盤式異步永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)設計分析

范 欣

(上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

0 引言

在過去近10年里，大功率永磁調(diào)速器在項目實施投運后故障發(fā)生率較高。部分廠家對設備頻繁檢修，造成相當?shù)某杀鞠?，甚至有出現(xiàn)因永磁調(diào)速器的頻繁故障而導致企業(yè)生產(chǎn)無法保障，最終將設備拆除恢復舊狀態(tài)的情況。大功率永磁調(diào)速器原理雖然簡單，但結(jié)構(gòu)較為復雜。因此，在沒有對機械設計和加工工藝進行充分論證的前提下，盲目跟進生產(chǎn)容易造成企業(yè)巨大的經(jīng)濟損失。

現(xiàn)階段市場上永磁調(diào)速器主要為盤式異步永磁傳動結(jié)構(gòu)，其他形式的磁調(diào)速器還包括徑向磁通的異步永磁調(diào)速器(筒式)或軸向磁通(盤式)的同步永磁調(diào)速器[1]，以及通過勵磁裝置調(diào)節(jié)傳動扭矩的繞組式永磁耦合傳動裝置[2]。由于在實際工程項目中較少有真實的應用案例，技術(shù)成熟度有待進一步確認。因此，本文所述永磁調(diào)速器均指代盤式異步永磁調(diào)速器。

永磁調(diào)速器產(chǎn)品主要定位在大功率離心負載的調(diào)速應用，競品主要是高壓變頻器和液力調(diào)速器。但由于永磁調(diào)速器應用失敗案例較多，且產(chǎn)品安裝條件苛刻，導致推廣難度很大。國內(nèi)引入該技術(shù)已有20余年，經(jīng)歷了從產(chǎn)業(yè)熱潮到資本退潮的過程。本文從技術(shù)分析的角度出發(fā)，剖析永磁調(diào)速器的產(chǎn)品問題和技術(shù)難點，并為后續(xù)可行的技術(shù)發(fā)展提出展望。

1 現(xiàn)階段永磁調(diào)速器存在的問題

1.1 永磁調(diào)速的本質(zhì)和局限性

1.2 關(guān)于永磁調(diào)速器的“失速”問題

永磁調(diào)速器在某特定的負載區(qū)間不能實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速的線性過渡，會出現(xiàn)階躍變化，這個現(xiàn)象稱為永磁調(diào)速器的失速。該問題出現(xiàn)的原理較為復雜，在有限的篇幅內(nèi)無法進行詳細的解釋。

工程上，會先行了解需求方的調(diào)速范圍，盡量避免設備失速區(qū)間落在需求區(qū)間內(nèi)。若實在無法避開，可通過改變導體材料的方式來改變失速區(qū)間，從而使速度區(qū)間避開需求區(qū)間[3]。但導體材料的改變也意味著永磁調(diào)速器傳動效率的改變，或變高或變低，具體依據(jù)項目需求而定。

1.3 過大的軸向力對永磁調(diào)速器的設計和裝配提出了更高的要求

永磁調(diào)速器可傳遞扭矩越大，所需的磁場力越大。以設計功率為1 500 kW@1 500 r/m的永磁調(diào)速器為例，磁場產(chǎn)生的軸向力合力會作用在對應軸承上和軸承外圈結(jié)構(gòu)件上，軸向力合力約50 000 N。

過大的軸向力是造成永磁調(diào)速器系統(tǒng)穩(wěn)定性降低的主要原因。從負責磁盤軸向移動的螺旋槽結(jié)構(gòu)，到負責驅(qū)動外轉(zhuǎn)臂套結(jié)構(gòu)的四連桿機構(gòu)(見圖1)，過大的軸向力給機械調(diào)速機構(gòu)帶來了諸多穩(wěn)定性問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

圖1 永磁調(diào)速器中的四連桿機構(gòu)

1.3.1 軸承的壽命

因承受較大軸向力，按常規(guī)軸承選型設計，軸承壽命會有較大影響。在部分需要高可靠性的項目應用中，當軸承設計壽命大于25 000 h以后，普通角接觸軸承選型無法滿足設計需求，需要選用球面滾子推力軸承才能滿足設計要求。而球面滾子推力軸承對裝配和潤滑的要求較高，給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了一定的隱患。

其中，f表示氣體的分布函數(shù)，一般依賴于變量x，v，t，它表示了該氣體在t時刻速度為v的粒子的密度.這個方程主要描述了在非平衡狀態(tài)下分布函數(shù)f隨時間演化的過程.若分布函數(shù)f與位置x無關(guān)，即f僅是關(guān)于變量v，t的函數(shù)，則方程變?yōu)?/p>

1.3.2 旋轉(zhuǎn)改直線運動的傳動結(jié)構(gòu)磨損

旋轉(zhuǎn)改直線運動的傳動結(jié)構(gòu)主要是指螺旋槽結(jié)構(gòu)和傳扭螺紋結(jié)構(gòu)，兩者本質(zhì)上都屬于螺紋傳動的結(jié)構(gòu)。螺旋槽結(jié)構(gòu)螺紋角不滿足自鎖條件，傳扭螺紋結(jié)構(gòu)的螺紋角可以自鎖。當永磁盤與導體盤的軸向力傳動到旋轉(zhuǎn)改直線運動部分時：

對于螺旋槽結(jié)構(gòu)而言，由于其自身不滿足自鎖條件，軸向力將繼續(xù)通過螺旋槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)扭矩，傳遞給下一傳動機構(gòu)(四連桿機構(gòu))。螺旋槽內(nèi)的滑塊結(jié)構(gòu)因承載軸向力的分力，與螺旋槽側(cè)邊緣摩擦，造成磨損，長時間的調(diào)速會導致螺旋槽內(nèi)的滑塊結(jié)構(gòu)磨損失效，如圖2所示。

對于傳扭螺紋結(jié)構(gòu)(主要是針對使用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的設計)，永磁調(diào)速器的軸向力會全部承載在傳扭螺紋上。此時，當傳扭螺紋工作時，螺紋副承受極大的軸向力作用，易對傳扭螺紋副造成磨損。若潤滑不合理，還極易發(fā)生傳扭螺紋結(jié)構(gòu)卡死的情況，如圖3所示。

上述兩點結(jié)構(gòu)失效是大功率永磁調(diào)速器的主要失效原因。過大的軸向力對傳動結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計、裝配工藝、潤滑工藝和材料選型帶來了極大的困難。該技術(shù)難點的攻克需要一定的設計、制造、裝配和管理經(jīng)驗的配合，具有一定的難度。

圖2 永磁調(diào)速器中的螺旋槽結(jié)構(gòu)

圖3 蝸輪蝸桿+傳扭螺紋結(jié)構(gòu)

1.4 調(diào)速精度和響應速度低

在盤式永磁調(diào)速器的調(diào)速結(jié)構(gòu)中，通常會采用四連桿機構(gòu)+螺旋槽結(jié)構(gòu)或蝸輪蝸桿+傳扭螺紋結(jié)構(gòu)。

1.4.1 對于四連桿機構(gòu)+螺旋槽結(jié)構(gòu)

由于永磁調(diào)速器在調(diào)速的過程中不僅需要軸向移動，還需要進行旋轉(zhuǎn)運動。因此，四連桿機構(gòu)連桿的連接處需要采用關(guān)節(jié)球軸承作為連接結(jié)構(gòu)，以滿足外轉(zhuǎn)臂套結(jié)構(gòu)軸向移動的要求。由于關(guān)節(jié)球軸承的加入，使四連桿結(jié)構(gòu)剛性降低的同時，還兼具一定的“柔性”。該特性具體表現(xiàn)為，執(zhí)行器動作時，外轉(zhuǎn)臂套結(jié)構(gòu)從靜止狀態(tài)到轉(zhuǎn)動狀態(tài)會有一個較大的死區(qū)范圍，尤其是在執(zhí)行器改變轉(zhuǎn)動方向的時候，該現(xiàn)象會更加明顯，即執(zhí)行器在開始動作后的前3%～10%區(qū)間段(具體根據(jù)永磁調(diào)速器當前時刻所承受的軸向力大小和裝配情況略有差異)，外轉(zhuǎn)臂套不會動作。執(zhí)行器在該部分的行程大部分被關(guān)節(jié)球軸承吸收，從而影響了永磁調(diào)速器的調(diào)速精度，如圖1和圖2所示。

四連桿機構(gòu)對調(diào)速精度的影響在實際工作中無法被忽視。在開環(huán)控制條件下，會出現(xiàn)輸入相同的執(zhí)行器開度，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速不同的情況。雖然可以通過閉環(huán)控制反饋負載轉(zhuǎn)速，動態(tài)調(diào)整執(zhí)行器輸出，進而實現(xiàn)較為精確的轉(zhuǎn)速控制，但由于死區(qū)的存在，調(diào)速機構(gòu)動作幅度較大，影響控制的精度和速度。

1.4.2 對于蝸輪蝸桿+傳扭螺紋結(jié)構(gòu)

在設計功率超過1 500 kW@1 500 r/m的永磁調(diào)速器中，由于軸向力過大，執(zhí)行器輸出扭矩無法滿足調(diào)速器的要求。在該功率段以上的永磁調(diào)速器一般會采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)進一步放大執(zhí)行器的輸出扭矩。蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)具有傳動比大、輸出扭矩大的特點。蝸輪與傳扭螺紋連接，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，滿足磁隙距離調(diào)整的需求，但傳扭螺紋的螺距較螺旋槽結(jié)構(gòu)的螺距小很多(相差約幾十倍)，需要蝸輪旋轉(zhuǎn)數(shù)十圈才能滿足軸向行程需求，加大了調(diào)速器調(diào)速的延遲效應。具體表現(xiàn)為：執(zhí)行器從最小磁隙動作到最大磁隙所需的時間較長，且執(zhí)行器的手動驅(qū)動基本無法使用(旋轉(zhuǎn)力矩大，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)多，動輒需要旋轉(zhuǎn)數(shù)百圈才可以調(diào)整到合適的磁隙)，如圖3所示。

相較于螺旋槽結(jié)構(gòu)，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)剛性強，對執(zhí)行器的響應速度快，但整個系統(tǒng)的調(diào)整速度較慢。在一些需要對調(diào)速響應比較及時的工況下，不適合使用該結(jié)構(gòu)。此外，在巨大軸向力作用下，蝸輪蝸桿的潤滑和磨損，以及傳扭螺紋的潤滑和磨損問題依然嚴峻，給整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性埋下隱患。然而，該結(jié)構(gòu)目前仍是大功率永磁調(diào)速器的首選結(jié)構(gòu)，暫無其他替代結(jié)構(gòu)可以滿足該環(huán)節(jié)扭矩傳遞的要求。這進一步限制了大功率永磁調(diào)速器的應用場景。

1.5 過大的軸向安裝尺寸

永磁調(diào)速器在項目落地的過程中，設備的安裝是一個較為棘手的問題。在大多數(shù)項目中，永磁調(diào)速器并非作為預先設計好的調(diào)速設備落地，更多的時候是作為一個已有項目的技術(shù)改造而落地。而在改造項目的實施中，永磁調(diào)速器的安裝問題極為突出。

由于永磁調(diào)速器軸向尺寸較大，原系統(tǒng)需要挪動電機才能為永磁調(diào)速設備空出安裝空間。面對過大的軸向安裝尺寸，即使電機后移到極限，往往也依然無法滿足永磁調(diào)速器的安裝。在市場推廣過程中，安裝問題帶來的阻力極大，特別是大功率永磁調(diào)速器，動輒近兩米的軸向安裝空間，在已經(jīng)建成的廠區(qū)內(nèi)極少能找到合適的改造場所。在無絕對的成本和技術(shù)優(yōu)勢前提下，中高功率段的永磁調(diào)速器極難得到推廣。

2 永磁調(diào)速器的技術(shù)方向

永磁調(diào)速器應以替代變頻器為目標繼續(xù)發(fā)展，在變頻器無法使用或成本過高的應用場合，實現(xiàn)對變頻器類產(chǎn)品的替代。

過去20余年，國內(nèi)外諸多學者對永磁調(diào)速器的磁場性能、氣隙模型、電渦流效應等進行了詳盡的理論分析和試驗建模。為各種結(jié)構(gòu)類型的永磁調(diào)速器的磁場設計和傳扭設計進行了分析和計算，建立了理論模型，給出了可以用于指導永磁調(diào)速器設計的數(shù)學工具，為永磁調(diào)速技術(shù)的發(fā)展積累了深厚的理論基礎(chǔ)。但在實際產(chǎn)品發(fā)展的過程中，并沒有形成理論指導實踐、實踐再反饋理論的正反饋驅(qū)動。由于永磁傳動產(chǎn)業(yè)并未形成預想中的市值和規(guī)模，因此，諸多先進的研究成果無法真正落地，永磁產(chǎn)品自身技術(shù)迭代也被打斷，最終導致現(xiàn)階段市場的主流永磁調(diào)速器產(chǎn)品仍以盤式異步結(jié)構(gòu)為主。

基于上述現(xiàn)實，提出現(xiàn)階段永磁調(diào)速器切實的發(fā)展道路：應以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速輸出、恒功率輸出及恒扭矩輸出為主要技術(shù)目標，并持續(xù)優(yōu)化控制精度和響應速度，提高產(chǎn)品可靠性。在實現(xiàn)上述技術(shù)特性之后，永磁調(diào)速器產(chǎn)品才能真正具備市場優(yōu)勢，未來的進一步技術(shù)迭代才有可能。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目標，現(xiàn)階段永磁調(diào)速器急需解決的技術(shù)問題如下。

2.1 提高調(diào)速機構(gòu)的精度和響應速度

現(xiàn)有永磁調(diào)速器存在系統(tǒng)響應不及時、執(zhí)行器動作存在較大死區(qū)、磁隙的重復定位精度低等問題。這些問題極大地破壞了永磁調(diào)速器作為“調(diào)速器”工作的基礎(chǔ)。因此，提高永磁調(diào)速器調(diào)速精度和響應速度是優(yōu)化永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)的重點工作。

需要指出的是，有部分學者和企業(yè)以盤式電機為基礎(chǔ)，提出全新的永磁調(diào)速方案，以期實現(xiàn)通過改變勵磁磁場大小，完成對系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的控制[4]。但目前市場上并沒有看到相關(guān)設計成功應用于項目現(xiàn)場，相關(guān)專利和論文所闡述的方案在工程上實現(xiàn)仍具有很大的難度，且同樣面臨與現(xiàn)有永磁調(diào)速技術(shù)相似的可靠性問題。

雖然現(xiàn)有主流永磁調(diào)速器的調(diào)速機構(gòu)具有諸多可靠性問題，但從結(jié)構(gòu)設計的角度去解決問題仍應作為提高調(diào)速機構(gòu)精度和響應速度的首選方案。

2.2 深度優(yōu)化電磁場效應，提高系統(tǒng)傳扭特性

導體盤和永磁盤是永磁調(diào)速器的核心部件。在永磁調(diào)速器工作時，由于轉(zhuǎn)差的存在，導體盤存在電渦流效應。正是對電渦流效應的利用，永磁調(diào)速器實現(xiàn)了諸多特有的傳扭特性?；趯﹄姕u流損耗的研究，有學者提出了齒槽盤式結(jié)構(gòu)、雙筒式結(jié)構(gòu)等[5]。雖然諸多新設計并未最終實現(xiàn)工程應用，但不可否認，這些嘗試為永磁調(diào)速器的磁優(yōu)化設計提供了寶貴經(jīng)驗。

現(xiàn)階段，永磁調(diào)速器的導體盤結(jié)構(gòu)過于簡單，且“失速”問題也并沒有得到更合理的解決。對電渦流效應的研究、持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新導體盤結(jié)構(gòu)、克服永磁調(diào)速器失速區(qū)間問題，應是永磁調(diào)速技術(shù)進一步發(fā)展所必須面對和攻克的課題。

2.3 優(yōu)化永磁調(diào)速器軸向安裝尺寸

過大的軸向尺寸不利于相關(guān)永磁調(diào)速器項目的落地和推廣。努力縮小永磁調(diào)速器的軸向安裝尺寸，應被視為永磁調(diào)速器技術(shù)迭代的重要方向。

2.4 永磁調(diào)速器輸出特性參數(shù)化，并具有可控性

永磁調(diào)速器應具備與變頻器類似的輸出能力，主要包括恒轉(zhuǎn)速輸出、恒功率輸出和恒扭矩輸出3個模式，并在此基礎(chǔ)上，持續(xù)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)指標。最終的產(chǎn)品形態(tài)應同時滿足3種輸出模式甚至更多的輸出模式，并可自由切換。

該技術(shù)方向的落地，需要系統(tǒng)性地優(yōu)化永磁調(diào)速器控制系統(tǒng)的軟件和硬件，簡化整個系統(tǒng)的I/O接口和交互邏輯，持續(xù)提高永磁調(diào)速器產(chǎn)品的機電一體化特性。

3 結(jié)語

針對過去永磁調(diào)速器故障頻發(fā)的原因進行了分析和總結(jié)，指出過大的軸向力是影響永磁調(diào)速器可靠性問題的主要原因所在；同時，作為一種調(diào)速器，永磁調(diào)速器應具備響應速度快、控制精度高、系統(tǒng)輸出特性可調(diào)等基本能力，并在上述基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化設計，提高參數(shù)精度。

本文所給出的永磁調(diào)速器技術(shù)路線，已經(jīng)過較充分的設計論證和試驗驗證，對于永磁調(diào)速技術(shù)的進一步發(fā)展具有十分務實的指導意義。部分優(yōu)化設計后的永磁調(diào)速器經(jīng)測試，已初步具備了調(diào)節(jié)響應速度快、磁隙定位重復精度高、系統(tǒng)軸向安裝尺寸短和輸出特性可控的技術(shù)特點。有理由相信，在未來，具備新特性的永磁調(diào)速器將有更廣的市場應用前景。