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[摘 要]永磁调速器是专门针对风机、泵类离心负载调速节能研发的一款新产品。永磁调速技术利用非接触方式传递扭矩，通过调节耦合面积实现水泵的无极调速，具有结构简单，环境适应性高，运行可靠，维护简单等特点。本文简要介绍了PMD的工作原理以及自身的特点。本文介绍了PMD在河南神火煤业股份有限公司新庄煤矿北井地面瓦斯抽放泵中的应用，其投放后运行稳定，节能效果明显。
[关键词]永磁调速器 非接触式 软启动 瓦斯抽放泵 节能环保
中图分类号：TU13.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0200-02
一、引言
随着全球人口和经济规模的不断发展，能源短缺和环境污染已成为人类当前面临的世纪性难题。节能环保设备和技术的应用受到了普遍的重视，特别是在电厂、煤矿、化工等重点耗能行业。其中一项措施是逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节能环保。通过直接调整电机转速或调整负载转速，在满足系统压力、流量等需求的情况下，减少负载功率、实现降速节能。目前市场上常用的调速设备有液力耦合器、串级调速、变频器等，各有优缺点。永磁调速器（PMD）作为近几年来国际上一项突破性的节能技术，是专门针对风机、泵类离心负载调速节能的技术。通过永磁调速新技术的应用，实现降低生产运行成本和提高设备使用效率，同时达到节能环保的作用。
二、永磁调速器的结构及原理
永磁调速器（PMD）是利用涡电流机械原理传递扭矩的设备，由导体转子、永磁转子、调速机构组成。导体转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，它们之间没有刚性连接，存在间隙（称为气隙）。这样电动机和负载由原来的硬（机械）连接转变为软（磁）连接。
其工作如图所示：导体转子和永磁转子可以自由独立旋转，当电机带动导体转子旋转，导体转子与永磁转子产生相对运动。导体转子切割永磁体的磁力线，在铜导体表面产生涡电流，进而产生感应磁场与永磁体产生的磁场交互作用，从而带动永磁转子与导体转子同方向旋转，实现两者之间的扭矩传递，最终完成由电机到负载的转矩传输。通过调节导体转子与永磁转子之间的磁场耦合面积，可以控制传递扭矩的大小，从而获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。
永磁调速系统由永磁调速器、电动执行器、控制信号源、远程控制系统、电缆等设备集成。电动执行器接受控制中心的指令，根据指令调节筒形转子与永磁转子之间的耦合面积，从而调节负载转速，并将结果反馈给控制中心。控制信号源为管网负压、流量、液位或其他的控制信号。
三、永磁调速器的特点
1、调节范围宽
在0～98%范围内对负载进行无极调速。
2、可实现过程控制，响应速度快
永磁调速接受标准4～20mA信号，根据传输信号调节负载转速，满足系统需求，响应速度快。
3、不存在电力谐波干扰和电磁干扰
电动机负载是感性负载，而永磁调速器为机械式调速装置，与电性能无关，不产生谐波干扰，也不会产生电磁干扰。
4、电机不会过热，也不需更换和改造电机
电机在运行时，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，电机内部采取风冷散热。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，电机发热严重。而永磁调速器是通过改变电机与负载之间的滑差实现调速，电机转速始终维持设计转速，不会因电机转速下降导致电机过热。同时，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。
5、降低维护成本延长系统设备寿命
设备简单，故障率低，维护成本低，使用寿命可达到30年左右。
6、振动小
非机械连接的调速装置，完全通过耦合面积传递扭矩，消除振动能力最高可到80%。
7、空载软启动，启动电流冲击小
在启动时，将耦合量调节到最小，负载完全断开，实现电机零负载启动。通过调节耦合量逐渐缓慢、平稳地控制瓦斯抽放泵加速到全速，启动非常平滑，实现了无冲击的软启动。同时降低了电动机的启动电流和减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响。
8、适应于各种恶劣工作环境
允许在-50～+80℃环境下工作，甚至可以在0～100%相对湿度环境下工作，特别适合电网电压波动较大、谐波含量较高、潮湿、粉尘含量高、高温、低温、易燃、易爆等场合。
9、節能效果显著
通过调节负载转速，提高效率，减轻电动机负荷，达到节能的效果。
四、瓦斯抽放泵永磁调速技术
针对河南神火煤业股份有限公司新庄煤矿北井地面2台瓦斯抽放泵的630kW电动机进行软启动的方式的节能设计。电动机型号为YB2-4503-4，其额定电压为6000V，额定转速为 1489r/min，额定功率为630kW；负载为2BEF-72型水环式真空泵，其排气量为56.6m3/min～635m3/min，最低吸入压力为160pha，转速为270r/min。
瓦斯抽放泵系统中电动机、减速机和瓦斯泵之间采用联轴器（对轮）连接，在实际使用过程中系统的抽风量是不断变化的，达不到瓦斯泵的额定最大抽风量，通过调节水循环泵的进水量控制抽风量。
原系统和其他相同的瓦斯抽放系统中通过对电动机进行变频调节来降速节能，现在可使用电动机无接触式永磁调速器对负载瓦斯泵进行降速，避免了带负荷启动大电流对电网的冲击，达到降速节能效果。
这项技术填补豫东矿区在无接触式智能永磁调速器应用上的空白，提高电机调速的可靠性，减少电能浪费，减轻工人劳动强度，降低生产成本。
五、节能原理和效益分析
（一）永磁调速技术节能原理 为了保证负荷最大时瓦斯抽放系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备瓦斯抽放系统。实际应用中，绝大多数情况下系统并非工作在满负荷下，而是根据负载的实际需求，通过流量控制元件如阀门或风门挡板等实现流量或压力控制，以满足生产过程的需要。
瓦斯抽放系统的效率=电机效率×调节流量或转速×瓦斯泵效率×输送管道的效率。
如果在其它效率恒定的情况下，系统效率取决于调节流量、转速或压力控制设备的效率。采用永磁调速技术，通过调节气隙实现流量和压力的连续控制，在电机转速不变的情况下，调节瓦斯泵的转速。
根据水泵类产品的相似定律以及电机与水泵之间的负载匹配特性，对电机的功率消耗有如下结论。
Q1/Q2 = n1/n2 （流量变化与转速变化成正比）
P1/P = （n1/n）2 （电机功率变化与转速变化的平方成正比，按平方计算）
后一个公式中，P1是调速后所需的电机功率，P是电机轴向额定功率，n1是调速后的负载转速，n是电机的额定转速。
当然在实际运行中，系统能够调节的空间往往在考虑流量满足的同时还要考虑系统的压力能不能满足要求。考虑减速后系统实际持续运行的工况和调速装置的附加损耗，但这种能耗远远低于输入能耗的降低，因此可以实现很好的节能效果。
（二）项目永磁调速节能分析
电机额定功率：630KW，额定电压：6000V，保证原有工况，计算节能效果。
电机原始消耗的轴功率：P= 630KW
改造方案，原系统风门开度55%则风量为额定风量的85%，依据离心设备的相似定律将引风机降速到原来的85%，风门全开。用永磁调速器节能改造后：
安装后消耗的功率：
节能率：
按照150KW来计算，设备年平均运行时间按6000h，每电价按0.7元。则设备年节电总量：。
节约电费：900000×0.7=63万元/年。
等价标煤：×0.4千克标煤/=360吨/年。
年减少碳排放量：360吨×0.68=244.8吨。（0.68为1吨标煤的碳排放系数）
六、结论
通过上述分析，永磁调速器具有高压变频器、液力耦合器等调速装置不可比拟的优势：节能效果显著、机械产品可靠性高、维护少、隔离振动、适应恶劣环境、无电网污染、价格低、改造方便，寿命长达30年等。
该项目符合当前国家鼓励发展的产业政策，绿色环保，节能减排，利国利民，对煤业公司的发展起到极大推动作用，相信在不久的将来，永磁调速器必将在各行各业得到广泛的应用。
参考文献
[1] 林為干，符果行，邬琳若，等.电磁场理论[M].北京：人民邮电出版社，1984.
[2] 谢德馨，白保东，李锦彪，等.三维涡流场的有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2001.
[3] 连法增，WallaceW E.高性能Nd—Fe—B永磁合金[J].东北大学学报：自然科学版，1995，16（3），324—327.
[4]Rabinovici R.Eddy Current Losses of Permanent Magnet Motors[EB/OLI.[2010—11— 11].
[5]苏奎峰，吕强，常天庆，张永秀.TMS320X281xDSP原理及C程序开发，北京航空航天出版社，2008
[关键词]永磁调速器 非接触式 软启动 瓦斯抽放泵 节能环保
中图分类号：TU13.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0200-02
一、引言
随着全球人口和经济规模的不断发展，能源短缺和环境污染已成为人类当前面临的世纪性难题。节能环保设备和技术的应用受到了普遍的重视，特别是在电厂、煤矿、化工等重点耗能行业。其中一项措施是逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节能环保。通过直接调整电机转速或调整负载转速，在满足系统压力、流量等需求的情况下，减少负载功率、实现降速节能。目前市场上常用的调速设备有液力耦合器、串级调速、变频器等，各有优缺点。永磁调速器（PMD）作为近几年来国际上一项突破性的节能技术，是专门针对风机、泵类离心负载调速节能的技术。通过永磁调速新技术的应用，实现降低生产运行成本和提高设备使用效率，同时达到节能环保的作用。
二、永磁调速器的结构及原理
永磁调速器（PMD）是利用涡电流机械原理传递扭矩的设备，由导体转子、永磁转子、调速机构组成。导体转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，它们之间没有刚性连接，存在间隙（称为气隙）。这样电动机和负载由原来的硬（机械）连接转变为软（磁）连接。
其工作如图所示：导体转子和永磁转子可以自由独立旋转，当电机带动导体转子旋转，导体转子与永磁转子产生相对运动。导体转子切割永磁体的磁力线，在铜导体表面产生涡电流，进而产生感应磁场与永磁体产生的磁场交互作用，从而带动永磁转子与导体转子同方向旋转，实现两者之间的扭矩传递，最终完成由电机到负载的转矩传输。通过调节导体转子与永磁转子之间的磁场耦合面积，可以控制传递扭矩的大小，从而获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。
永磁调速系统由永磁调速器、电动执行器、控制信号源、远程控制系统、电缆等设备集成。电动执行器接受控制中心的指令，根据指令调节筒形转子与永磁转子之间的耦合面积，从而调节负载转速，并将结果反馈给控制中心。控制信号源为管网负压、流量、液位或其他的控制信号。
三、永磁调速器的特点
1、调节范围宽
在0～98%范围内对负载进行无极调速。
2、可实现过程控制，响应速度快
永磁调速接受标准4～20mA信号，根据传输信号调节负载转速，满足系统需求，响应速度快。
3、不存在电力谐波干扰和电磁干扰
电动机负载是感性负载，而永磁调速器为机械式调速装置，与电性能无关，不产生谐波干扰，也不会产生电磁干扰。
4、电机不会过热，也不需更换和改造电机
电机在运行时，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，电机内部采取风冷散热。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，电机发热严重。而永磁调速器是通过改变电机与负载之间的滑差实现调速，电机转速始终维持设计转速，不会因电机转速下降导致电机过热。同时，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。
5、降低维护成本延长系统设备寿命
设备简单，故障率低，维护成本低，使用寿命可达到30年左右。
6、振动小
非机械连接的调速装置，完全通过耦合面积传递扭矩，消除振动能力最高可到80%。
7、空载软启动，启动电流冲击小
在启动时，将耦合量调节到最小，负载完全断开，实现电机零负载启动。通过调节耦合量逐渐缓慢、平稳地控制瓦斯抽放泵加速到全速，启动非常平滑，实现了无冲击的软启动。同时降低了电动机的启动电流和减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响。
8、适应于各种恶劣工作环境
允许在-50～+80℃环境下工作，甚至可以在0～100%相对湿度环境下工作，特别适合电网电压波动较大、谐波含量较高、潮湿、粉尘含量高、高温、低温、易燃、易爆等场合。
9、節能效果显著
通过调节负载转速，提高效率，减轻电动机负荷，达到节能的效果。
四、瓦斯抽放泵永磁调速技术
针对河南神火煤业股份有限公司新庄煤矿北井地面2台瓦斯抽放泵的630kW电动机进行软启动的方式的节能设计。电动机型号为YB2-4503-4，其额定电压为6000V，额定转速为 1489r/min，额定功率为630kW；负载为2BEF-72型水环式真空泵，其排气量为56.6m3/min～635m3/min，最低吸入压力为160pha，转速为270r/min。
瓦斯抽放泵系统中电动机、减速机和瓦斯泵之间采用联轴器（对轮）连接，在实际使用过程中系统的抽风量是不断变化的，达不到瓦斯泵的额定最大抽风量，通过调节水循环泵的进水量控制抽风量。
原系统和其他相同的瓦斯抽放系统中通过对电动机进行变频调节来降速节能，现在可使用电动机无接触式永磁调速器对负载瓦斯泵进行降速，避免了带负荷启动大电流对电网的冲击，达到降速节能效果。
这项技术填补豫东矿区在无接触式智能永磁调速器应用上的空白，提高电机调速的可靠性，减少电能浪费，减轻工人劳动强度，降低生产成本。
五、节能原理和效益分析
（一）永磁调速技术节能原理 为了保证负荷最大时瓦斯抽放系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备瓦斯抽放系统。实际应用中，绝大多数情况下系统并非工作在满负荷下，而是根据负载的实际需求，通过流量控制元件如阀门或风门挡板等实现流量或压力控制，以满足生产过程的需要。
瓦斯抽放系统的效率=电机效率×调节流量或转速×瓦斯泵效率×输送管道的效率。
如果在其它效率恒定的情况下，系统效率取决于调节流量、转速或压力控制设备的效率。采用永磁调速技术，通过调节气隙实现流量和压力的连续控制，在电机转速不变的情况下，调节瓦斯泵的转速。
根据水泵类产品的相似定律以及电机与水泵之间的负载匹配特性，对电机的功率消耗有如下结论。
Q1/Q2 = n1/n2 （流量变化与转速变化成正比）
P1/P = （n1/n）2 （电机功率变化与转速变化的平方成正比，按平方计算）
后一个公式中，P1是调速后所需的电机功率，P是电机轴向额定功率，n1是调速后的负载转速，n是电机的额定转速。
当然在实际运行中，系统能够调节的空间往往在考虑流量满足的同时还要考虑系统的压力能不能满足要求。考虑减速后系统实际持续运行的工况和调速装置的附加损耗，但这种能耗远远低于输入能耗的降低，因此可以实现很好的节能效果。
（二）项目永磁调速节能分析
电机额定功率：630KW，额定电压：6000V，保证原有工况，计算节能效果。
电机原始消耗的轴功率：P= 630KW
改造方案，原系统风门开度55%则风量为额定风量的85%，依据离心设备的相似定律将引风机降速到原来的85%，风门全开。用永磁调速器节能改造后：
安装后消耗的功率：
节能率：
按照150KW来计算，设备年平均运行时间按6000h，每电价按0.7元。则设备年节电总量：。
节约电费：900000×0.7=63万元/年。
等价标煤：×0.4千克标煤/=360吨/年。
年减少碳排放量：360吨×0.68=244.8吨。（0.68为1吨标煤的碳排放系数）
六、结论
通过上述分析，永磁调速器具有高压变频器、液力耦合器等调速装置不可比拟的优势：节能效果显著、机械产品可靠性高、维护少、隔离振动、适应恶劣环境、无电网污染、价格低、改造方便，寿命长达30年等。
该项目符合当前国家鼓励发展的产业政策，绿色环保，节能减排，利国利民，对煤业公司的发展起到极大推动作用，相信在不久的将来，永磁调速器必将在各行各业得到广泛的应用。
参考文献
[1] 林為干，符果行，邬琳若，等.电磁场理论[M].北京：人民邮电出版社，1984.
[2] 谢德馨，白保东，李锦彪，等.三维涡流场的有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2001.
[3] 连法增，WallaceW E.高性能Nd—Fe—B永磁合金[J].东北大学学报：自然科学版，1995，16（3），324—327.
[4]Rabinovici R.Eddy Current Losses of Permanent Magnet Motors[EB/OLI.[2010—11— 11].
[5]苏奎峰，吕强，常天庆，张永秀.TMS320X281xDSP原理及C程序开发，北京航空航天出版社，2008