一種水泵節(jié)能技術
——新型屏蔽套筒永磁調(diào)速器

李 超，杜阿秋，楊志剛

（水利部機電研究所，天津 301900）

在中國水利水電科學研究院“自供電智能裝置及永磁調(diào)速水泵研發(fā)”項目的安排下，水利部機電研究所進行永磁調(diào)速水泵產(chǎn)品的開發(fā)。

據(jù)有關部門統(tǒng)計，全國水泵耗電量約占全國發(fā)電量的30%，目前很多運行時間長的系統(tǒng)中，壓力、流量變化幅度較大，水泵的運行工況點偏離高效區(qū)，水泵以變流量調(diào)速運行（即水泵調(diào)速）替代原有的閘閥節(jié)流而獲得顯著的節(jié)能效益，引起人們的極大關注，因此，水泵必然成為全國調(diào)速節(jié)能的重點對象。

永磁調(diào)速器自2009年進入中國以來，發(fā)展速度并不快，以美國Magna技術為代表的產(chǎn)品雖然在一些水泵節(jié)能改造上獲得了良好的效果，但在國內(nèi)尚未得到普及應用。永磁調(diào)速器不能廣泛推廣使用主要是下面幾個原因：①產(chǎn)品價格高；②改造過程復雜，不能實現(xiàn)批量的配套；③產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，機械問題多；④產(chǎn)品沒有實現(xiàn)標準化。

1 調(diào)節(jié)氣隙盤式永磁調(diào)速器

目前市場上永磁調(diào)速器的主流產(chǎn)品為盤式永磁調(diào)節(jié)方式。盤式調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)子安裝在負載側(cè)，導體轉(zhuǎn)子安裝在電機側(cè)，導體轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)速一致。如圖1所示。

其工作原理是導體轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子可以自由地獨立旋轉(zhuǎn)，導體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，導體轉(zhuǎn)子與磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運動，交變磁場通過氣隙在銅轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流，同時渦流產(chǎn)生感應磁場與永磁磁場相互作用，從而帶動磁轉(zhuǎn)子沿著與導體轉(zhuǎn)子相同的方向旋轉(zhuǎn)，結(jié)果在負載側(cè)輸出軸上產(chǎn)生扭矩，從而帶動負載做旋轉(zhuǎn)運動。通過調(diào)節(jié)磁轉(zhuǎn)子和導體轉(zhuǎn)子之間的氣隙就可以控制傳遞扭矩的大小，從而獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復的負載轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1電機 2導體轉(zhuǎn)子 3永磁轉(zhuǎn)子 4軸承5氣隙調(diào)節(jié)裝置 6軸承支架 7聯(lián)軸器 8負載

從結(jié)構(gòu)的特點可看出，此結(jié)構(gòu)需要將電機移動,使電機軸端距離負載軸端的距離增加至L,在電機和負載中間安裝永磁調(diào)速器的零部件，包括導體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和氣隙調(diào)節(jié)裝置。

電機連接的導體轉(zhuǎn)子是一個籠狀的旋轉(zhuǎn)部件，懸出安裝在電機軸上，電機在高速旋轉(zhuǎn)情況下，對動平衡要求更高，永磁轉(zhuǎn)子和氣隙調(diào)節(jié)裝置安裝在靠近電機側(cè)的軸承支座上，較重的永磁轉(zhuǎn)子等部件懸出軸承支座一段距離，軸承支座的兩個軸承的距離由于結(jié)構(gòu)的原因，不能制造的很大，懸臂所產(chǎn)生的較大彎矩，作用在軸承支座的兩個軸承上，因此軸承受力很大，另外永磁傳動依靠的是導體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間氣隙調(diào)節(jié)來傳動的，導體轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子之間存在強大的磁場吸力，永磁轉(zhuǎn)子和導體轉(zhuǎn)子按照兩組對稱安裝的，產(chǎn)生大小一樣，力量相反的磁場力，調(diào)節(jié)裝置需要克服這兩個磁場力才能進行調(diào)節(jié)氣隙，實現(xiàn)調(diào)速。

氣隙調(diào)節(jié)的盤式永磁調(diào)速器的基本結(jié)構(gòu)是由調(diào)速原理所決定的，采用這種結(jié)構(gòu)設計后，一些制造商對設計細節(jié)、工藝要求和安裝要求要點等很難完全掌握，導致在實際使用中造成了一些運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。有些在高速運行下(通常1 500 r/min）導體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子嚴重不平衡，甚至“飛車”。圖3～5是某廠水泵采用后的情況照片。

圖3 永磁調(diào)整器飛出后電機軸彎曲

圖4 永磁調(diào)整器飛出

圖5 永磁調(diào)整器飛出后水泵軸的損壞

調(diào)節(jié)裝置采用的螺旋凸輪的結(jié)構(gòu)，導體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的軸向力產(chǎn)生對凸輪和軸承影響，這部分零部件壽命短，出現(xiàn)了損壞。

圖6 螺旋套筒內(nèi)軸承的損壞

2 屏蔽套筒永磁調(diào)速器

為在水泵節(jié)能技術上推廣使用永磁調(diào)速器，克服盤式永磁調(diào)速器的弊端，水利部機電研究所與天津吉玄節(jié)能技術有限公司共同開發(fā)一種新型屏蔽套筒永磁調(diào)速器。

屏蔽套筒永磁調(diào)速器是由有導體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、磁屏蔽套及調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，其原理如下：

導體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子始終固定不動，調(diào)節(jié)機構(gòu)與磁屏蔽套連接，通過調(diào)整磁屏蔽套遮蓋永磁體面積大小控制磁場強弱，從而獲得相應的傳輸扭矩和負載轉(zhuǎn)速。如圖7所示。

產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)如圖8所示，導體轉(zhuǎn)子安裝在電機軸上，銅導體環(huán)是筒狀結(jié)構(gòu)，永磁轉(zhuǎn)子直接與套在軸上的固定套相連，固定套上安裝上位移調(diào)節(jié)機構(gòu)，位移調(diào)節(jié)機構(gòu)采用螺旋運動機構(gòu)，螺桿轉(zhuǎn)動帶動了螺母和屏蔽套筒的移動。圖9為屏蔽套筒完全不對永磁轉(zhuǎn)子屏蔽，圖10為屏蔽套筒部分對永磁轉(zhuǎn)子屏蔽。圖11為屏蔽套筒完全對永磁轉(zhuǎn)子屏蔽狀態(tài)。

圖8

圖9

圖10

圖11

產(chǎn)品在應用上的特點如下：

（1）安裝永磁調(diào)速器可不移動電機，實現(xiàn)換下聯(lián)軸器，直接安裝永磁調(diào)速器。在設備改造方面為水泵設計人員和施工人員提供了方便。

（2）永磁轉(zhuǎn)子和屏蔽套筒之間產(chǎn)生了磁場力，磁場力是這兩個部件之間的內(nèi)力，對負載軸和電機軸沒有任何影響。

（3）屏蔽套筒采用的螺旋傳動，相對運動速度極低，因此設計上沒有軸承。避免了軸承可能產(chǎn)生的損壞。

（4）永磁轉(zhuǎn)子和導體轉(zhuǎn)子安裝在負載軸和電機軸上，幾乎沒有懸臂部件，與聯(lián)軸器安裝基本形同。不會對負載和電機產(chǎn)生較大的彎矩，運轉(zhuǎn)時沒有過大的懸臂所產(chǎn)生的震動，進而發(fā)生事故。

（5）使用的轉(zhuǎn)速可高于3 000 r/min，應用范圍更廣。

（6）產(chǎn)品可實現(xiàn)系列化、標準化和通用化。

（7）產(chǎn)品的零部件較少，易于維護保養(yǎng)。

3 總結(jié)

永磁調(diào)速器原理上采用不同技術，就會有不同的結(jié)構(gòu)方案。調(diào)節(jié)氣隙盤式永磁調(diào)速器，必然要求永磁轉(zhuǎn)子這一較重的零部件懸出軸外很大一個距離，對軸承支座等要求更嚴酷承載能力，增加了設計、制造的難度，增大了設備在使用中出現(xiàn)安全問題的幾率，不能實現(xiàn)本質(zhì)安全。調(diào)節(jié)氣隙盤式永磁調(diào)速器由于必須針對每個設備的具體情況進行設計，這樣就無法實現(xiàn)永磁調(diào)速器的標準化、規(guī)范化，從而無法形成通用產(chǎn)品。

屏蔽套筒調(diào)節(jié)永磁調(diào)速器，永磁轉(zhuǎn)子和導體轉(zhuǎn)子不需要懸出軸外，這樣可不需要電機和負載之間有相對較大的距離，只要換下原先連接采用的聯(lián)軸器，即可安裝這種新型的永磁調(diào)速器，調(diào)節(jié)屏蔽套筒不產(chǎn)生對負載和電機軸向力，這樣就不需增加軸承支座，簡化了設計，提升了本質(zhì)安全的可靠性。由于固定了電機和負載相對位置，產(chǎn)品完全可以實現(xiàn)標準化、系列化、通用化。這種全新概念永磁調(diào)速技術具有帶動永磁調(diào)速產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要條件，推廣前景廣闊。