永磁傳動技術(shù)概述及發(fā)展前景

王洪群, 黃志堅, 謝明輝, 周國忠, 虞培清

(浙江長城減速機有限公司,溫州,325019)

永磁傳動技術(shù)概述及發(fā)展前景

王洪群, 黃志堅, 謝明輝, 周國忠, 虞培清

(浙江長城減速機有限公司,溫州,325019)

概括介紹了永磁傳動應(yīng)用情況,將其按用途分為傳動軸密封和聯(lián)軸調(diào)速兩種,按結(jié)構(gòu)特征分為圓筒式和圓盤式兩類.通過較為系統(tǒng)詳盡的技術(shù)分析,闡述永磁傳動研究過程中不可忽視的永磁材料特點,包括其性能的不穩(wěn)定性和采購驗收時對磁體性能的有效控制.指出渦流損耗或傳動效率是永磁密封傳動的關(guān)鍵并介紹了其進展和有望得到解決;推導(dǎo)出永磁渦流傳動的渦流損耗P1與傳動輸出功率P之比只取決于旋轉(zhuǎn)相對轉(zhuǎn)速n1和輸出轉(zhuǎn)速n.對永磁傳動發(fā)展前景給予了樂觀展望.

永磁傳動; 同步傳動; 異步傳動; 永磁材料

0 引言

目前為止,從國家科技文獻中心中文庫中檢索有關(guān)永磁傳動方面的文獻約數(shù)百篇;從國家知識產(chǎn)權(quán)局檢索到的相關(guān)中國專利申請多達數(shù)千件.對部分論文及其引用的中外文獻瀏覽情況看,應(yīng)用例的內(nèi)容較多,其次是抽象的指導(dǎo)性理論研究占據(jù)了主要部分,直接對設(shè)計、生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)制定等方面所做的探討較少.專利申請中約一半是在2013年后的近幾年申請.從這些數(shù)據(jù)看,永磁傳動方興未艾,永磁傳動領(lǐng)域還有很多科技工作有待完成.1999年用于聯(lián)軸調(diào)速的永磁傳動產(chǎn)品問世[1],拓展了永磁傳動技術(shù)應(yīng)用.誕生于20世紀(jì)40年代用于傳動軸密封的永磁傳動產(chǎn)品雖然歷經(jīng)近80年的使用和改進[2],但其真正較為廣泛的實際應(yīng)用源自20世紀(jì)80年代永磁材料釹鐵硼的出現(xiàn)[3].從應(yīng)用角度看,永磁傳動一方面用于傳動過程中的密封,變以往的填料密封或機械密封等動密封為靜密封[4];另一方面在傳動過程中起到聯(lián)軸器或調(diào)速器作用,并以磁場無接觸傳動方式取代以往的機械連接傳動[5].前者最突出的優(yōu)點是實現(xiàn)了傳動軸密封的零泄漏[6],我們可以稱此類為永磁密封傳動;后者則被認(rèn)為是目前最先進的非機械聯(lián)接調(diào)速節(jié)能技術(shù)[5],同時具有可靠性、適應(yīng)性、隔振效果、使用壽命長和軟啟動及過載保護等諸多方面的優(yōu)勢,我們可以稱此類為永磁渦流傳動.

1 永磁傳動應(yīng)用綜述

永磁傳動均是非接觸傳動,可以分為同步傳動和異步傳動兩大類.前述的密封傳動可以是同步傳動,也可以是異步傳動.但渦流傳動一定是異步傳動.密封傳動的首套產(chǎn)品同步永磁傳動泵出自英國HMD公司,于1947年投入使用.該公司于1962年又推出用于密封傳動的異步永磁傳動泵,該產(chǎn)品可以提高使用溫度至450℃.非密封目的用于聯(lián)軸調(diào)速的異步永磁傳動產(chǎn)品1999年由美國的MagnaDrive公司首次開發(fā)成功.用于傳動軸密封的同步永磁傳動產(chǎn)品上世紀(jì)70年代在我國開始用于傳輸泵,80年代開始用于攪拌釜.用于聯(lián)軸調(diào)速的異步永磁傳動,即渦流傳動產(chǎn)品于2007年從美國引進.

筆者所在公司是攪拌設(shè)備研發(fā)制造企業(yè),從上世紀(jì)末開始使用用于傳動軸密封的同步永磁傳動產(chǎn)品,2005年完成了浙江省科技計劃項目“IMC型感應(yīng)式異步高溫磁力耦合傳動器”(浙科發(fā)計[2004]303)的驗收鑒定.該項目屬于密封傳動的異步永磁傳動.我們也參加了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《磁力驅(qū)動反應(yīng)釜》HG/T3648-2011的修訂研討會.通過多年的應(yīng)用及研究探索,我們對用于傳動軸密封的同步永磁傳動產(chǎn)品設(shè)計和計算等方面做了系統(tǒng)研究并已實現(xiàn)計算機軟件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計[6,7],并開發(fā)了用于高溫使用的同步永磁傳動技術(shù),即引力同步永磁傳動.它區(qū)別于同步永磁傳動的部分是負(fù)載端由導(dǎo)磁材料取代永磁材料.理論上,引力同步磁傳動技術(shù)優(yōu)于英國HMD公司推出的用于密封傳動的異步永磁傳動技術(shù),后者的負(fù)載端由導(dǎo)電材料實現(xiàn)磁交互作用.接下來,我們希望在用于聯(lián)軸調(diào)速的異步永磁傳動技術(shù)和用于傳動軸密封的同步永磁傳動無渦流損耗技術(shù)上投入力量,開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,并研究和完善設(shè)計和計算方法及其精確性.

2 永磁傳動技術(shù)分析

表1列出了永磁傳動技術(shù)出現(xiàn)順序及對應(yīng)特征.

圖1是永磁傳動圓筒式結(jié)構(gòu),圖2是永磁傳動圓盤式結(jié)構(gòu).表1中的每一種技術(shù)都可以采用圖1或圖2的任一特征結(jié)構(gòu)的演變型式,設(shè)計時應(yīng)根據(jù)傳遞扭矩大小、現(xiàn)場安裝條件和工況來確定.主動端和從動負(fù)載端的具體形式以及產(chǎn)品中的輔助部件的設(shè)計是永磁傳動技術(shù)涉及的具體問題,包括永磁體形狀尺寸和擺放、導(dǎo)磁材料或?qū)щ姴牧吓c磁體配合的磁路或電路設(shè)計、前述這些基礎(chǔ)自變量與扭矩及損耗等函數(shù)的關(guān)系等.

表1 永磁傳動技術(shù)出現(xiàn)順序及對應(yīng)特征Tab.1 The order and corresponding characteristics permanent magnetic transmission technology

永磁傳動技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展毫無疑問地要依賴永磁材料的進步.20世紀(jì)80年代問世的第三代稀土永磁材料釹鐵硼使得永磁材料性能有了一次大的飛躍,這給永磁傳動技術(shù)帶來了生機[3].永磁傳動技術(shù)應(yīng)用相關(guān)論文很多,只是缺少對永磁傳動應(yīng)用設(shè)計的針對性和結(jié)論性內(nèi)容.很多生產(chǎn)企業(yè)是憑借經(jīng)驗性積累形成自己的系列產(chǎn)品,以致無法形成統(tǒng)一嚴(yán)謹(jǐn)?shù)漠a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),不能從定量上比較和評判產(chǎn)品性能和級別.比如永磁密封傳動在傳遞大扭矩或大功率應(yīng)用上的瓶頸問題是損耗或效率問題,這在現(xiàn)有的產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)中都沒有涉及,如果對用戶采購的產(chǎn)品只要求其滿足下限扭矩條件而不做上限限制,會忽略或被迫放大安全系數(shù),帶來的后果是資源浪費、成本提高、能量損耗和效率降低,到了一定程度,產(chǎn)品性能失效.這也是目前永磁密封傳動功率上限僅為400 kW的根源.

圖1 永磁傳動圓筒式結(jié)構(gòu)Fig.1 Cylinder type structure of permanent magnetic transmission

圖2 永磁傳動圓筒式結(jié)構(gòu)Fig.2 Disc type structure of permanent magnentic transmission

用于傳動軸密封的永磁密封傳動與用于聯(lián)軸調(diào)速的永磁渦流傳動技術(shù)應(yīng)用的首要問題都是設(shè)計的合理性和計算的精確性.前者的研究力求的終極目標(biāo)是傳動損耗的降低或接近于零;后者研究力求的終極目標(biāo)是結(jié)構(gòu)簡單操作方便價格合理.這是掃除推廣應(yīng)用中遭遇障礙的首要任務(wù).從諸多文獻介紹的應(yīng)用例可以看出,永磁傳動技術(shù)優(yōu)勢明顯、市場廣闊.這些文獻中有對用于聯(lián)軸調(diào)速的永磁渦流傳動技術(shù)與變頻調(diào)速、液力耦合調(diào)速等其他相同功能的應(yīng)用所作的詳盡分析比較.相關(guān)工作在國外進行的很早[8].美國、德國和意大利等都有相關(guān)研究.國內(nèi)則處于起步期[9],哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)和江蘇大學(xué)等都加入研究的隊伍.對于永磁計算,多數(shù)學(xué)者應(yīng)用了有限元方法并證明其可行性[8,10,11],這些研究有助于把有限元這一數(shù)值計算方法有效地應(yīng)用在永磁計算中,從而對永磁密封傳動和永磁渦流傳動起到指導(dǎo)作用.其中,李延民等人[11]給出的磁參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)較為詳盡細(xì)致.

筆者曾經(jīng)在中國科學(xué)院金屬研究所從事釹鐵硼永磁材料研究多年,對永磁傳動使用的稀土永磁材料及其性能較為熟悉,對永磁傳動相關(guān)計算無論采用磁路法、解析法、數(shù)值解法或其他方法的哪一種[10],都不可忽視以下永磁材料特點:

(1) 永磁體磁場不同于電路磁場那樣可以準(zhǔn)確控制和跟蹤調(diào)節(jié).永磁體磁場是由若干塊交互作用的磁體共同產(chǎn)生.不僅每塊磁體的實際性能及其形成的磁場都參差不齊,而且一塊磁體的不同部位性能也有差異.我們首先要做到盡可能對每一塊磁體的性能控制在一定范圍內(nèi),才能對其產(chǎn)生的總磁場做有限范圍的設(shè)計.這就要求對產(chǎn)品設(shè)計制造中使用的每一塊磁體用特斯拉計進行檢測驗收,從而獲得永磁計算中所必須的有效真實的自變量之一——永磁體的剩余磁感應(yīng)強度Br.在鐵磁介質(zhì)中,磁導(dǎo)率不是常數(shù),定量計算時應(yīng)謹(jǐn)慎使用.

(2) 永磁傳動直接涉及傳動計算、磁學(xué)計算、機械設(shè)計和化工領(lǐng)域等多學(xué)科,需要考慮的因素很多.比如密封傳動首先從化工工況及使用的空間場合確定功率和規(guī)格及結(jié)構(gòu)、通過傳動計算求得扭矩大小、通過磁學(xué)計算和機械設(shè)計的結(jié)合因素確定磁體具體形狀尺寸.具體步驟應(yīng)該是由機械設(shè)計考慮的內(nèi)外磁氣隙尺寸確定磁體磁向厚度和周向弧長(由此將磁體參數(shù)與機械結(jié)構(gòu)參數(shù)有機關(guān)聯(lián))、由永磁體最佳工作點確定單塊磁體軸向高度(磁體在最佳工作點狀態(tài)下可儲存較多磁能量并具有對外做功最佳能力)、由扭矩確定軸向總長度.

3 永磁傳動研究方向

有關(guān)永磁材料及其磁路設(shè)計分析和推導(dǎo)過程在相關(guān)論文中已有詳述[3,6,7].如前所述,永磁密封傳動在傳遞大扭矩或大功率應(yīng)用上的瓶頸問題是渦流損耗或傳動效率,對此我們曾做過研究和試驗并已取得進展,進一步將渦流損耗降低至接近于零的工作仍在進心中,有望近期獲得突破.

針對用于聯(lián)軸調(diào)速的永磁渦流傳動,其原理與我們2005年完成的浙江省科技計劃項目“IMC型感應(yīng)式異步高溫磁力耦合傳動器”是一致的.都是利用法拉第電磁感應(yīng)和安培力原理實現(xiàn)扭矩傳遞.目前用于聯(lián)軸調(diào)速的永磁傳動產(chǎn)品重點放在了利用調(diào)整氣隙的機構(gòu)及其執(zhí)行器對一定轉(zhuǎn)速和功率的動力源進行調(diào)速輸出,形成了調(diào)速型、延遲型、限矩型和經(jīng)濟型等四種型式[11].最大功率已達3 000 kW.

化工攪拌行業(yè)的攪拌設(shè)備在運行過程中,存在軟啟動要求和負(fù)載波動不定的情況,目前是通過配備變頻裝置和增加功率設(shè)計余量來解決.如果采用永磁渦流傳動裝置,應(yīng)該給攪拌設(shè)備諸多性能帶來提升,其中節(jié)能和隔震及降低安裝對中性是三個首要優(yōu)勢,若能省略調(diào)整氣隙的機構(gòu)及其執(zhí)行器,不僅解決了價格問題,也給實際安裝操作帶來便捷易于推廣,這項工作仍在探索中.

永磁渦流傳動基于電磁感應(yīng),三個基本前提是永磁場、導(dǎo)體、他們之間的轉(zhuǎn)速差.關(guān)于永磁場相關(guān)內(nèi)容前面介紹了很多,現(xiàn)在重點闡述導(dǎo)體及其與永磁場之間的轉(zhuǎn)速差問題.

當(dāng)導(dǎo)體切割磁力線時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E:

E=BLV=BLRω

式中B——磁場的磁感應(yīng)強度;

L——切割磁力線導(dǎo)體長度;

R——切割磁力線導(dǎo)體的旋轉(zhuǎn)半徑;

ω——導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)相對角速度.

以圓筒形導(dǎo)體為例(如表1中出現(xiàn)順序為2的異步永磁傳動從動負(fù)載端和出現(xiàn)順序為3的渦流傳動主動端對應(yīng)圖1的永磁傳動圓筒式結(jié)構(gòu)的情況),計算其電阻r:

式中L——切割磁力線導(dǎo)體長度;

R——切割磁力線導(dǎo)體的旋轉(zhuǎn)半徑；

S——導(dǎo)體截面積；

δ——圓筒形導(dǎo)體壁厚；

ρ——電阻率.當(dāng)導(dǎo)體形成回路,將產(chǎn)生感應(yīng)電流I:

(1)

由此產(chǎn)生渦流損耗P1:

(2)

長度為L的導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流I的同時,導(dǎo)體在磁感應(yīng)強度為B的磁場中受到安培力F:

F=BIL

在安培力F作用下,圓筒形導(dǎo)體傳遞輸出扭矩為T:

T=FR=BILR=

通過功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系式計算傳動輸出功率為P:

(3)

式中,n是傳動輸出轉(zhuǎn)速.

利用式(2)和式(3)計算永磁渦流傳動的渦流損耗P1與永磁渦流傳動所輸出的功率P之比,將運動導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)相對角速度ω?fù)Q算為運動導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)相對轉(zhuǎn)速n1代入,結(jié)果為:

(4)

式(4)表明,永磁渦流傳動的渦流損耗P1與傳動輸出功率P之比與運動導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)相對轉(zhuǎn)速n1成正比,與傳動輸出轉(zhuǎn)速n成反比.

通過式(3)可以了解影響傳動功率的一些因素及其影響程度.

式(3)與式(2)相比,明顯看出輸出功率較之渦流損耗影響因素多了一項傳動輸出轉(zhuǎn)速.

式(1)告訴我們影響導(dǎo)體電流的諸多因素,而導(dǎo)體是有電流密度限制的,為了正常使用,還應(yīng)保證導(dǎo)體得到及時冷卻,這些因素成為永磁渦流傳動的關(guān)鍵環(huán)節(jié),影響到其他參數(shù)的最終確定.

以上結(jié)論作為永磁渦流傳動的定性和定量指導(dǎo)方向,更多精確計算及實驗驗證工作有待未來完成.

4 永磁傳動發(fā)展前景

永磁密封傳動與其他形式的動密封比較所具有的全密封無泄漏性能使得此項技術(shù)處于傳動密封領(lǐng)域不可替代的絕對優(yōu)勢地位;永磁渦流傳動與其他機械聯(lián)軸調(diào)速比較所具有的可靠性、適應(yīng)性、隔振效果、使用壽命長和軟啟動及過載保護等諸多方面的性能使得此項技術(shù)處于聯(lián)軸調(diào)速領(lǐng)域無可比擬的先決地位.而制約其推廣的價格因素由于稀土永磁材料價格的走低也將趨向利好.經(jīng)過科技工作者繼續(xù)努力,一旦解決了永磁密封傳動的損耗或效率問題和永磁渦流傳動的科學(xué)設(shè)計及其精確計算問題,永磁傳動技術(shù)應(yīng)用將會得到廣泛接受并迅速普及.

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Summary on advance of permanent magnetic transmission technologies

WANG Hong-qun, HUANG Zhi-jian, XIE Ming-hui, ZHOU Guo-zhong, YU Pei-qing

(Zhejiang Great Wall Reducer Co.,Ltd.,Wenzhou,325019)

The applications of permanent magnetic transmission are introduced based on sealing of transmission shaft and coupling of adjustment rotation. From structural viewpoint, the cylinder and disc types are investigated. With detailed and systematic technical analyses, the characteristics of permanent magnetic materials are emphasized, e.g. the magnetic non-uniformity, purchasing and acceptance control. In particular, the eddy current waste or transmission efficiency is pinpointed. Accordingly, the eddy current waste P1against transmission power P is dependent on the speed difference n1and output rotational speed n. Therein, an optimistic expectation on permanent magnetic transmission technologies is concluded.

permanent magnetic transmission; synchronous transmission; asynchronous transmission; permanent magnetic material

王洪群(1960-),男,學(xué)士,教授級高級工程師.E-mail:23889511@qq.com

TH 139

A

1672-5581(2016)06-0552-05