【摘要】永磁调速器（Adjustable Permanent Magnetic Coupler，APMC）是通过调节气隙长度控制输出转速/转矩的一种全新理念的调速节能设备，采用了纯机械式结构。已成为永磁传动技术应用中的一个研究热点。相比传统的变频调速技术，永磁调速器具有维护方便、容忍对中误差、减小振动传递、避免产生电力谐波污染以及电磁干扰等诸多优点，已经成功应用于电力、石油化工等行业中。本文对永磁调速器的发展现状做了简要的介绍。
【关键词】永磁调速器；变频传动；分离变量法
一、永磁调速器的研究背景
我国是能耗大国，能源利用率较低，能源储备不足。在我国全部的工业负载之中，风机与泵所占的比例为40%～50%（按能耗计算），这些负载每年需耗费电量上千亿千瓦时。风机与泵的实际运行效率普遍比工业先进国家低10%以上。所以开展风机与泵的节能、降耗工作是非常必要的，而且符合我国国情的需要，具有较大的节能潜力。
最初风机与泵分别通过调节风门挡板/节流阀控制压力/流量，达到节能的目的。电力调速/变频技术被成功引入，提供了一种替代传统节流控制的高效节能技术，业已成为了节能调速行业的主流。
变频调速系统存在以下问题： 1.高效率是以高昂资本开支为代价的；2.由于大规模电力电子器件的使用，对电网造成了严重的谐波污染。
二、永磁调速器的研究意义
随着高性能永磁材料的问世，以及磁力传动技术的不断完善，一种新兴的节能调速装置——永磁调速器随之诞生。永磁调速器安装在电动机与负载之间，采用纯机械式结构，利用磁场间的作用力传递转矩，实现了非接触传递能量，可根据负载需求实时地控制输出转矩与转速。
永磁调速器具有如下主要优势。
1.利用全新的机械方式实现了电动机的扭矩传递和负载速度调节，效率高。
2.永磁调速器在电动机扭矩传递和负载速度调节中，采用了导体-永磁体的磁路结构，实现了随负载及气隙变化，降低了能量的传递与消耗。
3.与目前主流电动机调速设备——变频器相比，永磁调速器采用了纯机械非接触性式结构，有效地消除了电力谐波污染、电磁干扰，避免电机与负载间振动的传递，真正实现了绿色节能。
三、永磁调速器的发展及应用现状
1994年，美国学者Nehl T W、Lequesne B、Gangla V提出了永磁涡流耦合器的基本概念，即磁路结构包括一个导体盘、一个永磁盘（一个钢盘以及固定在其上的永磁体），永磁体代替传统的电磁体成为磁路中的磁源，永磁涡流耦合器利用导体盘切割磁力线所形成的涡流感应磁场与永磁场间的作用力，实现非接触传递转矩。
1995年美国学者Wallace A、Wohlgemuth C、Lamb K对永磁涡流耦合器进行了结构上的改进，设计了包含多组导体-永磁盘（即两个导体盘、一个永磁盘，或两个导体盘、两个永磁盘）的磁路结构，并完成了永磁涡流耦合器的样机，进行了相关性能测试。
1997年，美国学者Lequesne B、Liu Buyun、NehlT W对永磁涡流耦合器磁路结构的几种设计方案进行了谈论，对比分析了几种磁路结构的特性曲线，通过特性研究找出最佳的设计方案，完成了磁路参数的优化设计，并与实验数据进行比较，从而验证了特性分析的有效性；此外首次提出了永磁调速器的设计理念，即增加气隙调节装置，通过调节气隙达到节能调速的目的。
2000年美国学者Wallace A、von Jouanne A、Jeffryes R对原有磁路结构进行了改进，即在磁路中增加隔磁材料，从而减少了永磁体间的横向漏磁，提高了设备的性能；此外，根据改进的磁路结构设计了永磁调速器样机，并构建了样机实验平台，实际地进行了样机的性能测试，比较了永磁调速器、变频器、节流阀三种调速方案的实际节能效果，突显出永磁调速器的优势所在。
2001年美国学者Wallace A、von Jouanne A对永磁调速器进行了更为细致的实验分析，研究了设备的调速特性，测试了导体盘的涡流损耗以及温升数值，完成了谐波质量的检测。
目前，磁路设计技术的研究方向主要有以下几个方面：
1.磁路结构设计的多样性。在原有盘式结构的技术上，永磁调速器可以尝试筒式/混合式磁路结构的设计，使其真正成为一个具有开放式结构的调速系统，可根据工作场合的需要设定结构。
2.导体材料的研究。永磁调速器的性能与导体材料息息相关，除了现有的铜材料外，导体材料可以考虑选用新型的合金材料，超导材料等。新材料的出现，既带来了发展的潜力，也带来了新的问题。原有的设计理论及经验公式是基于特定材料的，对适用于新材料的设计理论还有待研究。
3.磁路配置方式的研究。永磁调速器当前采用单行间隙排列的磁路配置方式，该种方式比较落后，可以考虑采用单行紧密排列、单行聚磁排列、多行聚磁排列、多行紧密排列、渐变式等先进的磁路配置方式。
4.磁路形式的研究。由于矩形永磁体加工方便，价格便宜，并且考虑到机械加工的便利，永磁调速器多选用间隙分散式磁路结构。为了提高设备性能，永磁体可以考虑选用其他形状的磁体，如梯形、扇形等，从而形成组合拉推式磁路。
5.导体转子的改进。为了消除导体盘表面的杂散电流，优化涡流路径，可以将导体盘上开若干个梯形槽，这样电流主要集中在径向路径上，能有效提高传递转矩。同时，永磁体为了配合形成涡流的形状，应选择梯形、扇形或圆形磁体。
永磁调速器的磁路分析方法主要有解析法和数值法，这两种方法对于求解永磁调速器的电磁涡流场都是必须的。解析法虽然缺乏精准度，但是能够清晰地反映设计参数对于设备性能的影响，因此仍可作为一种快速分析工具。目前解析法主要采用二维线性层法建立永磁调速器的数学模型，然后进行相关特性分析。数值法是一个基于离散化的问题，它使电磁场问题的分析研究，从解析的经典解法进入到离散系统的数值分析方法，从而可以通过计算机辅助分析获得高精度的离散解。就电磁场数值计算的核心内容——各种实用的数值计算方法而论，它们是将原连续型数学模型转化为等价的离散型数学模型的基础。目前常用的数值计算方法中应用最广泛的当属有限元法。有限元法又可分为二维有限元法和三维有限元法，其中三位有限元法的计算精度更高。数值法主要用于永磁调速器的定量分析，利用ANSYS有限元软件建立数值仿真模型，然后进行电磁场分析及计算。
四、永磁调速器的总结与展望
近年来，永磁调速技术虽然已经在效率、制造周期、成本、可靠性、制造装配精度等方面取得了突破性的进展，但是还存在很多亟待解决的问题。例如，磁路结构设计仍需继续改进，电磁参数和运行性能的精确计算还有待继续深入研究，各种分析模型还有待完善。
参考文献
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