非电励磁高效节能机械传动装置的研究与应用计划任务书

1、项目编号：中国平煤神马能源化工集团科研项目计划任务书项目名称： 非电励磁高效节能机械传动装置的研究与应用 承担单位： 平煤股份六矿 开发机构： 平煤股份六矿 起止年月： 2013年4月2013年11月 项目负责人： 徐建国 一、 立项依据和目的意义永磁调速器是透过气隙传递转矩的革命性传动设备,电机与负载设备转轴之间无需机械连结,电机旋转时带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在导磁盘中产生涡电流(Eddy Current),该涡电流在导磁盘上产生反感磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。随着煤矿井下各种开关功率器件以及其它非线性负载的

2、广泛的应用，导致谐波大量的注入电网，即电力污染。平煤股份六矿井上下通过变频器驱动的大功率异步电机越来越多，由于变频装置中整流和逆变部分采用的是变流技术，在工作时不同程度地产生了谐波，谐波的存在导致六矿井下电子设备及控制系统受干扰而无法正常工作，如井下馈电开关误跳闸和多次烧坏，主电机绕组也被击穿过，直接威胁煤矿井下供电和用电设备的安全。谐波污染问题日益突出，将对矿井的供电安全带来巨大的威胁，而供电安全与矿井安全息息相关，六矿在风机、水泵、传输带、提升机等处，使用了大量的传动装置，如：轴联接、液压耦合器、减速箱、变频器。永磁气隙耦合传动变速装置的功能和轴连接器、液压耦合器、变频器的功能即有很多共同

3、之处，但其结构简单、安装方便、高效节能和免维护是无可比拟的。特别是永磁气隙耦合传动调速节能装置能够在大部分场合代替变频器、软启动等电气装置，避免了谐波的产生，对矿井安全供电意义重大。该项目研究不仅为平煤集团其他煤业集团井下供电系统谐波治理提供了宝贵经验，而且适用于在其他矿山和工业企业供电系统谐波治理中使用，具有广泛的推广应用价值。二研究内容和技术方案 1、主要内容与实施方案：六矿在风机、水泵、传输带、提升机等处使用了大量的传动装置、轴联接、液压耦合器、减速箱、变频器。最初设想采用永磁传动调速装置代替传输带上的减速器，既可以减少固定投资成本，又可以根据实际情况调节传输速度，根据研究得知，传输带上

4、的减速箱采用永磁齿轮更合适，但是永磁传动变速节能装置在国外也只有套筒式的永磁联接器和永磁气隙耦合传动变速装置，而国内永磁气隙耦合传动变速装置还是空白，国内外永磁齿轮传动也只是在理论研究当中，为了安全可靠，先易后难的原则，我们选择了先研制一台37KW永磁气隙耦合传动变速装置用于清水泵房联轴器的改造。该项目包括了以下主要研究内容：1）调研国内各类传动装置现场使用情况和优缺点的对比分析。2）针对六矿清水泵房备用泵，研制一台37KW永磁气隙耦合传动调速节能装置。3）永磁气隙耦合传动调速节能装置应用和推广。 2、技术方案：2.1技术方案组成调速型磁力耦合器系统技术方案如图1所示，由调速型磁力耦合器本体，

5、气隙调节执行器和控制器组成。电机与负载通过调速型磁力耦合器连接，执行器接收控制器的信号并响应执行气隙的调节，通过改变磁力耦合器的气隙长度，改变耦合力矩，调节转矩。控制器综合处理磁力耦合器温度，驱动负载的流量，压力等信号，根据运行环境的要求，运用适当的控制策略进行控制和保护。 图1 系统技术方案组成2.2控制系统方案控制系统包括CPU单元、模拟量模块（A/D、D/A模块）、液晶显示屏、后台监控。框图见图。图、控制系统框图（）单元是系统的核心，实现信号处理计算、通讯等。将用户设定的流量、压力信号与变送器反馈信号进行比较，经过调节，输出信号经过模块到电动执行器。的通讯是与液晶屏进行实时数据交换，同时

6、也与后台监控进行数据交换。（）模拟量模块完成将压力或是流量变送器信号（）转换成数字量，同时将计算后的数字信号转换成模拟量信号（），满足电动执行器接口需求。（）液晶显示屏显示磁力耦合器的位置、转速等参数。同时将用户设置的参数传递给。（）后台监控满足了用户远程监视和控制磁力耦合器的运行状态的要求。2.2.1控制器功能控制器可以实现手动控制、自动控制功能。a、手动控制。 手动控制包括执行器断电时操作手轮操作机构及带电时操作控制板上的上升、下降按键。执行器断电时可以用手轮操作执行机构，操作前需将手动/电动切换手柄向手轮方向切换到手动位置，再转动手轮便可进行手动操作。上电时离合器手柄自动复位，此时手轮不

7、能操作。切换手柄为电动优先结构。b、自动控制。自动控制是根据系统中流量、压力信号，自动调节电动执行机构的角度行程。控制器采集流量、压力信号与用户设定值进行比较，经过PID调节，控制器输出4-20mA信号至电动执行机构，达到恒压或是恒流量的目的。c、本地/远程控制。控制器可以本地手动或是自动操作，也可远程通讯控制。2.2.3运行保护a、过温保护。当磁体温度过高时报警或是降低负荷运行，超过最大设定值将停机。b、电动执行器限位保护。执行器设有内置限位程序，可限制工作的极限位置。2.3主要技术指标本产品可在一般环境及带粉尘、有腐蚀、高温、低温、易燃易爆、电压不稳及雷电等恶劣环境下使用。环境温度：-40

8、 +50；温升：90海拔高度：1000m；相对湿度：日平均值不大于100%转速: 0至3000rpm额定功率:37kW2.4电磁方案2.4.1电磁方案组成图 磁力耦合器电磁结构磁力耦合器的主要部分由图所示，由主动盘、传动磁盘、铜盘和永磁体组成。其中，主动盘连接电机端提供动力，传动磁盘连接负载端传递动力，铜盘与永磁体相互旋转感应涡流，提供非接触式的电磁传动。2.4.2试选方案采用不同极对数，铜盘厚度，磁体厚度等参数，试选电磁方案，寻找参数对转矩影响。 图力矩计算的多方案对比图中，p为极对数，t为铜盘厚度，mag为永磁体厚度，从图6的对比来看，得到如下结论：（1）在一定范围内，极对数较多的电磁方案

9、，所获得转矩较高；（2）磁体厚度较厚的方案，所获得转矩较高，然而磁体用量较多（3）铜盘较薄，在高速段所获得的转矩较高，而低速段趋于一致。根据以上结论，可优选适合的电磁方案2.4.3电磁仿真分析采用先进的有限元计算软件对转矩进行计算,转矩应能满足输出的要求,如图8所示. （a）磁场分布1 （b）转矩曲线（c）磁场分布2 (d)转矩曲线图不同工况的转矩曲2.4.4转矩曲线对多工况计算出转矩形成转矩特性曲线,其电磁力矩特性如图。 图电磁转矩特性曲线2.5结构方案论证2.5.1结构方案组成该磁力耦合器主要由磁力盘，轴，内、外套筒，传动套筒，力矩传递机构，轴承等部件组成。结构布置图见图，。2.5.2结构

10、方案论证a)强度分析传动盘产生力矩，通过三根导向杆把力矩传递给中间转盘，通过有限元分析，能强度能满足力矩传递的要求 (a)传动盘装配图 图磁力耦合器总装图图10 导向杆装配图图转轴及附件装配b)轴向力的产生轴向力的产生有两个原因：其一，根据电磁分析，传动盘与主动盘间存在相互的吸引力；其二，气隙调节使传动盘产生加速度，也将产生轴向力的大小将直接影响轴承的选择。永磁传盘产生较大的轴向力，需产用高效优质轴承，以减小其影响在本方案中采用了进口的SKF轴承2.5.3发热与冷却分析损耗产生的热量主要集中在磁力耦合器的外转子盘上，同时根据转子盘的对称性，只选取一个外转子盘的1/12作为计算对象。根据实际结构

11、建立计算模型，计算模型中还包含磁力耦合器周围的空气部分。建模时忽略了散热器的连接螺栓。 (a)计算对象 (b)计算模型 图14 散热分析铜板钢板散热器最高温度959273最高温升504728平均温度908264平均温升453719从计算结果来看，设计方案能满足散热要求，并有较大裕量，但考虑到工况环境粉尘、油污、飘絮、狭小空间等恶劣使用环境的影响，实际使用温升可能和计算结果存在一定差异，因此，此温度裕量也是合理的。三新产品市场技术应用前景预测我们针对六矿清水泵房备用泵，研制一台37KW永磁气隙耦合传动调速节能装置。实现了新技术的综合运用目标，并且取得了很好的使用效果和安全效果。对新技术的开发和研

12、究起到积极的推动作用，取得了多个创新记录。现就非电励磁高效节能机械传动装置研究与应用所取得的效果和社会效益汇总如下：3.1项目的特色1）节能效果：25%66% 2）维护工作量小，几乎是免维护产品，维护费用极低。 3）允许有较大的安装对中误差（最大可为 mm），大大简化了安装调试过程。 4）具有过载保护功能，从而提高了整个系统的可靠性，完全消除了系统因过载而导致的损坏。 5）提高电机的启动能力，减少冲击和振动，协调多机驱动的负荷分配。 6）调速型可在电机转速基本不变的情况下实现输出转速的无级调节。 7）使用寿命长，设计寿命为 30 年。并可延长系统中零部件的使用寿命。 8）易于实现遥控和自动控制

13、，过程控制精确高。 9）结构简单，适应各种恶劣环境。对环境友好，不产生污染物，不产生谐波。体积小，安装方便。3.2项目的创新点设计的永磁气隙调速高效节能装置有如下先进性。1）稀土永磁材料的应用。主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的35倍 ，永磁铁氧体的810倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承、磁力耦合器等的磁系统。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于

14、磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。2）采用先进的有限元计算软件对转矩、温升、结构强度等进行计算，计算精度高，节能效果好。3）气隙调节装置的一体化设计结构，具有结构紧凑，体积小，重量轻的优点，特别适合于小功率传动的应用场所。4）控制器内置限位保护程序，能有效保护电机与负载在非正常工况下不受伤害，延长设置的使用寿命。5）采用自支撑的刚性结构，防止因电磁轴向力引起的电机与负载的轴向位移或滑动，大大减小了轴系对中，设置安装的难度。3.3 经济社会效益符合国家安全、环保、资源利用、技术政策的依据；经济效益、社会效益分析预测；推广应用前景或市场需求情况分析预测；该产品为高新技术产品，属于节能环保范

15、畴，符合国家安全、环保、资源利用、技术政策等方面的要求，不仅具有良好的经济效益，还有很好的社会效益。3.4推广应用前景在各个行业中广泛存在电力谐波源，污染电网的电能质量，从而影响正常的生产活动，不仅可能出现大量次品，还可能出现设备安全、人身安全等事故。整流器、充电器、电动汽车充电桩、高频开关电源等非线性电力设备是谐波源，电弧炉、电解槽、工业中频炉、电弧炉、电弧焊、电焊等工业行业用电负荷也是谐波源。现在大量普及应用的变频器、电力牵引机车等也将产生大量谐波。永磁气隙耦合传动调速节能装置能够在大部分场合代替变频器、软启动等电气装置，避免了谐波的产生，此外，能耗降至25%-60%范围对矿井安全供电和成

16、本控制意义重大。该项目研究不仅为平煤集团其他煤业集团井下供电系统谐波治理提供了宝贵经验，而且适用于其他矿山和工业企业供电系统谐波治理中使用，具有广泛的推广应用价值。四计划进度2013.4-2013.5完成清水泵房联轴器的改造方案。2013.6-2013.7研制一台37KW永磁气隙耦合传动调速节能装置。2013.8-2013.9根据清水泵房现场情况将现有的公共底座沿水泵底脚边缘处割开，将电机后移，留出安装耦合器的位置。2013.10-2013.11完成永磁气隙耦合传动调速节能装置。安装、调试、使用。五、资金安排1、研发费用：合计29万元（研发：200000，工费90000元2、 设备费用：56.

17、2万元（37KW水泵16000、电机1300元水泵基础改造费20000、控制箱（PLC）32000元、稀土永磁材料42000元、主动铝盘90000元、被动铜盘120000、轴4000元、支撑轴承架25000元、电动执行机构150000元、变送器50000）。合计：85.2万元六实现本项目目标具备的条件1、 领导的支持。2、 矿井的需要。序号姓 名性别年龄文化程度职务职称工作单位对本项成果做出的主要贡献内容1徐建国男50本科机电副矿长平煤六矿制定研究方案，负责组织实施2高银峰男45专科机电副总平煤六矿制定研究方案，负责组织实施3理华山男46专科机电区长平煤六矿制定研究方案，负责组织实施4续建彪男

18、48专科机电区书记平煤六矿制定研究方案，负责组织实施5张冬冬男32研究生工程师平煤六矿负责现场的工业试验6余斌男30本科助理工程师平煤六矿负责现场的工业试验7李 斌男36本科工程师平煤六矿负责现场的工业试验8张亚邦男32研究生工程师平煤六矿负责现场的工业试验9王景艳男35本科助理工程师平煤六矿负责现场的工业试验10李 磊男35本科助理工程师平煤六矿负责现场的工业试验11马作军男31本科工程师平煤六矿负责现场的工业试验12王红松男36本科机电副区长平煤六矿负责现场的工业试验13代晓锋女26本科技术员平煤六矿实施14王亚威男27本科助理工程师平煤六矿实施15朱文浡男27本科助理工程师平煤六矿实施16黄菲男23本科技术员平煤六矿实施七项目研究人员名单八经费总概算费用名称数量金额(万元)经费总概算工程费设备费56.2调研费1.5技术咨询2课题研究现设计费29工业性实验费1.5其它费用。10合计100.2九经费支出明细预算表费用名称小计金额(万元)2013年科研人工费9科研设备仪器折旧1开发试验设备租赁费1.5开发用材料与用品、半成品2中间试验费0.3试验矿的开挖费技术交流费1技术培训费1水电费及其他能源消耗0.1技术图书资料费科研开发设备调整费技术咨询费委