摘要：同步永磁耦合器是一种无机械连接的新型联轴器，通过永磁铁的磁力将原动机与负载机连接起来。它具有效率高、免维护、振动隔离效果好的特点。在双驱带机上，由于其同步特性无法解决驱动电机电流的不平衡问题，其推广和应用受到极大限制。从分析驱动电机电流不平衡的原因出发，提出了应用均流互感器解决电流不平衡的方法。模拟分析验证了均流互感器均衡双驱带机驱动电机电流的有效性。

  0 引言

  带式输送机广泛应用于煤炭、水泥、电力、钢铁等行业。在带式输送机的驱动系统中，限矩液偶通常设置在电机和齿轮箱之间，以达到柔性驱动的目的。柔性驱动可以有效地保护轴系统中的各种设备。

  限矩液偶在实际应用中存在一些问题，特别是在带式输送机驱动系统中存在较大的隐患1。例如，环境温度的变化会导致油粘度的变化，影响灵活性；过载时会产生高温，高温油从易熔塞中喷出，污染环境等。同步永磁耦合器通过永磁铁的磁力作为介质传递扭矩，具有传递效率高、隔离振动效果好、全生命周期免维护等优点。

  在某些特殊情况下，例如，带式输送机由两台电机驱动（通常称为双驱动带式输送机）永磁耦合器代替限矩液偶可能导致驱动电机电流失衡。作者在用户现场发现，最严重的电流失衡是一台电机的电流是另一台电机的50%。如果不解决双驱动皮带机电流失衡的问题，同步永磁耦合器的应用范围将大大缩小。

  1 双驱皮带机电流不平衡的原因

  分析双驱皮带机驱动电机电流不平衡的原因，可以从异步电机定子的π形等效电路3开始，如图1所示。

  图1 异步电机定子π形等效电路

  式中：V1——输入电压；I1——输入电流；X1——定子电抗；R1——定子电阻；X2’——转换为定子侧的转子电抗；R2’——转换到定子侧的转子电阻；s——转差率(同步转速与实际转速之差与同步转速之比)；Xm——激磁电抗；Rm——激磁电阻。

  激磁电流通常远小于Xm和Rm4。为了简化计算，可以忽略激磁支路，得到它L如图2所示。

  图2 异步电机定子L形等效电路

  从简化的L在形等效电路中可以看到，因为X1、R1、X2’都很小，影响定子电流的最大因素是s和R2’。忽略X1、R1、X2’，得到：

  从公式(1)可以看出影响I1最大的三个参数是V1、s和R2’。由于双驱动电机的电源是相同的电源，通常认为两台电机V1是一样的。忽略电机本身参数的差异，认为R2’如果差异不大，则电机的电流I1与转差s成正比左右。

  假设 型号 4 极 电 机 标准转向 30rpm5规定转差率的容差为±30%，那么这种电机额定转速的标准值是1470rpm，容差为±9rpm，即该电机在1461rpm～1479rpm两者都符合标准。但前者的转差率s1为0.026，后者的转差率s2为0.014，结果导致前者I1前者1.8倍。

  2 限矩液偶平衡电流的原理

  限矩液偶以液体为媒介传递扭矩，具有柔性传动、驱动电机轻负荷启动、过载保护、多机协调同步启动等特点，广泛应用于各种带式输送机场合6。

  限矩液偶平衡电流的步骤如下7：第一步是通过增加液体压力来调整电流小的电机对应的液偶，以提高其输出速度。由于液偶的最高输出速度不能超过输入速度，因此调整极限是液偶允许的最大压力。如果调整到极限不能满足电流平衡的要求，则实施第二步，即调整电流大的电机对应的液偶，通过降低液体压力来降低输出速度。

  分析了限矩液偶平衡电流的原理。

  先看第一步。提高电流小的电机对应液偶的输出速度，加快整个皮带的输送速度。由于转差率和电流的增加，电机负载增加，转速降低。另一个电流大的电机由于皮带输送速度的增加，转差率降低，电流降低。电流失衡得到了改善。

  再看第二步。降低电流大的电机对应液偶的输出速度，降低整个皮带的输送速度。由于转差率和电流的降低，电机负载降低，转速增加。另一个电流小的电机由于皮带输送速度的降低，转差率和电流增加。电流不平衡得到了改善。

  综上所述，限矩液偶不仅提供柔性驱动，还能平衡两台驱动电机的电流。

  3 双驱同步永磁耦合器的双驱皮带机电流平衡方法

  从类型（1）可以看出，为了平衡电机的电流，必须调整电机的转差率或电机的转速。同步永磁耦合器同步传递扭矩，不能调整速度，因此不能通过自身平衡电流。

  一个外部调节转速的方法就是采用变频器对电机进行调速【8】。采用变频器进行调节有两种方法：

  方法一:加速电流小的电机；

  方法二:减速电流大的电机。

  无论采用哪种方法，都能得到令人满意的效果。因此，只需要一个电机来安装变频器驱动器。变频器平衡电流的原理与液偶相似。其本质也改变了电机输出的转差率，这里不再重复。该方法最大的缺点是成本高，特别是高压电机驱动的皮带机。此外，变频器对环境要求高，可靠性低。

  重新审查(1)可以发现上述都有一个前提，即V1是两台电机的共同电源，是不可改变的。s和R2’如果你不能改变它，你必须考虑如何改变电压。从公式（1）可以看出，电流与电压成正比。简单地说，提高电流小的电机电压或（和）降低电流大的电机电压可以改善电流不平衡。

  调节电压的方法有很多，如串电阻调节、串电感调节、变压器调节等。不确定导致电流不平衡的因素，如带式滚筒的磨损程度电机运行温度的变化R2’变化等，相应地，V1调整也应自动连续。显然，这些调节电压的方法很难实施。

  由于调整的目的是减少两个电机电流的不平衡，因此可以使用两个电流的差异作为输入条件来调整电压。通过电流偏差值设计合适的电流互感器，实现差值电流的自动平衡和连续可调。

  4 均流互感器平衡电流的原理

  看下面两个电路：

  图3 均流互感器平衡电流原理图

  图3（a）与图3（b）唯一的区别是添加全耦合均流互感器9。其他参数完全相同。V1=100V ?AC，R1=1Ω，R2=2Ω。对于图3（a），很容易计算出欧姆定律R1的电流为V1/R1=100A，R2的电流为V1/R2=50A。模拟电流曲线如图4所示。

  图4 平衡电流前模拟曲线

  图3（b）中均流互感器的电感矩阵为：

  这是一种全耦合互感器，其自感和互感没有太大区别。因此，数学模型的建立如下：

  均流曲线如图5所示。

  图5 均流互感器均流后模拟曲线

  稳态有效值分别为：=67.5A，=65.3A。

  由于均流互感器的作用，电流严重不平衡(分别为100A、50A）相差不到2%。原因是互感器改变了应用程序R1和R2两端的电压。调整后的稳态电压有效值分别为：VR1=67.5V，VR2=65.3V。

  根据两个电阻电流的不同，互感器自动调节此电压。当电流不平衡变化时，电压自动适应，无需人工干预。例如，把手R2改为1.5Ω，模拟结果如图6所示。

  图6 调整参数后模拟曲线

  此时，稳态的有效值分别为：=79.8A，=78.6A。电流仍然平衡。

  5 均流互感器平衡双驱皮带机电机电流的仿真

  图7（a）和图7（b）电机参数完全相同，电源和负载合成扭矩完全相同10。请注意，电机M2速比为1：1.02增速齿轮箱故意制造M1和M2运行速度不同7（a）和图7（b）电路上的区别在于后者的电源和电机之间有均流互感器。

  图7（a）双驱皮带机工况示意图

  图7（b）带均流互感器的双驱皮带机工况示意图

  图7（a）如图8所示，在工况下模拟两个电机的电流曲线7.5A和12.1A。

  图8

  图7（b）如图9所示，两个电机电流的有效值分别为9.9A和10.2A。

  图9 双驱带式均流互感器电机电流模拟曲线图

  从模拟分析可以看出，均流互感器可以改善双驱皮带机电机的电流不平衡。

  6 结论

  同步永磁耦合器因其高效、免维护、良好的振动隔离效果而在各种应用场合取得了很好的应用效果，由于其同步特性，其在双驱动和多驱动带机上的应用受到了很大的限制。本文通过理论分析和模拟研究的结合，有效论证了均流互感器均衡电机电流，可以有效解决同步永磁耦合器均流问题。

  参考文献：

  ［1］限矩液力偶合器、通信电源技术、2016年(33)不应用于带式输送机驱动装置

  ［2］牟红刚等同步永磁耦合器动力学特性模拟研究[J]，2019年47(6)机床及液压：63—68

  ［3］Bi ** l K.Bose着，王聪等译，现代电力电子学与交流传动，机械工业出版社，2013，（7）

  ［4］Theodore Wildi2015年(12)，潘再平等翻译、电机、拖动和电力系统、机械工业出版社

  ［5］限矩液力耦合器用于胶带输送机的研究，Baosteel BAC，2013（K-389）

  ［6］2010耦合器研究与应用、科技情报开发与经济、2010(20)

  ［7］基于故障分析的矿用带式输送机上限矩型液力耦合器的应用讨论、机械管理开发、2019.3

  ［8］带式输送机差动液粘调速器多功率平衡研究、煤炭学报、2006.12（31.6）

  ［9］电机学、科学出版社等。2001.1

  ［10］张立勋等，连续皮带机控制系统的设计与应用，隧道建设，2017.6（37.6）

  作者:黄强、黄海、王彦龙

  单位：