大功率永磁調(diào)速器軸向安裝尺寸優(yōu)化設計研究

范 欣

(上海市東方海事工程技術有限公司，上海 200011)

0 引言

永磁傳動技術是一種利用永磁體與導體之間磁力傳遞動力的技術。永磁傳動設備可分為永磁耦合器和永磁調(diào)速器。其中，永磁調(diào)速器是一種通過改變永磁體與導體之間的間隙，從而改變可傳遞轉(zhuǎn)矩的大小來實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速控制的設備[1]。

在通常情況下，當永磁調(diào)速器的額定功率超過750 kW@1 500 r/min后，整個調(diào)速系統(tǒng)需采用液冷的方式進行散熱。如圖1所示，液冷結構與風冷結構并不相同，通常需包含永磁調(diào)速器殼體、輸入軸和輸出軸。由于輸入軸和輸出軸的加入，導致永磁調(diào)速器安裝尺寸較大。在項目推廣的過程中，過長的軸向安裝尺寸極大地阻礙了永磁調(diào)速器相關項目的落地[2]。因此，盡可能地縮短永磁調(diào)速器的軸向安裝尺寸，是永磁調(diào)速器結構優(yōu)化的重要方向，具有十分顯著的技術優(yōu)勢和推廣潛力。

圖1 傳統(tǒng)永磁調(diào)速器結構

1 現(xiàn)有永磁調(diào)速器結構設計

永磁調(diào)速器按冷卻方式可分為空冷型和液冷型。設計功率大于750 kW@1 500 r/min后，一般采用液冷方式散熱。液冷型永磁調(diào)速器的結構形式一般包括1個筒式結構作為殼體，前后分別設有輸入軸和輸出軸，用于連接原動機和負載設備。一般結構形式如圖1所示。

以1 500 kW@1 500 r/min永磁調(diào)速器為例，軸向安裝尺寸為1 720 mm(軸端單側需預留聯(lián)軸器安裝空間約30 mm)。因此，在該永磁調(diào)速器改造施工時，需要將原動機向后移動1 720 mm以上才可以完成安裝。

實際情況中，在一個已經(jīng)完成建造并正式投運的廠區(qū)里，大功率電機的末端通常很難具備1 720 mm以上長度的軸向空間。對于電機后方無空間的現(xiàn)場(如電機后方1 m左右有墻體或其他設備)，永磁調(diào)速器無法安裝。即便有空間，多數(shù)情況也是廠房內(nèi)的安全通道，而安全通道的寬度一般小于1.5 m。因此，縮短大功率永磁調(diào)速器的軸向安裝尺寸具有十分重要的意義。

對于采用液冷的永磁調(diào)速器，其輸入軸和輸出軸共用同一個殼體支撐結構。常規(guī)永磁耦合器和空冷型永磁調(diào)速器所具有的非接觸式傳遞，在液冷型永磁調(diào)速器的結構上無法實現(xiàn)。在現(xiàn)有設計中，永磁盤與導體盤分別采用兩根軸體懸掛，如圖1所示。形式上，雖然永磁盤與導體盤之間無機械連接，但由于各自支撐軸的承載軸安裝在同一殼體上，因而，永磁盤與導體盤之間的機械傳動無法被隔斷，“非接觸式”傳動無法在液冷型永磁調(diào)速器上成立。

基于上述前提，永磁調(diào)速器現(xiàn)有結構中所采用的永磁盤與導體盤分軸懸掛設計可以進一步優(yōu)化。

2 永磁調(diào)速器軸向尺寸優(yōu)化設計

2.1 輸入輸出軸的共軸布置

新的永磁調(diào)速器采用“共軸”方案設計[3]。共軸布置是將永磁調(diào)速器的輸入軸和輸出軸通過套接的方式，布置在同一個軸向長度上(見圖2)。

圖2 優(yōu)化設計后的共軸結構永磁調(diào)速器

此時，輸入軸與輸出軸在空間上占據(jù)了同一段軸向長度。通過設計空心的輸出軸結構，將輸入軸套在輸出軸內(nèi)部，節(jié)省整個設備的軸向安裝空間。為實現(xiàn)該設計目標，在輸入軸與輸出軸內(nèi)增加了一對支撐軸承。同時，輸入軸和輸出軸端的軸承徑向尺寸會有一定程度的增加，此為縮短設備軸向尺寸做出的設計妥協(xié)。

通過采用共軸方案，在永磁調(diào)速器內(nèi)部取消了一根主軸的長度，該軸占據(jù)的軸向尺寸得以釋放。經(jīng)過上述設計改造，永磁調(diào)速器軸向尺寸較原設計可縮短約30%左右。

2.2 法蘭式聯(lián)軸器

為進一步優(yōu)化永磁調(diào)速器軸向安裝尺寸，取消原設計中的輸入輸出軸結構，改用法蘭聯(lián)軸器。

在原設計中，由于永磁調(diào)速器傳遞轉(zhuǎn)矩較大，為滿足傳統(tǒng)聯(lián)軸器的傳扭要求，輸入和輸出軸的長度有尺寸要求。以1 500 kW@1 500 r/min永磁調(diào)速器為例，輸入和輸出軸總長度達到550 mm以上。而采用法蘭式聯(lián)軸器結構，可以大幅度縮短輸入輸出軸自身尺寸所占據(jù)的軸向空間。

為滿足法蘭式聯(lián)軸器的安裝條件，采用共軸設計的永磁調(diào)速器的輸入和輸出端需要安裝法蘭結構，用以連接法蘭式聯(lián)軸器，結構形式，如圖2所示。

3 核心零部件校核計算

以最終完成的樣機為例，作設計計算說明，主要計算參數(shù)，如表1所示。

3.1 調(diào)速機構中球面滾子軸承校核計算

考慮軸向尺寸的最優(yōu)設計，選型軸承為球面滾子軸承。該類軸承承載較大軸向力的同時，可以滿足緊湊的軸向設計需求。實例中選型軸承為SKF軸承，型號為23140CC，軸承主要承載軸向力。根據(jù)Maxwell仿真計算結果，永磁盤對導盤的軸向力合力約為50 000 N。軸承23140CC的具體參數(shù)，如表2所示。

表2 1 500 kW@1 500 r/min永磁調(diào)速器主要設計軸承的結構參數(shù)

根據(jù)SKF官方給出的軸承壽命校核計算工具，設定軸向力50 kN，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，潤滑方式為脂潤滑。如圖3所示，以油潤滑作為潤滑方式，在軸承滿載且額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min的前提下，23140CC軸承的基本額定壽命為24 900 h。在實際工況中，系統(tǒng)輸出的實際轉(zhuǎn)速折算為平均轉(zhuǎn)速，應小于1 480 r/min。因此，綜合考慮，軸承的基本額定壽命應大于設計要求25 000 h，滿足設計要求。

圖3 SKF軸承給出的軸承校核計算結果

3.2 輸入、輸出側法蘭結構的傳扭能力校核計算

根據(jù)表1可知，電機的額定扭矩為9 679 N·m。取安全系數(shù)Sa為1.8，則永磁調(diào)速器的計算扭矩為：

表1 1 500 kW@1 500 r/min永磁調(diào)速器校核計算主要參數(shù)

T計=9 679×1.8=17 422 N·m

在新結構永磁調(diào)速器中，為傳遞足夠扭矩，在輸入和輸出側均設計有傳扭銷結構。其中，受結構尺寸限制，輸出側因傳扭銷分布半徑較小，為傳扭結構的危險工作點。傳扭銷結構設計如圖4所示，傳扭銷直徑28 mm，分布半徑220 mm，傳扭銷及輸出軸材料均為45#。對傳扭銷做剪切應力校核，對輸出軸做材料壓潰校核[4],計算結果，如表3所示。

圖4 傳扭銷結構中危險工作點的設計尺寸

表3 傳扭危險工作點校核

表3校核結果顯示，在工作扭矩為額定扭矩的1.8倍時，傳扭銷結構依然具有極高的安全系數(shù)。該安全系數(shù)冗余量可以滿足法蘭式聯(lián)軸器適配絕大多數(shù)對安全系數(shù)要求較高的工況，如柱塞泵的連接等。

在共軸結構的設計過程中，需要校核的計算點和解決的問題遠不止列出的部分，還包括螺旋槽結構的壓潰校核計算以及導體盤的流量和散熱計算等。除此之外，軸承的潤滑油路設計也是十分復雜的工作。受限于篇幅，在此不展開詳述。

4 設計總結

為實現(xiàn)共軸結構，永磁調(diào)速器在具體設計過程中遇到了很大的困難，最終成型樣機的結構也并非完全沒有缺點。設計存在的問題總結如下：

(1)為極致地追求更小的軸向安裝尺寸，在調(diào)速結構設計中采用了球面滾子軸承。該軸承結構具備較短的軸向尺寸,同時，可以承載極大的軸向力，滿足永磁調(diào)速器的軸向力要求。但該軸承在校核計算中發(fā)現(xiàn)，1 500 kW@1 500 r/min為該類軸承的設計極限,即相同額定轉(zhuǎn)速下，更高功率的永磁調(diào)速器因為軸承壽命不達標或額定轉(zhuǎn)速不夠，而無法繼續(xù)采用該型號軸承。采用球面滾子推力軸承雖可以滿足更高功率永磁調(diào)速器的設計，但軸向尺寸無法做到極致。

(2)由于采用共軸結構設計，在縮短了永磁調(diào)速器軸向尺寸的同時，也放大了內(nèi)部部分軸承內(nèi)徑的尺寸，主要是調(diào)速機構內(nèi)的軸承內(nèi)徑尺寸,更大尺寸的軸承會限制額定轉(zhuǎn)速。若內(nèi)徑尺寸進一步放大，則永磁調(diào)速器的額定轉(zhuǎn)速可能會小于1 200 r/min,不利于大規(guī)模永磁調(diào)速器產(chǎn)品線的拓展。

(3)法蘭式聯(lián)軸器的使用雖可以大大縮短永磁調(diào)速器的軸向安裝尺寸，但法蘭式聯(lián)軸器在拆卸時，需要將電機后移一定的空間(約80 mm)才可拆卸。從產(chǎn)品維護性的角度而言，不如傳統(tǒng)膜片聯(lián)軸器拆卸方便。

(4)若采用傳統(tǒng)膜片聯(lián)軸器安裝，則永磁調(diào)速器需要增加用于膜片聯(lián)軸器安裝的輸入軸和輸出軸。膜片聯(lián)軸器按DJM系列選型，額定扭矩為16 000 N·m，軸向單側安裝尺寸至少250 mm。按此方案設計完成后，整機軸向尺寸為1 230 mm，對比原設計中1 720 mm的軸向安裝尺寸，軸向空間可縮短約28%。雖然也大幅度縮減了軸向安裝尺寸，但由于安裝尺寸仍然大于1 000 mm，在現(xiàn)場改造中，仍面臨巨大的安裝壓力，因此現(xiàn)實意義不大。

(5)由于采用共軸結構，永磁調(diào)速器內(nèi)輸入軸和輸出軸中間的轉(zhuǎn)差軸承潤滑條件惡劣。該轉(zhuǎn)差軸承共兩個，分別安置在共軸結構的兩端如圖5所示。由于轉(zhuǎn)差軸承的內(nèi)圈和外圈均在轉(zhuǎn)動，潤滑油難以進入輸入軸和輸出軸之間，對軸承的潤滑設計造成了極大的困難。通過在輸入軸內(nèi)部設置軸向和徑向的通孔，并同時增設導流鰭等手段，利用轉(zhuǎn)軸自身的離心力導入潤滑油，實現(xiàn)對該處軸承的潤滑。該方案結構和加工工藝復雜、成本較高，后續(xù)在轉(zhuǎn)差軸承潤滑方案上仍有進一步優(yōu)化的空間。

圖5 優(yōu)化設計后的永磁調(diào)速器在試驗臺進行測試

5 優(yōu)化設計成果及經(jīng)濟價值

以1 500 kW@1 500 r/min永磁調(diào)速器為例，經(jīng)過優(yōu)化設計后：

(1)軸向安裝尺寸由原1 720 mm縮短至850 mm，縮短約50.6%。不同功率的永磁調(diào)速器，軸向安裝尺寸縮短占比不同，范圍在45%～50%。

(2)該結構設計獲發(fā)明專利一項，專利號：ZL 2016 1 0933321.6。

(3)經(jīng)測試，優(yōu)化后的永磁調(diào)速器各項傳動指標均達到常規(guī)永磁調(diào)速器的性能要求。具體參數(shù)為：設計軸功率1 500 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，軸承設計使用壽命不低于2.5萬小時。滿載時轉(zhuǎn)差率為4%～5%，系統(tǒng)滿載時永磁調(diào)速器油溫穩(wěn)定，約72 ℃(測試環(huán)境溫度11 ℃)，空載至滿載的加載過程中，機體震動小于4 mm/s，符合設計要求。

(4)優(yōu)化設計后，該新型永磁調(diào)速器在產(chǎn)品技術參數(shù)上可獲較大優(yōu)勢。在投標環(huán)節(jié)，與同類產(chǎn)品相比具有明顯的技術區(qū)別和特征，為商業(yè)競爭和推廣打下較好的基礎。

(5)因為軸向安裝尺寸縮減幅度極大，在一些原本因電機后方空間不足而無法安裝永磁調(diào)速器的場合，具有了可安裝性。

6 結語

通過采用創(chuàng)新的共軸結構，以及使用盤式聯(lián)軸器結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聯(lián)軸器連接。新永磁調(diào)速器在整機技術參數(shù)和可靠性不變的前提下，實現(xiàn)了其軸向安裝尺寸的大幅縮減。安裝尺寸縮減后的永磁調(diào)速器產(chǎn)品具有更好的現(xiàn)場適應能力，可以覆蓋過去因為安裝尺寸問題而無法改造的現(xiàn)場，具有現(xiàn)實和積極的產(chǎn)品優(yōu)勢。