磁力耦合器在提升機上的應用探討

董國梁，屈漢軍，吳超星

提升機是水泥行業基礎性生產設備，具有輸送量大、提升高度高的特點，適用于輸送粉料、粒料及小型塊狀的物料，其驅動系統由電動機、耦合器、減速機組成。通常提升機的工作環境較為惡劣，負載變化較大，瞬時過載和短時過載現象時常發生，這就要求電動機與減速機間柔性連接。而耦合器作為電動機與減速機的連接部件，其可靠性決定了提升機的運轉率。

常見的耦合器為液力耦合器，隨著技術的進步，繼而出現了磁力耦合器。本文主要介紹液力耦合器的優缺點以及磁力耦合器的發展歷程、分類、技術特點，供業內人士參考。

1 液力耦合器

1.1 優點

液力耦合器是一種具有良好柔性的聯軸器，普遍應用于拉鏈機、皮帶機、提升機，其優點如下：

（1）具有滑差（或稱轉速差）特性，可以自適應負載變化。此特性有別于其他耦合器，也是其被全球傳動行業廣泛使用的原因。

（2）具有啟動緩沖和過載緩沖的性能，可隔離扭振，并且在大慣量啟動時，可以減少電動機容量，避免“大馬拉小車”。

（3）有助于緩沖對減速機齒輪的沖擊。

1.2 缺點

（1）溫升高。液力耦合器的結構決定了其存在不可避免的溫升，額外產生的熱量導致透平油的油溫升高，潤滑質量變差，進一步產生更多熱量，形成惡性循環。

（2）振動大。雖然液力耦合器的柔性可以隔離扭振，但因其是機械連接結構，無法隔離其他因素導致的減速機振動。

（3）密封易老化。液力耦合器密封老化會導致油液滲漏、油溫驟升，進而導致出現熔塞爆噴、彈性塊或尼龍銷磨損、甚至棘爪被打爛等現象，提升機停機情況時有發生，若無備件，長時停機損失更大。

（4）存在爆裂可能。高寒地區提升機停機，傳動油冷凍結晶再啟動可導致液力耦合器爆裂。提升機逆止器失靈倒轉飛車也可導致液力耦合器爆裂（圖1），有致人員傷亡的危險。

圖1 提升機逆止器失靈倒轉飛車導致液力耦合器爆裂

（5）對中不良。液力耦合器由起柔性作用的液力耦合主體和彈性聯軸器兩大組件構成。其中，彈性聯軸器必須滿足比較苛刻的對中安裝要求。因對中超差導致設備振動超差的現象較為普遍（圖2），彈性塊需要頻繁更換，直接影響軸承使用壽命。

圖2 對中不良導致聯軸器彈性塊破損

（6）維護保養難。為避免液力耦合器兩大部件軸向竄位，一般采用熱裝方式，但因實際產品的公差與配合不良，多數熱裝部件拆卸難度很大，拆卸1～2d是常態，有些長達3d。

此外，油品作為耗材，必須定期或不定期予以更換，更換油品費用較大。還有，進口的名牌液力耦合器，品質雖好，但價格高，且結構機理決定了進口的名牌液力耦合器與國產液力耦合器無本質差異。

2 磁力耦合器

磁力耦合器是一種利用永久磁鐵的磁力非接觸傳輸動力的裝置，近年來，磁力耦合器已在國內水泥廠大量替換液力耦合器。

2.1 磁力傳動技術簡介

磁力傳動技術的應用可追溯到1946年，英國HDM公司推出磁力泵解決了泵類產品介質隔離、密封等問題，其原理是利用永磁同性相斥、異性相吸的特性，在結構上主動、從動轉子均被定心，同步工作。隨著強磁釹鐵硼材料的問世至普及，1999年美國Magna-Drive公司將電渦流驅動技術應用于大型機械傳動，至此創立了一個全新的產品門類。

國內對于磁力耦合器技術和產品的研究相對較晚，主要集中在各大高校。蘇州大學楊超君團隊、吉林大學張宏剛團隊、東南大學的林鶴云教授等對磁力耦合器技術基礎問題的研究為國內相關產品的設計和研發奠定了基礎。此外，哈爾濱工業大學、沈陽工業大學、大連海事大學、東北大學等高校也對磁力耦合器的結構參數、磁場分布、渦流損耗、傳遞力矩等性能參數進行了研究。2013年前后，國內有多家公司陸續推出了磁力耦合器產品。

2.2 磁力耦合器分類及工作原理

按照產品的核心技術與特性而非形狀（如桶式與板式）分類，磁力耦合器主流產品可分為異步型和同步型。

異步型（亦稱渦流型）磁力耦合器的工作原理是：導體與磁場產生相對運動，導體切割磁力線產生感應電流（形如渦旋狀，故稱渦電流或電渦流），利用感生磁場與永磁體的磁場相互作用傳遞扭矩。由于主動轉子與從動轉子轉速不同，故稱為異步型磁力耦合器。

同步型磁力耦合器的工作原理是：在主動轉子和從動轉子內分別嵌入永磁體，利用磁極同性相吸、異性相斥的原理，實現拖動。其主動轉子和從動轉子同步運轉，故稱同步型磁力耦合器。

根據市場調研，當前主流應用的磁力耦合器大致分為三類（見圖3）：第一代渦流型磁力耦合器；第二代渦流型磁力耦合器（代級劃分來自廠家）；同步型磁力耦合器。

定性的理想性能的磁力耦合器模型參量見表1。

2.3 磁力耦合器架構的技術分析

三類磁力耦合器均選用目前磁力最強的釹鐵硼磁鐵，型號一般為N42x～N48x，因產品自身溫升和運行環境的不同，選用的磁鐵的居里溫度（退磁溫度點）不同。

渦流型磁力耦合器，由導體轉子和永磁轉子（內含永磁體）作為主體，兩類轉子之間留有間隙。永磁轉子與導體轉子分別通過各自的連接法蘭固定套裝在電動機軸和減速機軸上。

同步型磁力耦合器，在內磁轉子與外磁轉子的永磁體之間留有間隙。內磁轉子和外磁轉子分別通過各自的連接法蘭固定套裝在電動機軸和減速機軸上。

2.3.1 第一代渦流型磁力耦合器

國內現有多家企業生產以Magna-Drive公司產品為原型的典型的異步渦流型磁力耦合器。從結構特點而言，有廠家介紹定義為“AB-BA”型，其中“A”表示導體轉子，“B”表示永磁轉子。在結構上是雙轉子對稱設置，其導體轉子的結構是銅盤+鐵盤+散熱片組，“A、A”共軸，“B、B”共軸。

典型的外特性：永磁轉子與導體轉子沿軸向因磁力互吸。

2.3.2 第二代渦流型磁力耦合器

一種新型的異步渦流型磁力耦合器，廠家推介的架構特點是“自饋式-無鐵芯”。所謂“自饋式”，是指在雙盤體的永磁轉子上自建閉合磁場；所謂“無鐵芯”，是指導體轉子僅由高導電率的導體構成，不含鐵磁材料。導體盤置于兩個永磁轉子之間，導體轉子的基盤與導體盤采用散熱體相連。

典型的外特性：永磁轉子與導體轉子之間沒有磁力互吸。

2.3.3 同步型磁力耦合器

典型的同步型磁力耦合器，內磁轉子的外圈鑲嵌若干磁體，外磁轉子的內圈鑲嵌若干磁體，外轉子設置在內轉子外圈。

典型的外特性：內、外轉子之間沿徑向（間隙偏小的方位角方向）有強磁力互吸。

理想模型與磁力耦合器可實現的效果比較見表2、3。

圖3 三類磁力耦合器示意圖

表1 磁力耦合器定性參量列表

3 提升機對磁力耦合器的特殊要求

因提升機的運行對水泥企業連續生產極為重要，并且提升機驅動安裝在頭部高位，系統維修難度大，所以對磁力耦合器的性能有更高的要求。為了滿足提升機運行要求，磁力耦合器產品除了必須具備更高的可靠性之外，還應具備過載保護和軸系保護兩大功能。

表2 理想模型與磁力耦合器可實現效果比較（1）

表3 理想模型與磁力耦合器可實現效果比較（2）

3.1 過載保護

常用提升機配置的電動機多數為四極異步電動機，功率范圍多為45～200kW，堵轉電流約7倍額定值，堵轉扭矩約1.8倍額定值，最大扭矩約2.2倍額定值。過載有短時過載和長時超載（即電動機超負荷甚至被堵轉）兩種，中控室配電柜的電動機保護單元是電動機過載保護的最后屏障。

（1）短時過載保護。要求磁力耦合器具有良好的柔性，可化解負載沖擊，減緩對減速機高速軸組件的沖擊（液力耦合器的滑差特性具備此功能）。異步型磁力耦合器天然具備這一性能優勢，而同步型磁力耦合器僅在小角度上呈現彈性，不具備柔性。

（2）長時過載保護。要求磁力耦合器進入弱耦合狀態，可產生更大滑差，給電動機增加一級保護。

渦流型磁力耦合器的限矩型產品，就是為實現過載保護功能而設計的。其原理是，當過載使得磁力耦合器的滑差增大至門限值以上時，磁懸浮效應使得永磁轉子與導體轉子之間產生推力。永磁轉子與導體轉子之間的間隙距離瞬間變大，使激勵磁場變弱，即進入弱耦合狀態。此時，電動機進入卸載（輕載）狀態而得以保護，停機后，可自動恢復原狀。

同步型磁力耦合器產品，也可通過設置門限值實現滑差，但會有抖動（產生扭振）現象發生，并且滑差狀態如保持時間稍長（數十秒以上），渦流就會使磁體溫度驟升，甚至導致磁體退磁，繼而產生如液力耦合器泄油一樣的現象。磁體退磁是不可逆的，一旦發生必須更換磁力耦合器。為防止長時過載，還可以對電動機采取測溫報警或控制斷電措施，但采取對電動機增加冗余保護的措施更為直接可靠。

3.2 軸系保護

如前所述，提升機驅動系統處于高位，即便是更換維修較小的配件，也會產生很高的成本，所以保護軸系整體長時間無故障運行是極有價值的。

液力耦合器對中精度須優于0.1mm，而磁力耦合器對中精度不必像液力耦合器一樣。但是，市場磁力耦合器3mm的對中（或軸向對位）容差或毫米級偏差需分析辨證看待。下面就第一代渦流型磁力耦合器、第二代渦流式磁力耦合器、同步型磁力耦合器軸系保護進行分析對比：

（1）第一代渦流型磁力耦合器因轉子軸向互吸，電動機和減速機都必須承擔軸向力，而軸向力對電動機和球軸承是有害的，加之，角度對中也難于達到理想狀態，會使危害加劇。第一代渦流型磁力耦合器如軸向對位不良，將不能滿足對稱設計的要求。

更重要的是，第一代渦流型磁力耦合器熱膨脹現象或許是原創者未曾考慮的一大因素。據文獻介紹，Y315B3基座的電機在軸溫為80°C時，軸長可增加近0.8mm。該數值變化對于必須對稱設置的轉子位置，其偏差達到近1.6mm，導致產生巨大的軸向力，可見，熱膨脹效應影響不可忽視。此外，各種使用環境的溫度變化，還會使熱膨脹效應導致的位置變化值難以預置。

（2）同步型磁力耦合器磁吸力的存在對于軸向對位并不太敏感，但是卻對對中要求頗為敏感，不論是平行對中偏差還是角度對中偏差，都會導致轉子存在偏擺現象，產生附加振動。

重要的是，同步型磁力耦合器在強磁吸力存在的條件下，強制對中的安裝方法是一種創新的方法，但有效性存疑。因傳動行業的對中操作都是在軸系處于自由狀態下進行的，強制對中似顯不妥。如某水泥廠新裝斗式提升機配置某品牌磁力耦合器，由于未經廠家專業人員到場精調，自行裝調后即開啟試車，導致磁力耦合器部件損壞，而后換新。事故分析顯示，因轉子間的磁吸力巨大，由無實際操作經驗的人員進行調整難以滿足要求，是事故發生的根本原因。

（3）以上兩種磁力耦合器主動、從動轉子之間的磁吸力巨大，對于軸系保護是一個不可忽視的不利因素。磁吸力除了給安裝尤其是二次拆裝調整帶來不便外，還需要專家分析和長時間試驗確認磁力耦合器對中、對位安裝精度的控制（或預置）范圍，才可以達到無危害的程度，。

（4）第二代渦流式磁力耦合器具備轉子互不相吸的特性，無論首次安裝還是系統維護后的再次調整都非常便捷。第二代渦流式磁力耦合器被聯接的兩軸可處于自由狀態，創新了軸系的保護，是磁力耦合器產品發展的一個較好思路。

4 結語

磁力耦合器作為提升機驅動的重要部件，相較于液力耦合器而言，在自身可靠性和安全性方面進步明顯，值得繼續深入研究探索。■