耦合器的损耗约为40 kW，磁场损耗曲线如图8。

使用ANSYS Workbench 进行联合仿真后，按照经验公式设置散热系数，永磁体温度分布如图9。

图7 内外磁套组装时磁场矢量图及磁密图Fig.7 Magnetic field vector diagram and magnetic density diagram during assembling inner and outer magnetic sleeve

永磁耦合器永磁体的温度最高为114 ℃，选用牌号为N45SH 的永磁体不会出现不可逆退磁，且当温度上升时，永磁体的性能出现下降，使永磁耦合器的最大传递能力出现下降，同时减少了涡流的损耗，降低永磁体的温升。本次进行的永磁耦合器额定传递功率满足设计需求，过载系数在2.0 以上，满足过载运行需求。

5 结 语

1）针对185 kW 直驱电机系统，同步型永磁耦合器采用10 对级永磁体排布，在θ=9°情况下，磁场可实现2 600 N·m 扭矩传动，满足系统传动需求，且磁场分布及磁密分布合理。

2）对筒式同步型耦合器安装过程进行了磁场及受力分析，永磁体安装所需用力在许可范围内，可以实现安全可靠安装，而内外磁套安装时需要特定工装。

图9 永磁体温度分布Fig.9 Temperature distribution of permanent magnet

3）对同步型耦合器进行过载温度场分析，最高温升114 ℃，此时高温将降低永磁体磁性，耦合器传动能力下降，有利于保护电机，同时可实现2.0 过载倍数，保证直驱系统电机顺利启动。