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永磁磁力驱动技术小结

发布时间:2005-09-27 22:44   类型:专业论文   人浏览

1简介
1.1永磁磁力驱动概念
 永磁磁力驱动技术是以现代磁学的基本理论,应用永磁材料所产生的磁力作用,来实现力或者力矩(功率)无接触传递的一种新技术。实现这一技术的装置称为永磁磁力驱动器,或称为永磁磁力传动器、永磁磁力耦合器、永磁磁力联轴器等。
1.1永磁磁力驱动技术的发展史及现状
1940年英国人Charles和Geoffrey Hwward首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题,解决的方法是用磁力驱动泵。在以后30多年里永磁传动技术由于磁性材料的原因进步十分缓慢。1983年高性能钕铁硼(NdFeB)永磁材料的问世,为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。近年来永磁传动技术已从泵类向其它密封机械扩展,技术上集中于提高设备的可靠性、抗介质腐蚀新材料的研究,流体技术及制造装配的精度。磁力泵代表着一个国家制造技术的水平,近年来工业发达国家的磁力泵在效率、寿命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的进展。
1999年美国MagnaDrive公司对永磁传动研究实现了革命性地突破,实现了对风机水泵旋转负载进行调速,并将传递的功率大大提高,其紧凑型永磁磁力耦合器最大功率可达5000hp。大大地提高了永磁传动的传动效率,全面地提高了电机系统的可靠性,显著地降低了系统的运行费用。将永磁驱动技术开辟了更为广泛的应用。
1.2磁力驱动器的分类
1、根据磁力驱动器的耦合原理可以分为:同步式、涡流式、磁滞式三种。
 同步式永磁磁力耦合器。若设主动件转速为n1,从动件转数为n2,传递的转矩为T时,可传递的最大转矩为Tmax,永磁体的内禀茭顽力为jHc1,在主从动两部件中均采用永磁体,两部件中的矫顽力均相等而且有足够大时,在n1=n2,T<Tmax的条件下,则磁力驱动器为同步式永磁磁力耦合器。
 涡流式永磁磁力耦合器。若主从动件,主动件为导电体,且电导率不等于0时,从动件为永磁体,此时称该磁力驱动器为为涡流磁力驱动器。
 磁滞式永磁磁力耦合器。如果主动件为磁滞材料,内禀矫顽力为jHc1;从动件为永磁体,内禀矫顽力为jHc2时;jHc1>jHc2;T<Tmax,n1=n2时,则无能量损失(磁滞损失),此时磁力驱动器称为磁滞式永磁磁力耦合器。
2、依据磁力驱动器传递运动方式可分为:直线运动、旋转运动、复合运动等
 直线运动式永磁磁力耦合器:当主动件作直线运动时,从动件也作直线运动。
 旋转运动式永磁磁力耦合器:当外磁转子作旋转运动时,内磁转子也作旋转运动。
 复合运动式永磁磁力耦合器:其主动件作直线加旋转的复合运动时,从动件也随之作复合运动。其结构复杂,但是其外形基本上与直线运动式永磁磁力耦合器接近。
3、依据磁力驱动器的结构形式分为圆筒式和圆盘式两种结构
4、根据永磁磁力驱动器的布局分为间隙分散式和组合推拉式两种。
2同步式永磁磁力耦合器
2.1 简介
同步式永磁传动技术是将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件,内外磁部件由隔离罩分开,从而工作轴无须伸出所要封闭的空间,取消了动密封,实现无密封、零泄漏。该技术主要应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的泵和压缩机、搅拌机与阀门等。目前我国流体机械大量使用的传统机械密封在国外的这些部门已逐渐被永磁传动所取代。
永磁传动即永磁联轴器对于需要密封的机械,对有害、有毒、污染、危险、纯净、贵重的产品和生产过程是一最安全解,它的应用范围很宽。现在主要的应用产品有永磁磁力驱动离心泵、永磁磁力驱动齿轮泵、永磁磁力驱动真空动密封、永磁磁力驱动压缩机、永磁磁力驱动搅拌反应釜、磁力驱动液面检测仪等等应用很广泛。
2.2 同步式永磁磁力耦合器的特点
 可将轴传递动力的动密封转化为静密封,实现动力的零泄漏传递
 可避免震动传递,实现工作机械的平稳运行。
 可实现工作机械运行中的过载保护。
 与刚性联轴器相比,安装拆卸、调试、维修均较为方便
 可净化环境、消除污染,实现文明生产。
2.3 同步式永磁磁力耦合器的不足
 磁场的存在可干扰周围环境。磁场在某一空间的存在干扰了周围环境,使某些应避免磁场干扰的仪器与设备的使用受到了限制。
 磁力驱动在起动过程中医产生滞后,因此在要求精确设备的使用上受到了限制。
 磁力驱动器与接触式密封装置相比,效率相对降低。
 现在所传递的功率主要集中在小功率100kW以内,国外有个别厂家传递功率可到350kW。
3涡流式永磁磁力驱动器
3.1 涡流式永磁磁力耦合简介
涡流式永磁磁力驱动技术首先由美国MagnaDrive公司在1999年获得了突破性的发展。该驱动方式与传统的同步式永磁磁力驱动技术有很大的区别,其主要的贡献是将永磁驱动技术的应用大大拓宽。它不解决密封的问题,但是它解决了旋转负载系统的对中、软启动、减震、调速、及过载保护等问题,并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高,可达到98.5%。该技术现已在各行各业获得了广泛的应用。该技术将对传统的传动技术带来了崭新的概念,必将为传动领域带来一场新的革命。为了更好地了解该技术的情况,将美国MagnaDrive公司做一个简单的介绍。
MagnaDrive公司成立于1999年,致力于永磁磁力耦合驱动技术的研发和市场推广。该公司在永磁传动领域获得了革命性地突破,通过该技术,可以大大减少电动机的能耗,减少电动机系统的震动。同年该技术获得美国西北能效协会资助。
在2001年,该技术被美国《工业周刊》杂志评为2001年度科技,并获得年度最佳创新奖。同年受到美国能源部的嘉奖。
在2004年3月,美国海军经过两年多的验证后,对该技术产品实现了批量采购。2004年该公司被美国Inc. 500评为全美成长最快的500家私人企业之一;同年被Deloitte&Touche评为北美成长最快的100家高科技企业之一。
该产品已经通过美国海军最严格的9-G抗震试验。同时,该产品在美国获得17项专利技术,在全球共获得专利一百多项。目前,由MagnaDrive公司和美国西北能效协会组成专门小组对该技术设备进行商业化推广。由于该技术创新,使人们对节能概念有了全新的认识。在短短的几年中,MagnaDrive获得了很大的发展,现已经渗透到各行各业,在全球已超过2000套设备投入运行。
3.3 涡流式永磁磁力耦合工作原理
MagnaDrive永磁磁力耦合调速驱动是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动(电动机)和被驱动(负载)侧没有机械链接。其工作原理是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应磁场相互作用产生转矩,通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可以控制传递的转矩,从而实现负载速度调节。
由下图所示,MagnaDrive永磁磁力耦合调速驱动器主要由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成。铜转子固定在电动机轴上,永磁转子固定在负载转轴上,铜转子和永磁转子之间有间隙(称为气隙)。这样电动机和负载由原来的硬(机械)链接转变为软(磁)链接,通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化,从而实现负载转速变化。由上面的分析可以知道,通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。
磁感应原理是通过磁体和导体之间的相对运动产生。也就是说,永磁磁力耦合调速驱动器的输出转速始终都比输入转速小,转速差称为滑差。典型情况下,在电动机满转时,MagnaDrive ASD的滑差在1%--4%之间。

        
 
通过MagnaDrive ASD,输入转矩总是等于输出转矩,因此电动机只需要产生负载所需要的转矩。
MagnaDrive ASD传输能量和控制速度的能力不受电动机轴和负载轴之间由于安装未对准原因而产生的小角度或者小偏移的影响。排除了未对准而产生的震动问题,由于没有机械链接,即使电动机本身引起的震动也不会引起负载震动,使整个系统的震动问题得到有效降低。
MagnaDrive ASD控制器通过处理各种信号实现对负载调速,包括压力、流量、位移等其他过程控制信号。MagnaDrive ASD可以方便地对现有设备进行改造,不需要对现有电动机和供电电源进行任何改动,极少的现金和安装投入。安装MagnaDrive ASD以后,对整个系统不产生电磁干扰。在大多数情况下,关闭或者拆除现有的过程控制硬件设备。负载将在最优化的速度运行,增加能源效率,减少运行和维护成本。

3.3 涡流式永磁磁力耦合调速的特点
 总成本最低。
 维护工作量小,几乎为免维护产品,维护费用极低。
 容忍较大的安装对中误差(5mm) 。大大简化了安装调试过程。
 过载保护功能。提高了整个电机驱动系统的可靠性,完全消除了系统因过载而导致的损害现象。
 带缓冲的软启动/软制动(刹车)。
 节能效果显著。 节电率达到25%--66%。
 使用寿命长,设计寿命30年。美国海军品质。
 过程控制精确高。控制精度达到0.1% 。 (磁浮定位技术)
 减震效果好。
 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,可方便地对现有系统进行改造或用在新建系统。
 应用现场多,已成功应用2000套。 

3.4 涡流式永磁磁力耦合调速的不足
 在低速时,节电效果比同等功率的变频器差;
 对于改造项目,安装时,需要移动电动机;
 只能以一控一方式运行,而变频器可以一控多;
4 小结
 磁力传动技术并非只是简单的利用磁体的同性相斥、异性相吸作用,它是传动技术、材料技术、制造技术的集成。世界一流的专业生产厂,他们的产品在世界享有声誉,以至于我们无法仿制,其原因就在如此。21世纪制造技术不但将继续制造常轨条件下运行的机器与设备,而且将制造出极端环境下运行的机械设备。
21世纪制造的产品应是符合节能和生态环保,与人友好的绿色产品,磁力传动技术正是适应这一发展态势,。随着新技术、新工艺、新结构的出现,必将迎来永磁传动技术发展的热潮。

































































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