CN112287558A - 一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法属于永磁传动技术领域，涉及一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法。该方法首先充分考虑永磁耦合器传动特点，涡流在导体盘产生的涡流损耗以及各传动部件之间的机械磨损发热，建立简化传动分析模型。然后，依据传动模型对永磁耦合器各端转矩的关系进行分析，得到滑差功率与输入功率之间的关系。考虑水泵类负载输出功率与转速存在一定关系，得到实际输出功率与额定功率的比值。最终计算出风机类用永磁耦合器总节能率和总节能功率。该方法在永磁调速器的节能优化、降低成本、寿命延长等方面都具有十分重要的意义，具有很高的工程应用价值。该方法计算简单，精度较高，适用性强。

Description

一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法

技术领域

本发明属于永磁传动技术领域，涉及一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法。

背景技术

在我国工业生产领域，风机类、水泵类负载一直都是应用最广的通用性负载。我国每年此类负载的用电量占全球总用电量的百分之三十以上，提高此类负载的节能效率可以有效的缓解资源浪费、能源短缺等问题。近年来，由于永磁调速器具有易维护、环境要求低、成本低、防过载等优点，一直受到研究学者们的广泛关注和研究。采用永磁调速器对风机类、水泵类负载进行传动和调速可以极大的提高设备的传动效率和节能效率。随着我国大型旋转机械对节能效率的提升需求日趋迫切，对永磁调速器的节能功率以及节能率进行精准的计算和预测也具有十分重要的意义。

针对永磁调速器稳定工况下节能功率以及节能率的计算，江苏磁谷科技股份有限公司的漆复兴等人在期刊《电气技术》2020年05期发表了论文《2500kW绕组式永磁耦合调速器的设计特点与实际应用》，提出了一种永磁调速器节能率的计算方法，并给出节能率的表达式。但是该表达式中假设永磁调速器输入转速恒定为1，忽略了实际工况下输出轴功率变化对节能率的影响，导致该表达式对节能率的计算精度较低，难以直接应用于对实际工况下风机用永磁调速器的节能率的计算；凉山矿业股份有限公司的陈建等人在期刊《设备管理与维修》2019年14期发表了论文《永磁调速在转炉收尘风机中的运用》，对永磁调速器的节能率进行了分析和计算。该方法计算简单，但是功率修正系数的选取对不同工况下永磁调速器节能率的计算精度影响很大，难以广泛应用。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的计算精度低，适用性差等问题，克服现有技术缺陷，发明了一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法。该方法首先充分考虑永磁调速器传动特点，涡流在导体盘产生的涡流损耗以及各传动部件之间的机械磨损发热，建立简化传动分析模型。然后，依据传动模型对永磁调速器各端转矩的关系进行分析，进一步得到滑差功率与输入功率之间的关系。由于风机类，水泵类负载输出功率与转速存在一定关系，得到实际输出功率与额定功率的比值，从而得到永磁调速器总节能功率与总节能率的计算表达式。

本发明采用的技术方案是一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法，该方法首先充分考虑永磁调速器传动特点，涡流在导体盘产生的涡流损耗以及各传动部件之间的机械磨损发热，建立简化传动分析模型。然后，依据传动模型对永磁调速器各端转矩的关系进行分析，进一步得到滑差功率与输入功率之间的关系。由于风机类，水泵类负载输出功率与转速存在一定关系，得到实际输出功率与额定功率的比值，从而得到永磁调速器总节能功率与总节能率的计算表达式；

该方法的具体步骤如下：

第一步 建立传动分析模型，分析转矩传递关系

基于永磁调速器的工作原理和传动特点，简化并建立各传动部件之间的传动分析模型；分析永磁调速器输入轴与输出轴之间输入转矩与输出转矩的关系，公式为：

式中，ΔT₁为电机输出转矩和输入轴输入转矩的差值，ΔT₂为输入轴输入转矩与输出轴输出转矩的差值，T₀为电机的输出转矩，T₁为永磁调速器输入轴的输入转矩，T_L为永磁调速器输出轴的输出转矩，ω₁为输入轴的角速度，ω₂为输出轴的角速度，I为转动惯量；

在永磁调速器稳定工作时，有：

T₀＝T₁＝T_L (3)

第二步 计算滑差功率

电机传递给负载的功率可分为两部分，一部分是导体盘产生的涡流与永磁体磁场相互作用进而拖动负载的功率，另一部分是由导体盘涡流损耗产生的功率，即滑差功率；

设：n₁为永磁调速器输入轴转速，n₂为永磁调速器输出轴转速，s为转差率，则有：

根据各传动轴转矩的相对关系，设P₁为永磁调速器输入功率，P₂为永磁调速器输出功率，ΔP₁为滑差功率，各部分功率表达式为：

第三步计算负载运行功率差

在实际工况下，实际风机类负载运行功率与输出轴输出功率存在差异；根据风机类，水泵类负载的传动特性，考虑永磁调速器存在磨损，漏油等情况，风机、水泵类负载的功率表达式为：

P₃＝kn₃ ³ (8)

k＝NρR⁵ (9)

式中，k为负载功率与转速三次方之间的系数，N为功率准数，与风机类、水泵类负载尺寸参数相关，ρ为介质密度，R为负载搅拌器直径，n₃为负载实际运行的转速，P₃为风机、水泵类负载的实际功率；

永磁调速器输出轴功率与负载实际功率的功率差表达式ΔP₂为：

第四步 计算总节能功率与总节能率

依据滑差功率和输出轴功率差的表达式，永磁调速器的总节能率δ及总节能功率ΔP为：

式中，δ₁为由滑差功率引起的节能率，δ₂为实际输出轴功率差引起的节能率。

本发明的有益效果是充分考虑了永磁调速器实际运行情况，提出了一种永磁调速器节能功率和节能率的精确计算方法。对比已有的计算方法，大大提高了精度和适用程度。本发明可以用来计算和预测在不同工况下风机、水泵类负载用永磁调速器的节能功率和节能率。在永磁调速器的节能优化、降低成本、寿命延长等方面都具有十分重要的意义，具有很高的工程应用价值。该方法计算简单，精度较高，适用性强。

附图说明

图1是本发明的永磁调速器节能功率和节能率计算流程图。

图2是本发明的基于永磁调速器原理的简化传动分析模型示意图。其中，T₀为电机的输出转矩，T₁为永磁耦合器输入轴的输入转矩，T_L为永磁耦合器输出轴的输出转矩，ω₁为输入轴的角速度，ω₂为输出轴的角速度，n₃为负载转速。

图3是本发明实施的永磁调速器的结构示意图，其中，1为背铁，2为永磁体安装盘，3为永磁体，4为导体盘，5为导体盘安装盘。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明进行进一步详细阐述。

本实施例选用一台包含6对永磁体的单导体盘结构永磁调速器、一台水泵类负载，进行总节能率和总节能功率计算，永磁调速器的结构见附图3。测得永磁调速器输入转速1120r/min，输出轴输出转速为963r/min，

图2是本发明的基于永磁调速器原理的简化传动分析模型示意图。该方法的流程图见图1。方法的具体步骤如下：

第一步 建立传动分析模型，分析转矩传递关系。

基于永磁调速器的工作原理和传动特点，简化并建立各传动部件之间的传动分析模型；分析永磁调速器输入轴与输出轴之间输入转矩与输出转矩的关系，得到公式(1)、(2)。

第二步 计算滑差功率。

电机传递给负载的功率可分为两部分，一部分是导体盘产生的涡流与永磁体磁场相互作用进而拖动负载的功率，另一部分是由导体盘涡流损耗产生的功率，即滑差功率；

设：n₁为永磁调速器输入轴转速，n₂为永磁调速器输出轴转速，s为转差率，根据公式(4)计算。已知永磁调速器输入转速n₁为1120r/min，输出轴输出转速n₂为963r/min，计算出转速差s为157r/min。

根据各传动轴转矩的相对关系，设P₁为永磁调速器输入功率，P₂为永磁调速器输出功率，计算得滑差功率ΔP₁为2120.8w，各部分功率表达式为公式(5-7)。

第三步 计算负载运行功率差。

在实际工况下，实际风机类负载运行功率与输出轴输出功率存在差异。根据风机类，水泵类负载的传动特性，考虑永磁调速器存在磨损，漏油等情况，设水泵类负载的系数k为1.13×10^-5w·min³/r³，负载实际输出转速n₃为935r/min。根据公式(8-10)计算得永磁调速器输出轴功率与负载实际功率的功率差ΔP₂为378.2w。

第四步 计算总节能功率与总节能率。

依据滑差功率和输出轴功率差的表达式，计算永磁调速器的总节能率δ及总节能功率ΔP。

用公式(11)计算永磁调速器由滑差功率产生的总节能率δ：其中：

总节能率δ为：

δ＝δ₁+δ₂＝22.49％

用公式(12)计算总节能功率为：

综上所述，本发明对水泵类用永磁调速器的节能率的计算值为22.49％，节能功率为2499.0w。依据该计算值可以对实际工况下风机类负载用永磁调速器的经济效益和节能效益进行指导和优化。起到节约成本，延长永磁调速器使用寿命等作用，具有较高的工程应用价值。

Claims (1)

1.一种永磁调速器节能功率与节能率的计算方法，其特征是，该方法首先充分考虑永磁调速器传动特点，涡流在导体盘产生的涡流损耗以及各传动部件之间的机械磨损发热，建立简化传动分析模型；然后，依据传动模型对永磁调速器各端转矩的关系进行分析，进一步得到滑差功率与输入功率之间的关系；由于风机类，水泵类负载输出功率与转速存在一定关系，得到实际输出功率与额定功率的比值，从而得到永磁调速器总节能功率与总节能率的计算表达式；

该方法的具体步骤如下：

第一步 建立传动分析模型，分析转矩传递关系；

基于永磁调速器的工作原理和传动特点，简化并建立各传动部件之间的传动分析模型；分析永磁调速器输入轴与输出轴之间输入转矩与输出转矩的关系，公式为：

式中，ΔT₁为电机输出转矩和输入轴输入转矩的差值，ΔT₂为输入轴输入转矩与输出轴输出转矩的差值，T₀为电机的输出转矩，T₁为永磁调速器输入轴的输入转矩，T_L为永磁调速器输出轴的输出转矩，ω₁为输入轴的角速度，ω₂为输出轴的角速度，I为转动惯量；

在永磁调速器稳定工作时，有：

T₀＝T₁＝T_L (3)

第二步 计算滑差功率；

电机传递给负载的功率可分为两部分，一部分是导体盘产生的涡流与永磁体磁场相互作用进而拖动负载的功率，另一部分是由导体盘涡流损耗产生的功率，即滑差功率；

设：n₁为永磁调速器输入轴转速，n₂为永磁调速器输出轴转速，s为转差率，则有：

根据各传动轴转矩的相对关系，设P₁为永磁调速器输入功率，P₂为永磁调速器输出功率，ΔP₁为滑差功率，各部分功率表达式为：

第三步 计算负载运行功率差；

在实际工况下，实际风机类负载运行功率与输出轴输出功率存在差异；根据风机类，水泵类负载的传动特性，考虑永磁调速器存在磨损，漏油等情况，风机、水泵类负载的功率表达式为：

P₃＝kn₃ ³ (8)

k＝NρR⁵ (9)

式中，k为负载功率与转速三次方之间的系数，N为功率准数，与风机类、水泵类负载尺寸参数相关，ρ为介质密度，R为负载搅拌器直径，n₃为负载实际运行的转速，P₃为风机、水泵类负载的实际功率；

永磁调速器输出轴功率与负载实际功率的功率差表达式ΔP₂为：

第四步 计算总节能功率与总节能率；

依据滑差功率和输出轴功率差的表达式，永磁调速器的总节能率δ及总节能功率ΔP为：

式中，δ₁为由滑差功率引起的节能率，δ₂为实际输出轴功率差引起的节能率。

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