楊 偉

（潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司李村煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

現(xiàn)有減速器多以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)等純機(jī)械傳動(dòng)為主，普遍存在傳動(dòng)比大時(shí)機(jī)械效率過(guò)低的問(wèn)題，另外，由于其在傳動(dòng)理論、工藝水平、材料品質(zhì)方面沒(méi)有突破，沒(méi)能從根本上達(dá)到傳遞功率大、傳動(dòng)比大時(shí)體積小、質(zhì)量輕、機(jī)械效率高等這些基本要求。永磁傳動(dòng)通過(guò)在動(dòng)力端和負(fù)載端之間設(shè)置永磁多極磁場(chǎng)和感應(yīng)繞組，其相對(duì)轉(zhuǎn)差使感應(yīng)繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的變化。永磁傳動(dòng)裝置較高的傳動(dòng)效率和友好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到了用戶的認(rèn)可[1]。

1 永磁變速傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)介

圖1所示的是一種徑向牽引變速裝置，是永磁變速裝置的類型之一，包括外轉(zhuǎn)子、永磁體、控制器、內(nèi)轉(zhuǎn)子和繞組。其中：外轉(zhuǎn)子的一側(cè)設(shè)有法蘭聯(lián)接端，用于與負(fù)載設(shè)備聯(lián)接，內(nèi)轉(zhuǎn)子的一側(cè)設(shè)有法蘭聯(lián)接端，用于與原動(dòng)機(jī)設(shè)備聯(lián)結(jié)，繞組對(duì)稱固定在內(nèi)轉(zhuǎn)子上，組成繞組轉(zhuǎn)子放置在外轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，控制器安裝在內(nèi)轉(zhuǎn)子一側(cè)，永磁體固定在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑端面上，永磁體和繞組在徑向有合理的間隙。

將此傳動(dòng)裝置安裝在原動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間，原動(dòng)機(jī)和負(fù)載端轉(zhuǎn)速不同步使內(nèi)轉(zhuǎn)子上的繞組與外轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流形成磁場(chǎng)，多極永磁體旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)相互作用，實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞，兩個(gè)磁場(chǎng)的相互牽引方向?yàn)閺较騕2]。

圖1 徑向牽引變速裝置

2 速度控制原理

控制器原理電路圖見(jiàn)圖2。繞組分成A、B、C三相（亦可為多相），在A、B、C三相中分別串接雙向可控硅TS1、TS2、TS3，并且三相以星形接法閉合連接；雙向可控硅TS1、TS2、TS3由光耦合可控硅控制器MOC1、MOC2、MOC3 控 制 ； 測(cè) 速 元 件 HALL-A、HALL-B、HALL-C布置在內(nèi)轉(zhuǎn)子與永磁體對(duì)應(yīng)的合理位置，用來(lái)檢測(cè)內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；測(cè)速元件HALL-A、HALL-B、HALL-C將信號(hào)采集給單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)，由單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的程序分析處理，并生成控制信號(hào)給光耦合可控硅控制器MOC1、MOC2、MOC3，控制雙向可控硅TS1、TS2、TS3的導(dǎo)通角；電路中需要的控制電源為電池（亦可由繞組中的感應(yīng)電經(jīng)整流調(diào)壓提供）[3]。

圖2 控制器電路圖

通過(guò)控制繞組回路中的雙向可控硅TS1、TS2、TS3導(dǎo)通角，控制繞組中感應(yīng)電流的大小改變感應(yīng)磁場(chǎng)大小，實(shí)現(xiàn)不同的減速比。具體原理為逐步降低雙向可控硅TS1、TS2、TS3的導(dǎo)通角，由于繞組中導(dǎo)通電壓降低，繞組中的電流也降低，感應(yīng)磁場(chǎng)也降低，繞組與永磁體之間需加大轉(zhuǎn)速差，增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使雙向可控硅TS1、TS2、TS3在導(dǎo)通角不變的情況下，增大導(dǎo)通電壓，提高電流，提高感應(yīng)磁場(chǎng)來(lái)滿足拖動(dòng)負(fù)載的扭矩傳遞；反之，逐步增加雙向可控硅TS1、TS2、TS3的導(dǎo)通角，繞組與永磁體之間逐步減小轉(zhuǎn)速差，減小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)保持能拖動(dòng)負(fù)載的扭矩傳遞；在控制器中測(cè)速元件HALL-A、HALL-B、HALL-C對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，反饋給單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)，單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)對(duì)繞組回路中的雙向可控硅TS1、TS2、TS3導(dǎo)通角進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，可以使負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在所設(shè)定的減速比的速度上。

驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)速不變，隨著感應(yīng)端繞組中串接的可控硅導(dǎo)通角的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載端速度的變化。

3 負(fù)載端速度與感應(yīng)磁場(chǎng)變化的關(guān)系

假定驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速不發(fā)生改變，多極永磁體的磁場(chǎng)不會(huì)發(fā)生變化，且永磁磁場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)的氣隙也不改變，所以感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生變化，永磁體磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)之間的相互作用力就會(huì)發(fā)生改變，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，隨著感應(yīng)磁場(chǎng)降低，負(fù)載端的轉(zhuǎn)速下降，感應(yīng)磁場(chǎng)增大，負(fù)載端的轉(zhuǎn)速提高。

4 負(fù)載端力矩和驅(qū)動(dòng)端力矩的變化關(guān)系

驅(qū)動(dòng)端的功率P1=n1M1，負(fù)載端的功率P2=n2M2，耦合功率P3=VI。

式中：n1、n2分別為驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端轉(zhuǎn)速，M1、M2分別為驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端扭矩，V、I分別為感應(yīng)繞組導(dǎo)通電壓和電流。

耦合功率為永磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與感應(yīng)繞組之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)所需功率的大小。

驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端的功率關(guān)系如下：

P1=P2+P3（在此不考慮由于產(chǎn)品本身慣量造成的功率損耗），即 n1M1=VI+n2M2。

假定輸入端為多極永磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，輸入功率為一個(gè)恒定值，也就是輸入的轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩M1不變，而輸入端和負(fù)載端扭矩的產(chǎn)生是靠永磁旋轉(zhuǎn)磁極與感應(yīng)繞組的感應(yīng)磁場(chǎng)之間的剪切力形成的。而要使作用在永磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上的扭矩不變，就要負(fù)載端的感應(yīng)繞組隨著負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)不變，所以隨著負(fù)載量和負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)不變，也就是繞組中的電流大小沒(méi)發(fā)生改變。負(fù)載感應(yīng)磁場(chǎng)隨著輸入端和負(fù)載端的轉(zhuǎn)速差的變化所需電流I沒(méi)變，只有感應(yīng)磁場(chǎng)的頻率發(fā)生變化，即感應(yīng)繞組中電流的頻率發(fā)生變化，作用在負(fù)載端的力矩沖擊頻率發(fā)生改變，產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)的功率P3不變（此為理想狀態(tài)，實(shí)際上由于繞組的溫度變化，阻值發(fā)生改變，功率也會(huì)發(fā)生改變，合理的參數(shù)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)變化不是太大）。實(shí)現(xiàn)耦合功率P3不發(fā)生改變，可以通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)導(dǎo)通電壓V實(shí)現(xiàn)感應(yīng)繞組中電流I不發(fā)生改變。

那么負(fù)載端和驅(qū)動(dòng)端扭矩之間的關(guān)系為：

由于 n1、M1、V、I不變，那么負(fù)載端扭矩 M2就會(huì)隨著負(fù)載端轉(zhuǎn)速n2的變化而變化，負(fù)載端轉(zhuǎn)速n2提高，負(fù)載端輸出扭矩M2降低，負(fù)載端轉(zhuǎn)速n2降低，負(fù)載端輸出扭矩M2增大。在此變速過(guò)程中，感應(yīng)繞組的耦合功率不變，所以只要永磁旋轉(zhuǎn)磁極的永磁體選擇合適且感應(yīng)繞組設(shè)計(jì)合理、繞制合格，感應(yīng)繞組也不會(huì)過(guò)熱。也就是只要所允許的驅(qū)動(dòng)端功率不過(guò)載，感應(yīng)繞組就不會(huì)過(guò)載。

假定負(fù)載端所需的轉(zhuǎn)矩M2不變，當(dāng)負(fù)載端的轉(zhuǎn)速n2發(fā)生改變，驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為：

由于n1不變?yōu)槌?shù)，耦合功率VI相對(duì)于輸入功率P1來(lái)說(shuō)，功率相對(duì)較小，也可先設(shè)定為常數(shù)，那么負(fù)載端在所需轉(zhuǎn)矩M2不變的情況下，驅(qū)動(dòng)端的輸入轉(zhuǎn)矩M1在輸入轉(zhuǎn)速n1不變的情況下隨著負(fù)載端的轉(zhuǎn)速n2降低，逐步減小，那么驅(qū)動(dòng)端的輸入功率P1也就相應(yīng)減小，符合了力矩電機(jī)的原理。

輸入功率不變，輸出端在輸出轉(zhuǎn)速發(fā)生改變的情況下，輸出端的力矩也相應(yīng)發(fā)生改變，輸出端轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩提高，輸出端轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩減小，形成了一個(gè)減速傳動(dòng)裝置，可以應(yīng)用在適合的減速傳動(dòng)場(chǎng)合。

5 結(jié)論

1）永磁傳動(dòng)裝置的功率傳遞是通過(guò)永磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)的剪切力傳遞，轉(zhuǎn)速的變化是通過(guò)電控實(shí)現(xiàn)的。由于永磁變速傳動(dòng)只有一個(gè)無(wú)接觸嚙合環(huán)節(jié)，機(jī)械磨損少，有利于延長(zhǎng)使用壽命、降低能耗，其傳遞效率也高于其他減速裝置。

2）永磁傳動(dòng)裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的減速機(jī)體積大大縮小、質(zhì)量減輕、噪音減小、拆裝更方便。

3）對(duì)于重載設(shè)備的啟動(dòng)，永磁傳動(dòng)裝置可以根據(jù)設(shè)備需要預(yù)先在單片機(jī)PWM調(diào)控系統(tǒng)程序中設(shè)定相關(guān)程序，先以低速大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，而后再增速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了利用減速機(jī)對(duì)負(fù)載的軟啟動(dòng)，減少電網(wǎng)沖擊，而且也不需為重載設(shè)備的啟動(dòng)加大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。

4）永磁傳動(dòng)裝置可以設(shè)置功率過(guò)載保護(hù)（在繞組回路中加裝過(guò)載保護(hù)監(jiān)測(cè)），在超載時(shí)斷開(kāi)繞組不產(chǎn)生扭矩傳遞，保護(hù)設(shè)備。

5）永磁傳動(dòng)裝置嚙合面無(wú)接觸，也就不存在磨損，所以無(wú)需潤(rùn)滑、冷卻，減少了油脂類的使用，較其他減速裝置更環(huán)保。

6）這種減速裝置需控制的功率只是一個(gè)相對(duì)較小的耦合功率，非全功率控制，所以使用的電氣元件不需要太大功率，且數(shù)量少，電路簡(jiǎn)單，所以維修方便。

7）控制裝置可以預(yù)設(shè)程序自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能，也可以使用滑環(huán)外接控制部分或采用無(wú)線控制技術(shù)，通過(guò)安裝在減速裝置上的內(nèi)置控制器中的無(wú)線接收控制部分進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，能更好地滿足與各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)接。