永磁传动技术论文

2022-05-11

今天小编为大家推荐《永磁传动技术论文(精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。摘要：永磁调速是非机械硬连接无级调速技术，具有结构简单、运行可靠、环境适应性好等特点，在石油化工领域有着广泛的应用。本文简要介绍了永磁调速器(PMD)的工作原理，比较了其与变频器的优势，本方案所涉及的75KW永磁耦合调速器是专为A化工集团1#风机进行调速控制，实现节能减排的设备，它具有平滑无级调速、高功率因素、高调速精度以及滑差功率逆变回收等特点。

第一篇：永磁传动技术论文

机车轴端永磁同步发电机技术研究

摘要：随着机车车辆对备用电源系统的升级改造，需在机车转向架轴箱上加装轴端发电机，传统永磁同步发电机难以满足机车转向架安装要求，为此开展一种新型机车轴端永磁同步发电机技术的研究。该项研究的主要技术特点为：取消传统电机两端轴承的使用，避免机车振动大造成电机轴承故障。该新型机车轴端永磁同步发电机结构简单、重量较轻，能够满足现有机车转向架箱体安装空间限制及车辆系统用电功率要求。該项技术研究在国内属于首创，已进行装车试验满足其性能要求，其成果将在机车及同类型车辆上具有推广应用的意义。

关键词：轴端;轴承结构;空心转子;表贴式转子

0 引言

铁路机车由于需要不断拆解编组进行无火回送，除牵引车外，其它车厢普遍缺少电源，备用的蓄电池与实际使用需求存在较大的差距，机车无法提供足够的电源供车厢相关设备和随车人员使用，目前应用于机车的轴端发电机为传统永磁同步发电机或永磁直流发电机，无论是从电机的功率上还是可靠性上均不能满足使用要求，因此需要研究开发一款适用于机车的新型轴端永磁同步发电机。

根据机车转向架箱体结构的特点，受车辆轻量化的要求，在重量和安装空间限制下，传统发电机难以满足要求的，提出研究开发一款输出功率不低于3kVA的高可靠性机车轴端永磁同步发电机，当机车被拖运运行时，车轴旋转并带动电机转子转动，永磁同步发电机发出3～5kVA电源提供给机车使用。

1 技术背景

1.1 现有技术方案

早期铁路机车所用的轴端发电机，主要为客车提供辅助电源，普遍采用皮带传动，发电机挂在构架前后两端，在车轴处加装皮带轮与发电机相连。这种设计结构复杂、重量及体积大，输出的功率也大，并且此种发电机对转向架改动较大，在机车转向架上加装十分困难。

国外的铁路机车车轴发电机中，FAG公司生产的轴承带集成发电装置，在轴承内圈装置永磁体作为转子，在轴箱盖中线圈作为定子，为轴承诊断和故障信息检测等功能提供电源，这种设备最高输出功率为100W，供电电源为6～14V。该轴承装置价格昂贵，且供电电能太小，不足以满足机车无火回送时用电设备的使用。

1.2 技术目的

开发一种机车轴端电源装置：安装在机车轴端的永磁同步发电机，可为目前的无火回送机车车厢提供足够的电源供车厢设备和随车人员使用。发电机输出功率不低于3kVA，电机结构简单，成本较低，有较高的可靠性和安全性，满足机车轴端安装和使用的要求。

2 技术设计方案

2.1 总体设计思路分析

通过对机车轮对安装位置的分析，由于不能对机车车轴和机车轴箱进行大的结构改造，只能在现有的基础上进行加装发电机，见图1机车转向架组装图，采用传统类型电机存在两大的问题：一是车轴与电机轴无法直接对接安装，车轴与电机轴不能联接传递扭矩，需要加装过渡联轴器，整个电机方案需要加长;二是机车轮对上轴承的游隙会比电机使用轴承的游隙大的多，机车使用的FAG公司生产的TORL150型圆锥滚子轴承径向游隙最大为0.26mm，而电机外形结构的限制，选用轴承内径100mm圆柱滚子轴承较为合适，该轴承C4径向游隙为0.125～0.165mm远小于机车轴承游隙，当电机转轴与机车车轴硬联接时正常运行时，很快便会将电机轴承损坏。综上所述，传统电机很难满足要求，因此将电机设计成无轴承结构的电机。

根据与机车转向架联接技术接口要求，安装时不能改动原车轴上的现有轴承和密封结构，只能将轴箱端盖和轴承端压板拆下，因此设计转子可替代压板，安装于原轴端压板处，设计定子可替代原轴箱端盖，通过机车的原螺栓与车轴、轴箱联轴安装，实现轴端永磁同步发电机随车运行时发电的功能。

2.2 主要性能参数计算

采用Ansoft软件实施电机电磁方案计算，发现电机输出功率的难点主要是机车在低速运行时要求电机输出3kVA电源，由于该电机安装在车轴上，车轴的轴承游隙大且转向架本身的振幅大，电机的气隙必须足够的大，但气隙大影响电机的气隙磁密，导致相同体积大小电机输出功率不够，由于电机最大体积已经限定了，因此需要找到一个设计气隙平衡点，为防止电机出现扫膛，电机最小气隙不能小于1.5mm，在功率允许的情况下尽量加大气隙，通过计算得出气隙在2mm时可满足电机设计要求。经过优化计算得到以下数据满足其电机性能要求，主要性能参数如下：

①额定功率 3～5kVA

②额定电压 110～300V

③额定电流 9.5～15A

④额定频率 32～55.5Hz

⑤额定转速 245～416r/min

⑥极数 16

⑦额定效率 88～82%

⑧空载电压 310～522V

⑨短路电流 18.4A

2.3 电机结构设计

根据无轴承结构永磁同步发电机的设计思路，电机主要由定子组件和转子两大独立部件组成，转子直接悬挂安装在车轴端，定子悬挂安装在轴箱上，分别通过螺栓安装固定，大大缩短了发电机的长度，满足减小体积和减轻重量要求，同时避免传统电机轴承故障的风险，提高了发电机的可靠性。

2.3.1 电机定子

定子由定子铁心和定子绕组组成，定子铁心是由冲制的硅钢片叠成，在定子铁心槽上嵌有定子绕组，用来产生感应电势。将嵌线定子过盈压装在机座上，再将机座通过螺栓固定在转向架的轴箱上，机座后端安装带有密封圈的端盖，具有防尘、防水效果，安全可靠。

2.3.2 转子

转子结构设计成空心杯的形式，主要由空心轴、永磁体、防护圈和转子挡板组成，其结构包括。本电机设计与传统电机最大的区别在就转子部分，删除使用轴承的结构，采用空心轴加表贴式永磁体，大大的减轻转子重量，符合轻量化和高可靠性的设计原则。

2.3.3 电机轴

电机轴设计成空心轴，在安装端进行止口定位设计，通过螺栓实现与车轴轴端之间连接固定，避免对车轴的改动，方便转子的固定及安装。将空心轴外圆上设计均布的槽形，用于安装固定永磁体，省去转子冲片，简单可靠。

2.3.4 永磁体

永磁体选用高性能稀土永磁材料，设计成瓦片弧形径向充磁形式，在空心轴外表面径向均匀布置，可安装放置更多的永磁体，以提高气隙磁密，相邻永磁体磁场方向相反。

2.3.5 防护圈

设计防护圈和转子挡板对永磁体进行固定和防护，防护圈采用隔磁材料，将永磁体通过防护圈套装在空心轴上，再压入转子挡板在空心轴上，转子挡板、防护圈和空心轴焊接成一个整体。

2.3.6 密封性结构设计

轴端永磁同步发电机通过沿用机车轴箱端盖的密封设计原理，在机座与轴箱，机座与端盖的端盖采用O型密封圈的设计结构，保障电机内部的密封性，实现防尘、防水等功能。

3 技术特点分析

①通过设计空心杯式转子，空心轴圆周上设计均布的槽形，采用瓦片弧形径向充磁的永磁体，发电机本体内无轴承结构，转子无硅钢片结构，极大的简化了发电要的结构和减轻了发电机的重量，消除发电机轴承的故障风险，性能更加可靠。由于转子上没有冲片结构，只有简单的空心轴，转子的重量较小，安装在车轴上，对車轴重量的增加基本可以忽略，因此对车轴的轴承无影响，符合设计要求。

②发电机定子固定在转向架的轴箱上，代替了车轴的轴箱盖，发电机机后端安装端盖密封，防尘、防水，安全可靠，发电机为短粗形，对车轴轴箱的轴向伸出长度方向基本没有增加，满足空间尺寸要求。

③发电机采用永磁技术使该电机功率密度高，体积小，重量轻，机车轴端直接装配发电机，节省运动传递机构，使发电机装置变得更简单，安装空间更小，电机成本低。

4 试验验证

将轴端永磁同步发电机安装在韶4机车上进行装车验证，通过安装导向杆将电机顺利安装在机车上，轴端永磁同步发电机安装图，安装后进行试车运行，发电机正常发电，通过带阻性负载测试，电机性能满足设计要求，通过试验数据分析与计算数据对比，发现电机低速与设计值一致，高速运行区域电机输出功率高出设计值，可进一步优化，后续需将轴端永磁同步发电机装车运营考核，以验证电机的可靠性和寿命。

5 结语

通过机车轴端永磁同步发电机技术研究，开发的机车轴端永磁同步发电机通过装车试验验证，性能达到设计要求，能够满足现有机车转向架箱体安装空间限制及车辆系统用电功率要求，解决机车无火回送时用电设备电力不足的技术问题。该轴端永磁同步发电机结构简单，性能可靠，电机成本低，具有在机车和同类型车辆上推广应用的价值和意义。

参考文献：

[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工艺出版社，2016.

[2]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工艺出版社，1982.

[3]上海电器科学研究所.中小型电机设计手册[M].北京：机械工艺出版社，1994.

[4]胡志强.电机制造工艺学[M].北京：机械工艺出版社，2011.

作者：雷军

第二篇：基于永磁调速技术的风机系统节能改造

摘要：永磁调速是非机械硬连接无级调速技术，具有结构简单、运行可靠、环境适应性好等特点，在石油化工领域有着广泛的应用。本文简要介绍了永磁调速器(PMD )的工作原理，比较了其与变频器的优势，本方案所涉及的75KW永磁耦合调速器是专为A化工集团1#风机进行调速控制，实现节能减排的设备，它具有平滑无级调速、高功率因素、高调速精度以及滑差功率逆变回收等特点。

关键词：永磁调速风机改造节能

0 引言

永磁调速器(PMD)具有高效节能，高可靠性，无刚性连接传递转矩，可在恶劣环境下应用，极大减少整体系统振动，减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电动机发热的优良调速特性，更使其成为风机及泵类设备节能技术改造的优选之一。

1 PMD的工作原理

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[1]。

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[2]。

PMD 是透过气隙传递转矩的传动设备，电动机与负载设备转轴之间无需机械连接，电动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，在导磁盘中产生涡电流，该涡电流在导磁盘上产生反向磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现了电动机与负载之间的转矩传输。执行器调节两个转体之间空气间隙的大小，通过负载转矩的调节实现负载输出速度的控制，电动机输出到 PMD 的转矩和 PMD 输出到负载转矩相等。根据负载实际运行过程中转矩的大小调整电动机输出端 ( PMD 输入端的转矩) 。PMD 输入速度 ( 电动机端) 和输出速度 ( 负载端) 不一样，原因是由于PMD两个转体之间的空气间隙的存在使得输出速度要比输入速度小，即产生滑差，滑差大小决定传递转矩的大小，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。

2 永磁调速器改造方案

由于电机转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比，因此通过对输出负载转速的调节可以大幅降低负载功率。75KW永磁耦合调速器就是利用对输出负载转速的调节降低负载输出功率，同时通过逆变、滤波和变压器调压的手段重新将收集到的滑差功率输入到一个22KW的负载水泵上，实现节能。

(1)系统组成

A化工集团1#风机由电机控制室安装的变频器直接控制，由于变频器频繁故障，目前处于硬启动且全速工作状态，急需进行节能改造。

75KW永磁耦合调速器由三个部分组成：永磁耦合器、调速控制器以及逆变变压器，应用其对A化工集团1#风机进行节能改造安装示意图如图2。在原有电机控制基础上，电机与负载之间安装永磁耦合器，实现传动输出;在调速控制室安装调速控制器，控制永磁耦合器转速输出;调速控制室与电机控制室通过控制电缆连接，实现起动和停止信号的传输。

(2)电气改造

图1 75KW永磁耦合调速器电气改造框图

如图1所示，W3、W6电缆A集团目前已经存在，不用更改。

W1电缆为连接调速控制器与永磁耦合器的电缆，两头分别固定在控制器(调速控制室)和耦合器(冷却塔)上，线长约100米。W2电缆为调速控制器供电电缆，需要连接380V交流电到设备上，线长约10米。W4电缆为调速控制器逆变电缆，需要连接逆变变压器上，线长约5米。W5电缆为滑差功率逆变驱动负载水泵的连接电缆，线长约20米。W7为控制电缆，连接电机高压控制柜(电机控制室)和调速控制器(调速控制室)，主要获取驱动电机高压柜里边的电机起动信号，只有当调速控制器检测到驱动电机已经起动完毕后，才能进行后续的起动和调速流程。同时，当调速控制器检测到驱动电机已经停止或者调速控制器控制面板上输入了停止指令后，调速控制器自动进入软停止流程，控制电机和系统停止工作，线长约200米。

3 系统工作过程

记冷却水泵功率为P1=75KW，负载水泵为P2=22KW，控制柜全速输出功率为P3，电机控制室电能表输出Q1，调速控制室电能表输出Q2，则

(1)负载功率=P1+P2;(2)输入功率=Q1+Q2;(3)节约功率=负载功率-输入功率;(4)逆变功率=22KW-(Q2-P3)。

系统工作过程如下：(1)给驱动电机加电，实现电机的空载启动;(2)调速控制器“起动”按钮可实现系统的软启动控制，并控制系统进入全速工作状态;(3)调速控制器进入调速模式，控制系统调速，实现输出功率的调节;(4)调速控制器逆变模块工作，将收集到的滑差功率逆变为与输入电源匹配的交流电;(5)逆变变压器将逆变后的滑差功率变压为380V电流电，并供应一个22KW的负载水泵工作，实现电能的回收;(6)调速控制器“停止”按钮可实现驱动电机和永磁耦合器和停止控制。

4 结束语

永磁调速技术在 A化工集团1#风机中的改造应用，效果是显著的，其改造后的系统具有以下优点：(1)节电降耗：根据电机运行的实际工况，通过现场控制实现转速调节，以满足工艺的各种工况需求。改变传统的调节模式，节约电能;

(2) 解决了电机振动等造成的相关问题，大大降低了系统的故障率，延长了电机和负载的寿命。主要是可以显著地延长轴承和密封件的寿命，大大减少了系统的备品备件消耗和降低维护费用;(3)具有软启动/软停机功能：可有效降低电机的启动电流，负载可有选择启动/停止，大大提高系统启、停性能。

永磁调速器具有较好的节能减排效果，可产生巨大的社会效益。在炼化企业具有较好的应用前景和推广价值。

参考文献

[1] 吴顺根.永磁调速装置的节能性能试验[J].上海电力学院学报，2009，25(3)：261-263

[2] 赵国祥，马文静等.永磁调速驱动器在闭式冷却水泵上的节能改造[J].节能，2010，(4)：41-43

作者：栾荣华崔守娟

第三篇：永磁调速技术在供水系统的应用及效果分析

摘要：通过永磁调速器在供水系统水泵机组的技术应用，对机组运行情况和节能效果进行分析。考察机组运行效率，对比改造前后机组的运行情况并计算节电率。从实践中得知，水泵机组在进行永磁调速改造后，供水设备得到升级，提高机组运行效率，降低能耗和运行成本，同时保证了供水系统的稳定性、可靠性。

关键词：永磁调速;水泵;改造;节能

1 引言

水源采取地下取水方式，井群各管井通过潜水泵抽取地下水，由于投产多年管井老化，管井的出水量减少，为了满足供水需求，开启管井数量多，能耗和运行成本增加。保证管井与机组优化运行、降低运行成本成为当务之急。因此，对水泵进行节能改造，降低运行成本具有重要意义。

2 供水系统概况及背景

2.1 水源概况

通过潜水泵抽取的地下水，经两条DN1000管线送到沉沙池，通过沉沙处理后的水，汇集到清水池，再经集水井送到加压站(六台机组)，经离心泵加压后，经DN700和DN1000两条管线送至配水装置。

2.2 改造背景

1#泵于1995年安装机械调速，因为技术过时，零件老化已无备件可换。在运行过程中出现振动大、机械调速器漏油严重、噪声大等现象，基本不具备运行、节能的条件。根据现场运行设备特性，为改善电机/负载运行特性，提高设备使用寿命、节能降耗，在充分利用现有条件基础上，对1#泵进行永磁调速改造。水泵机组原有技术参数见表1。

3 永磁调速器原理

通过改变筒型导体转子和永磁转子啮合面积方式来进行风机、泵的调速节能。永磁调速器与变频调速器对比可以看出，永磁调速器总费用较低;减振效果可降低50%-85%;维护工作量及成本最小、零件最少;设计寿命在20-30年;节能效果与变频调速器相当，在低速时，节能效果比变频调速器稍差;调速范围在0-98%。

4 效果分析

4.1 节电率

分别选取1#泵、5#泵同时运行和2#泵、5#泵同时运行时，流量相近且5#泵电流保持不变的情况下的运行数据，将1#泵和2#泵电流进行对比，计算节电率，具体选取数据及节电率计算結果见表2、表3。

通过对比1#泵和2#泵电流，计算出节电率最大值25.00%，最小值5.00%，平均值16.36%。

4.2 振速

通过永磁调速系统运行振速值测试，电机振动最大振速值1.7mm/s，调速器振动最大振速值0.8mm/s，负载振动最大振速值0.6mm/s。符合国家标准GB10889-89振动烈度<2.8mm/s，且改造后振动值不大于改造前设备的振动值。

5 结论

从实践中得知，通过将1#泵原液力耦合器调速改造为永磁调速器，实现1#泵调速装置的工艺、系统升级，提高水泵运行效率，增加供水稳定性，达到节能的目的。选择合理的优化运行方式，选用永磁调速机组与管井匹配运行，能够改善供水系统运行、降低能耗及运行成本。

参考文献：

[1]刘远，叶晓林.永磁调速技术在供水节能领域的应用研究[J].科技传播，2012.7(下)，152