船用永磁調(diào)速器的設(shè)計特點(diǎn)及試驗研究

孫良友

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船用永磁調(diào)速器的設(shè)計特點(diǎn)及試驗研究

孫良友

(海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101)

本文針對船用風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)速問題，介紹了船用永磁調(diào)速器的技術(shù)優(yōu)勢，從性能指標(biāo)、輕量化設(shè)計要求、環(huán)境適應(yīng)性等方面闡述了船用永磁調(diào)速器的設(shè)計特點(diǎn)，并完成了樣機(jī)研制，對主要性能溫升、效率、振動噪聲、電磁兼容等開展了試驗研究，結(jié)果表明，研制的船用永磁調(diào)速器不僅可滿足船用負(fù)載的調(diào)速要求，而且具有良好的綜合性能。

船用永磁調(diào)速器 船用負(fù)載 振動噪聲 電磁兼容

0 引言

我國各行各業(yè)中為風(fēng)機(jī)、水泵配置的電機(jī)占全國電機(jī)裝機(jī)量的絕大多數(shù)，在使用過程中存在大量大馬拉小車的現(xiàn)象，許多場合仍然采用落后的調(diào)節(jié)擋板或閥門開啟度的方式實現(xiàn)對流量、壓頭和溫度等的控制[1]。這種情況在船舶行業(yè)也較為突出，造成大量的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，比如船用防爆風(fēng)機(jī)、制冷風(fēng)機(jī)、低噪聲風(fēng)機(jī)、船用水泵等。近年來，隨著船舶技術(shù)的發(fā)展，船舶領(lǐng)域的大量風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載存在節(jié)能降噪的需求，此外，某些軍用領(lǐng)域應(yīng)用的船用設(shè)備還存在減振降噪、電磁兼容的苛刻要求，對船用調(diào)速裝置提出了更高的要求。目前，常見的調(diào)速方式包括閥門調(diào)速、液力調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等，相對而言，永磁調(diào)速（器）具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。

永磁調(diào)速器是一種新型的節(jié)能調(diào)速裝置，又稱永磁渦流調(diào)速器或磁力耦合器，一般由本體、執(zhí)行器、防護(hù)罩等組成，連接于原動機(jī)和負(fù)載之間，通過永磁體與導(dǎo)電盤的電磁作用產(chǎn)生耦合力矩，實現(xiàn)原動機(jī)和負(fù)載之間的傳動和調(diào)速，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載具有安裝維護(hù)簡單、高效節(jié)能、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最早開始對永磁調(diào)速器進(jìn)行應(yīng)用研究的是美國的MagnaDrive公司[2]，主要作為節(jié)能調(diào)速裝置應(yīng)用于發(fā)電、供水、冶金、礦山等領(lǐng)域的各類風(fēng)機(jī)和水泵類負(fù)載。近年來，國內(nèi)學(xué)者開始對該類裝置的建模仿真、性能分析[3-5]等方面開展了研究，同時該項技術(shù)也逐漸在國內(nèi)開始推廣[6]。

由于永磁調(diào)速器屬于一種較新的技術(shù)，目前的應(yīng)用主要集中在發(fā)電、供水等領(lǐng)域，罕有在船舶行業(yè)應(yīng)用的分析和報道。事實上，船用電網(wǎng)是微網(wǎng)系統(tǒng)，耐沖擊能力差，另外，船上存儲的能源有限，存在節(jié)能的需求，這些特點(diǎn)使得永磁調(diào)速器用于船用負(fù)載的調(diào)速具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的市場前景。

1 船用永磁調(diào)速器的技術(shù)優(yōu)勢

船用永磁調(diào)速器的基本機(jī)構(gòu)與一般永磁調(diào)速器無異，其本體結(jié)構(gòu)主要由主動盤和從動盤組成，如圖1所示，主動盤與原動機(jī)同軸連接，一般由導(dǎo)電的金屬盤組成，從動盤與負(fù)載（例如水泵、風(fēng)機(jī)等）連接，一般為帶永磁材料的盤式結(jié)構(gòu)。當(dāng)主動盤旋轉(zhuǎn)時，由于與從動盤存在滑環(huán)，中間產(chǎn)生感應(yīng)電流和磁場，與從動盤磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。如果調(diào)節(jié)主動盤和從動盤之間的機(jī)械距離，就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的大小，并進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)速。相對于其它的調(diào)速方式，它具有如下的技術(shù)優(yōu)勢：

1）無電力電子裝置，運(yùn)行可靠。船用永磁調(diào)速器屬于機(jī)械調(diào)速裝置，無電力電子裝置，不存在器件老化失效等問題，可靠性高，MTBF可達(dá)25年以上。

2）安裝簡單，維護(hù)方便。船用永磁調(diào)速器經(jīng)過特別的設(shè)計，安裝時兩側(cè)通過卡盤連接，不需要改造負(fù)載和電機(jī)接口，無機(jī)械主軸，對中要求不高；僅占用軸向空間，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝和拆卸較為方便。

3）容忍對心誤差，隔離并減少振動。船用永磁調(diào)速器采用磁力傳動，而非直接的機(jī)械基礎(chǔ)，可容忍較大的對心誤差，而不會產(chǎn)生較大振動。同時，可隔離并減少原動機(jī)側(cè)的振動。

4）對船舶電網(wǎng)不產(chǎn)生高次諧波。與變頻調(diào)速裝置相比，船用永磁調(diào)速器無電力電子裝置，也不需外部供電，因此不會向電網(wǎng)注入高次諧波，從而影響船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量，這對于船用電網(wǎng)這種微網(wǎng)系統(tǒng)尤其重要。

5）對船舶電網(wǎng)沖擊小。船舶電網(wǎng)屬于微網(wǎng)系統(tǒng)，耐受沖擊能力弱。采用船用永磁調(diào)速器允許電機(jī)空載啟動，再平緩增加負(fù)載，減少啟動沖擊電流；當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過載或急劇變化時，電機(jī)的軸功率可以被緩沖或隔離，而不至于對電機(jī)產(chǎn)生損害，對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

6）基本無電磁干擾。船用永磁調(diào)速器只是一種機(jī)械裝置，無外接電源，僅在銅盤中有低頻的感應(yīng)電流，其電磁輻射十分有限。在某些對電磁兼容要求很高的場合，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

7）高效節(jié)能。目前船用風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載通常缺乏調(diào)速能力。采用船用永磁調(diào)速器技術(shù)，可以通過調(diào)節(jié)氣隙實現(xiàn)流量或壓力的連續(xù)控制，取代原系統(tǒng)中控制流量和壓力的閥門或風(fēng)力擋板；在80%以上的調(diào)速范圍內(nèi)，具有較高的效率。

2 船用永磁調(diào)速器的設(shè)計特點(diǎn)

船用永磁調(diào)速器應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，對調(diào)速性能、輕量化、船用環(huán)境適應(yīng)性有一些設(shè)計需求，其設(shè)計需要綜合考慮多種運(yùn)行工況。

2.1性能指標(biāo)

1）調(diào)速范圍。船用永磁調(diào)速器與一般設(shè)備相比，調(diào)速范圍大得多。一般的永磁調(diào)速器在80%～95%調(diào)速范圍內(nèi)具有較高的效率，因此一般調(diào)速范圍不會太寬。對于船用永磁調(diào)速器，為減少原動機(jī)的啟停對船舶電網(wǎng)的沖擊，可以將調(diào)速范圍從0開始，從而達(dá)到隔離開關(guān)的效果，減少對船舶電網(wǎng)的沖擊。因此在設(shè)計時，需要增加主動盤和從動盤的行程，使得行程最大時，永磁調(diào)速器的電磁轉(zhuǎn)矩很小，需要開展最大行程時的轉(zhuǎn)矩計算。

3）效率。由于永磁調(diào)速器的效率近似于滑差成正比，因此滑差增加，永磁調(diào)速器的效率急劇減小。圖2給出了不同調(diào)速方式下的效率對比，一般認(rèn)為永磁調(diào)速器在滑差為0～0.2內(nèi)使用較為合適，效率可達(dá)80%以上。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，為提高效率，可以采用兩種方式，一是轉(zhuǎn)子金屬盤可以采用導(dǎo)電率比較高的銅材，二是減少主動盤和從動盤之間的最小間隙。

4）振動噪聲。船用永磁調(diào)速器對振動噪聲要求較高，甚至?xí)岢鱿鄳?yīng)指標(biāo)。船用永磁調(diào)速器的振動和噪聲來源主要來自機(jī)械噪聲（主動盤、從動盤軸承的機(jī)械摩擦）、空氣噪聲（轉(zhuǎn)動部件旋轉(zhuǎn)引起的氣流等），通過選用靜音軸承、優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)等措施可以顯著降低永磁調(diào)速器的噪聲。此外，永磁調(diào)速器的主動盤和從動盤組件應(yīng)相應(yīng)提高動平衡的精度等級，一般應(yīng)不低于G2.5，以降低不平衡引起的機(jī)械振動。

5）電磁兼容。永磁調(diào)速器本身是一種電磁裝置，較之一般的電力電子設(shè)備不存在抗電磁干擾的問題，但本身也是一種電磁干擾源，可能對周圍的電力電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。因此，某些敏感環(huán)境下可能對電磁兼容性有一定的要求。

2.2輕量化設(shè)計要求

船用永磁調(diào)速器比一般永磁調(diào)速器對功率密度有更高的要求。一般從以下幾個方面考慮：

1）采用雙邊結(jié)構(gòu)。船用永磁調(diào)速器為提高功率密度，減少體積和重量，應(yīng)采用雙邊結(jié)構(gòu)，即各有一對主動盤和從動盤，雖然增加了材料和用量，同時使得結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但較之單邊結(jié)構(gòu)可以顯著提高功率密度。此外，有的文獻(xiàn)提出采用“聚磁式”提高永磁調(diào)速器功率密度的措施。

2）輔助設(shè)備的集成。船用永磁調(diào)速器在調(diào)速時，當(dāng)氣隙較小時，由于主動盤和從動盤之間磁拉力較大，因此脫開和分離都較為困難。為此，采用電動執(zhí)行器是一種較好的選擇。此外，大功率船用永磁調(diào)速器可能采用強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷、油冷等措施，相應(yīng)的增加了一些輔助設(shè)備，應(yīng)將各種輔助設(shè)備與本機(jī)集成在一起，可以較好的提高系統(tǒng)的功率密度。

2.3環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

船用永磁調(diào)速器的環(huán)境適應(yīng)性主要考慮：

1）船用環(huán)境下的三防處理。船用永磁調(diào)速器應(yīng)用于船舶領(lǐng)域存在潮濕、霉菌、鹽霧等環(huán)境問題，為減少環(huán)境侵蝕，應(yīng)采用化學(xué)和物理方法對裝置進(jìn)行表面三防處理，特定環(huán)境下應(yīng)通過密封、隔離等措施開展關(guān)鍵部件的保護(hù)，必要時應(yīng)提高防護(hù)等級。

2）船用的振動傾斜環(huán)境。船用永磁調(diào)速器應(yīng)能長期在縱傾和縱搖±10°、橫傾±15°，橫搖±22.5°的條件下正常的工作，因此對船用永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的設(shè)計要求，必要時還要開展力學(xué)與沖擊計算。

3 永磁調(diào)速器的試驗

針對某船用永磁調(diào)速器的需求，開展了樣機(jī)研制，針對永磁調(diào)速器的性能開展了效率、溫升試、振動噪聲、電磁兼容等試驗：

1）效率測試。試驗?zāi)康闹饕菍崪y樣機(jī)的調(diào)速范圍和效率。由于試驗條件的限制，試驗采用了如圖3所示的外接試驗電路。其中扭矩傳感器的讀數(shù)為1，空載時讀數(shù)為0（脫開水泵4時），因此效率定義為：

調(diào)節(jié)主動盤和從動盤之間的距離，實現(xiàn)對負(fù)載的調(diào)速。實測的原動機(jī)輸入轉(zhuǎn)速和樣機(jī)效率如圖4。

圖3試驗系統(tǒng)示意圖

(1-電機(jī)，2-扭矩儀，3-被試永磁調(diào)速器，4-水泵負(fù)載)

實測結(jié)果表明，當(dāng)主動盤和從動盤的距離最大時，從動盤的轉(zhuǎn)速降至0，實現(xiàn)了從0開始調(diào)速的設(shè)計目標(biāo)，當(dāng)主動盤和從動盤的距離最小時，效率達(dá)93%左右。

2）溫升測試。采用紅外測溫儀實測不同轉(zhuǎn)速下主動盤和從動盤的溫升，結(jié)果表明轉(zhuǎn)速為665 rpm（約為輸入轉(zhuǎn)速的2/3）時，主動盤和從動盤的溫度最高，但各種工況下的溫升均不超過70 K。

3）振動噪聲測試。為探討采用永磁調(diào)速器后對負(fù)載振動和噪聲的影響，實測了水泵負(fù)載進(jìn)水處的振動頻譜。圖5給出了連接永磁調(diào)速器前后水泵的進(jìn)水法蘭處振動的對比。

圖5 實測的接永磁調(diào)速器前后水泵的進(jìn)水法蘭處振動

由此可見，采用永磁調(diào)速器之后，泵的進(jìn)水處的振動幾乎沒有顯著的變化，僅在低頻段略有減少，與預(yù)期存在一定差距，可能是因為原動機(jī)的功率較小，另外，安裝永磁調(diào)速器相當(dāng)于軸向串聯(lián)了一套額外的裝置，增加了軸系長度，對振動產(chǎn)生不利影響，因此減少振動的效果不明顯。

在噪聲測試中，因為原動機(jī)、負(fù)載等產(chǎn)生的背景噪聲較大，為抑制背景噪聲大小，制作了一個密封蓋，將原動機(jī)罩住，實測了增加永磁調(diào)速器和不增加兩種情況下的噪聲，對比發(fā)現(xiàn)，二者幾乎沒有顯著變化，根據(jù)聲學(xué)相關(guān)知識，可以認(rèn)為樣機(jī)的噪聲低于背景噪聲10 dB以上。

4）電磁兼容試驗。為探討船用永磁調(diào)速器可能存在的電磁輻射問題，按照標(biāo)準(zhǔn)實測了船用永磁調(diào)速器負(fù)載運(yùn)行時的磁場輻射發(fā)射。圖6給出了其頻譜限值線和實測線，表明船用永磁調(diào)速器具有低電磁輻射的優(yōu)點(diǎn)，可適用于對電磁輻射有苛刻要求的領(lǐng)域。

圖7 樣機(jī)電磁輻射的限值與實測值

4 結(jié)論

本文結(jié)合永磁調(diào)速器的優(yōu)點(diǎn)，針對永磁調(diào)速器在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用問題，介紹了其應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，討論了船用永磁調(diào)速器的設(shè)計特點(diǎn)，針對某船用永磁調(diào)速器需求進(jìn)行了樣機(jī)的研制，并開展了效率、溫升、振動噪聲、電磁兼容等試驗。結(jié)果表明，研制的樣機(jī)不僅可滿足船用負(fù)載的調(diào)速要求，而且具有良好的綜合性能。應(yīng)當(dāng)指出，現(xiàn)階段的工作重點(diǎn)圍繞樣機(jī)的主要性能開展試驗驗證，實船應(yīng)用的船用永磁調(diào)速器還應(yīng)開展嚴(yán)格的船用環(huán)境試驗，包括濕熱、鹽霧和抗沖擊振動試驗等。

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Design Characteristics and Experimental Research of a Marine Magnetic Coupling

Sun Liangyou

（Naval Representatives Office In Hunan, Xiangtan 411101,Hunan, China）

TM921

A

1003-4862（2018）05-0061-04

2018-03-15

孫良友(1977-), 男，工程師。研究方向：永磁調(diào)速器。