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永磁传动器技术简述

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       永磁调速(永磁传动)是传动史上的一场革命,其结构简单、运行可靠、节能降耗的特点很好的应用于现代化工业中,其主要应用于石油、石化、电力、矿山、钢铁、化工、水泥等行业的电机拖动系统节能。

       1. 结构组成

       调节器调节筒形永磁转子与筒形导体转子在轴线方向的相对位置,以改变永磁转子和导体转子耦合的有效部分,即可改变两者之间传递的扭矩,能实现可重复的、可调整的、可控制的输出扭矩和转速,实现调速节能的目的。

       永磁传动器主要由三个部件组成:永磁转子、导体转子、调速机构。

       2.技术特点

       平滑无级调速,调速范围0-98%,实现高效节能,节电率为10-50%

简单、可靠,机械结构,无需外接电源柔性启动,减少电机的冲击电流,延长设备使用寿命隔离振动,无机械连接安装简便,容忍较大的对中误差能适应各种恶劣环境,包括电网电压波动大、谐波严重、易燃易爆、潮湿、粉尘等场所延长传动系统各主要部件(轴承,密封等)的使用寿命,降低维护成本绿色环保,无谐波,无污染物、无EMI(电磁波)干扰问题使用寿命长,可达30年投资效益高,投资回收快。

       3.柔性启动

       1)对于大型带式输送机,其对驱动系统的要求主要体现在启动、制动过程中能**大限度的降低系统的惯性力,并能实现过载保护和负载平衡,将带式输送机的加速、停车和运行时的胶带张力减到**小。永磁传动器的性能完全满足这些要求,使大型带式输送机的性能达到**好。而由传统的电动机、减速器所组成的驱动装置在启动和停车过程当中输送带的带速随着电动机的转速变化而快速变化,加剧了输送机本身的振动,增大了系统的惯性力,特别是在输送带满载情况下启动更为困难,因此传统的驱动系统已经不能满足长距离、大运量的大型带式输送机需求。

       2)一条皮带可以由一台电动机及一套永磁传动器驱动,也可以由多台电动机及多套永磁传动器驱动。驱动电动机在皮带机启动之前空载启动,此时永磁传动器的输出轴保持不动,当驱动电动机达到满转速时,控制系统逐渐减小每台永磁传动器的气隙,启动皮带机并逐渐加速到满速度。这使得皮带机在被加速至满速度之前有一个缓慢而均匀的预拉伸过程。

       3)加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。启动驱动电动机可以按顺序空载启动,所以电动机的冲击电流非常小。由于驱动电动机可以根据运行负载进行选择而不必根据启动负载选择,所以永磁传动器驱动系统可以选用功率较小的电动机。同样控制皮带机的停车过程中,永磁传动器也可以通过延长停车时间来降低对胶带的动态冲击力。

       4)当驱动系统中有多台永磁传动器时,控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载。合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。功率平衡是通过控制每台永磁传动器的气隙,并允许一台或几台永磁传动器进行轻微滑差来实现的,系统中的任何负载的增加都引起永磁传动器产生滑差,这样驱动系统的所有部件、轴承和齿轮等都将在冲击或者过载时受到保护从而延长其使用寿命。

       大功率电机系统的启动问题一直困扰用户的**大难题,因为电机系统在启动时,基本上可以看作是满载启动,电机在合闸瞬间,启动电流超出额定工作电流的十几倍甚至几十倍,使得变压器、配电设备短期严重过载,造成电压跌落(“黑电”)甚至启动失败,严重时还可能烧毁电机。电机启动过程短的持续几秒,长的达到几十秒,电机线圈严重发热,造成电机线圈提前老化,缩短电机使用寿命。

       4.高可靠性

       1)永磁传动器在启动负载之前驱动电机空载启动,电机达到额定的速度之后,通过控制系统使每台永磁传动器气隙逐渐缩小来缓慢、平稳地对输送带进行张紧,输送带平稳地加速到全速;使带式输送机在重载工况下可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动;使输送带的启动非常平滑,速度由**逐渐缓慢上升,加速度为连续的,实现了无冲击的软启动。

       2)永磁传动器不仅降低了电动机的启动电流,减小了电动机的热冲击负荷及对电网的影响,从而节约电能并延长电动机的工作寿命,而且极为有效地减小了启动时传动系统对输送胶带的破坏性张力,消除了输送机启动时产生的振荡,还能大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲击,延长胶带、托辊等关键部件的使用寿命,保证了设备的安全可靠运行,有效地降低了设备维修及故障时间成本。

       3)使用永磁传动器时,因电机的选择是基于运动条件而不是启动条件,因而可使电机的功率及尺寸减小到**小,也能够减少不必要的设备投资和运行电费。

       4)使用永磁传动器系统,可防止输入到带式输送机的功率及力矩超过安全限度,以保证带式输送机过载时不能运行,从而保护该系统的其他部件;

       5)永磁传动器启动系数为1左右,所选择胶带的强度可降低30%左右。

       5.环境适应力强

       1)室外恶劣环境:永磁传动器的主要元件为铜盘和永磁盘,永磁材料能在恶劣的环境温度下保持强磁场特性,在地球上的极限环境温度不会超过±100℃,永磁传动器可以在这种环境温度下工作。

而一些电子装备,如变频器,为了降低设备故障率,必须保证温度和湿度恒定在某个范围,因而需要使用专门的房间,防静电、安装精密空调等,增加了安装成本,增加了电能消耗,增加了维护需求和成本。

       2)肮脏的环境:永磁传动器是无直接机械连接的调速装置,**小气隙为3mm,一般能在空气中飞扬的尘粒直径不会大于该尺寸,所以,它可以用于空气中粉尘较高的环境,如水泥厂、矿山等;当粉尘厚度导致机械摩擦时,可用高压水枪冲洗。而电子或电气式的调速装置必须在洁净环境工作,因此对机房环境防尘要求很高。

       3)易燃易爆环境:永磁传动器是机械式的、无摩擦传递扭矩的调速装置,除执行机构使用较弱电力需要采用防爆结构外,主功率部分绝不会产生火花或静电,因而在易燃易爆环境下使用较为安全。适合于煤矿、油田、油船、军械库、化工、矿井、高浓度粉尘工厂等使用的皮带机、破碎机、水泵、风机、鼓风机、油泵等设备。电子或电气式设备,工作过程中易产生静电,火花甚至燃烧,不能在易燃易爆环境下使用,否则带来安全隐患。

       4)高可靠要求环境:因为永磁传动器元件数量少,可靠性高,因而可用于对可靠性要求高的环境,如消防、远洋轮船、海军舰船、潜艇等。复杂的电子或电气装置不适宜于对可靠性要求高的使用环境。美国海军在油轮、潜艇和航母上使用永磁耦合器。

       6.无电磁干扰

       通常通过电子或电气实现调速的装置,基本都要通过改变电机输入的电流频率或波形来实现,如大功率或高压变频器一般采取可控硅整流输入,通过PWM直流斩波实现输出频率变换,因此有很大的谐波电流。电力谐波是电力网的严重污染,按照国家电力质量标准,用电设备对电网造成的总谐波电压不得超过5%,谐波电流对每次都有严格的限值,等效为总谐波电流也在5%~8%左右,如果超过标准规定,将需要加装高成本的有源谐波滤波器,否则将会受到电力部门的处罚,从而大幅增加安装总成本。

       谐波电流电压,因为有高于50Hz基本分量,能造成电器元件的发热损耗,严重者能造成设备误动作,造成功率因素补偿电容烧毁、熔断器熔断、空气或断路器开关跳闸。

       大家知道,电动机负载是感性负载,而永磁传动器为机械式调速装置,与电性能无关,因而,调速过程不会造成电流谐波,其功率因素取决于电机本身,这种功率因素问题仅利用配电系统中的电容补偿柜就可以补偿,不增加额外的成本。

       电子产品或多或少都会产生电磁干扰,通常变频器的电磁干扰比较严重,在电磁兼容环境要求高的地方,为此需要巨大投资进行电磁兼容治理。永磁传动器不会产生电磁干扰。电机不会过热,也不需更换和改造电机。从电机转速改变的三个因素:频率、极对数和滑差来看,改变任何一个要素将导致电机转速改变。

       现有的调速装置,除永磁调速和液力调速技术外,基本上都是通过改变电机本身的转速实现调速的。我们知道,电机在运转过程中,因电能消耗,电机线圈、硅钢片、机械摩擦都会造成电机发热,因此,电机内部都设计了风叶用以冷却电机。采用改变电机转速的技术,包括变频器、串级调速、双馈调速,在电机低速旋转时,电机的发热都很大,有时不得不使用外部风扇帮助散热。

       永磁传动器是通过改变电机与负载之间的滑差实现调速的,也就是说,电机转速始终维持设计转速,因此不会因为电机转速下降导致电机过热。

       变频器调速,因为变频器产生的正弦波实际是由方波叠加而成,高次谐波很多,电流的趋肤效应导致电机线圈发热,影响绝缘强度,应该更换绝缘等级更高的电机,如果不更换,电机的可靠性将大大下降,甚至造成绝缘击穿损坏,采用永磁调速技术,不会改变电机的输入电压、电流和频率,因此不会要求改造原电机系统。降低维护成本延长系统设备寿命。

       电机系统的故障主要原因是振动,振动会导致轴承、油封等的加速磨损,也会导致基座、管道接头、紧固件等松动或断裂或破损,振动还会导致产生强烈的噪声。

       7.降低振动噪音

       1)电机与负载设备连接时,轴不同心或有一定角度误差;

       2)减速机, 皮带机运行发生的振动;

       3)机械设备的固有频率的共振等等。

       除永磁传动器外其他的调速或调节装置,如CST、变频器、等,因为不改变电机与负载设备的连接,因此在安装过程中必须保证其轴的同心度,这种误差会直接影响电机系统的振动。

       永磁传动器因为采用气隙传递扭矩,电机与负载设备之间没有刚性连接,且在机械冲击过程中具有通过滑差实现缓冲,因此极大减小了振动和噪音。

       8.功率范围

       截止2016年底整个永磁驱动行业,风冷型永磁传动器**大功率设备可做710kW、1000r/min;水冷型永磁传动器**大功率设备可做3000kW、1500r/min。

       9.对比

       1)优势对比:永磁传动器调速范围0-98%;变频器不能在低速下运行。永磁传动器结构简单、可靠,主体部分为机械结构,无需外接电源;变频器结构复杂,是纯粹的电器设备。永磁传动器使电机和负载分开,无机械连接,隔离振动;变频器无此功能。永磁传动器安装简便,容忍较大的对中误差,占用空间小;变频器需要大的安装空间,并且对环境要求高。永磁传动器能适应各种恶劣环境,包括电网电压波动大、谐波严重、易燃易爆、潮湿、粉尘等场所;变频器不能用于上述环境。永磁传动器能延长传动系统各主要部件(轴承、密封等)的使用寿命,降低维护成本;变频器无此功能。永磁传动器绿色环保,无谐波,无污染物、无EMI(电磁波)干扰问题,变频器制造谐波,污染电网。永磁传动器使用寿命长,可达30年;变频器的寿命约为8年,且随着使用年限的增加,故障率逐年提高。永磁传动器维护保养工作量极小,运行成本低;变频器运行维护费高,配件贵,维护保养难度大。

       2)产品的对比:同等功率条件下,筒形产品比盘式产品重量轻,体积小,转动惯量小,效率更高; 筒形产品磁力方向为径向,所以允许有较大的轴向窜动,而盘式结构磁力方向为轴向,所以对轴向窜动要求很严;该特点对大功率高压电机很重要。

       3)风冷型和冷型:风冷型产品利用风流自动散热降温;水冷型产品需要外接水源冷却,水源要求必须为清洁水源,通常为电厂锅炉用除盐水。也需要有循环系统(水箱、泵)、冷却系统(换热器)、外部水冷却系统(泵)控制系统、反馈系统等等。风冷型、水冷型永磁传动器没有运行成本,维护成本低。


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