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用情況,將其按用途分為傳動軸密封和聯軸調速兩種,按結構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鍵并介紹了其進展和有望得到解決;推導出永磁渦流傳動的渦流損耗P1與傳動輸出功率P之比只取決于旋轉相對轉速n1和輸出轉速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永磁傳動方面的文獻約數百篇;從國家知識產權局檢索到的相關中國專利申請多達數千件.對部分論文及其引用的中外文獻瀏覽情況看,應用例的內容較多,其次是抽象的指導性理論研究占據了主要部分,直接對設計、生產和標準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.從這些數據看,永磁傳動方興未艾,永磁傳動領域還有很多科技工作有待完成.1999年用于聯軸調速的永磁傳動產品問世[1],拓展了永磁傳動技術應用.誕生于20世紀40年代用于傳動軸密封的永磁傳動產品雖然歷經近80年的使用和改進[2],但其真正較為廣泛的實際應用源自20世紀80年代永磁材料釹鐵硼的出現[3].從應用角度看,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軸器或調速器作用,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;后者則被認為是目前最先進的非機械聯接調速節(jié)能技術[5],同時具有可靠性、適應性、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,該產品可以提高使用溫度至450℃.非密封目的用于聯軸調速的異步永磁傳動產品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品上世紀70年代在我國開始用于傳輸泵,80年代開始用于攪拌釜.用于聯軸調速的異步永磁傳動,即渦流傳動產品于2007年從美國引進.

筆者所在公司是攪拌設備研發(fā)制造企業(yè),從上世紀末開始使用用于傳動軸密封的同步永磁傳動產品,2005年完成了浙江省科技計劃項目“IMC型感應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)標準《磁力驅動反應釜》HG/T3648-2011的修訂研討會.通過多年的應用及研究探索,我們對用于傳動軸密封的同步永磁傳動產品設計和計算等方面做了系統(tǒng)研究并已實現計算機軟件標準化設計[6,7],并開發(fā)了用于高溫使用的同步永磁傳動技術,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載端由導磁材料取代永磁材料.理論上,引力同步磁傳動技術優(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,后者的負載端由導電材料實現磁交互作用.接下來,我們希望在用于聯軸調速的異步永磁傳動技術和用于傳動軸密封的同步永磁傳動無渦流損耗技術上投入力量,開發(fā)擁有自主知識產權的產品,并研究和完善設計和計算方法及其精確性.

2 永磁傳動技術分析

表1列出了永磁傳動技術出現順序及對應特征.

圖1是永磁傳動圓筒式結構,圖2是永磁傳動圓盤式結構.表1中的每一種技術都可以采用圖1或圖2的任一特征結構的演變型式,設計時應根據傳遞扭矩大小、現場安裝條件和工況來確定.主動端和從動負載端的具體形式以及產品中的輔助部件的設計是永磁傳動技術涉及的具體問題,包括永磁體形狀尺寸和擺放、導磁材料或導電材料與磁體配合的磁路或電路設計、前述這些基礎自變量與扭矩及損耗等函數的關系等.

表1 永磁傳動技術出現順序及對應特征Tab.1 The order and corresponding characteristics permanent magnetic transmission technology

永磁傳動技術的出現和發(fā)展毫無疑問地要依賴永磁材料的進步.20世紀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,這給永磁傳動技術帶來了生機[3].永磁傳動技術應用相關論文很多,只是缺少對永磁傳動應用設計的針對性和結論性內容.很多生產企業(yè)是憑借經驗性積累形成自己的系列產品,以致無法形成統(tǒng)一嚴謹的產品標準,不能從定量上比較和評判產品性能和級別.比如永磁密封傳動在傳遞大扭矩或大功率應用上的瓶頸問題是損耗或效率問題,這在現有的產品和標準中都沒有涉及,如果對用戶采購的產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,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 永磁傳動圓筒式結構Fig.1 Cylinder type structure of permanent magnetic transmission

圖2 永磁傳動圓筒式結構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軸調速的永磁渦流傳動技術應用的首要問題都是設計的合理性和計算的精確性.前者的研究力求的終極目標是傳動損耗的降低或接近于零;后者研究力求的終極目標是結構簡單操作方便價格合理.這是掃除推廣應用中遭遇障礙的首要任務.從諸多文獻介紹的應用例可以看出,永磁傳動技術優(yōu)勢明顯、市場廣闊.這些文獻中有對用于聯軸調速的永磁渦流傳動技術與變頻調速、液力耦合調速等其他相同功能的應用所作的詳盡分析比較.相關工作在國外進行的很早[8].美國、德國和意大利等都有相關研究.國內則處于起步期[9],哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、東北大學和江蘇大學等都加入研究的隊伍.對于永磁計算,多數學者應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值計算方法有效地應用在永磁計算中,從而對永磁密封傳動和永磁渦流傳動起到指導作用.其中,李延民等人[11]給出的磁參數和相關數據較為詳盡細致.

筆者曾經在中國科學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,對永磁傳動相關計算無論采用磁路法、解析法、數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確控制和跟蹤調節(jié).永磁體磁場是由若干塊交互作用的磁體共同產生.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,才能對其產生的總磁場做有限范圍的設計.這就要求對產品設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強度Br.在鐵磁介質中,磁導率不是常數,定量計算時應謹慎使用.

(2) 永磁傳動直接涉及傳動計算、磁學計算、機械設計和化工領域等多學科,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)格及結構、通過傳動計算求得扭矩大小、通過磁學計算和機械設計的結合因素確定磁體具體形狀尺寸.具體步驟應該是由機械設計考慮的內外磁氣隙尺寸確定磁體磁向厚度和周向弧長(由此將磁體參數與機械結構參數有機關聯)、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

有關永磁材料及其磁路設計分析和推導過程在相關論文中已有詳述[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.

針對用于聯軸調速的永磁渦流傳動,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和安培力原理實現扭矩傳遞.目前用于聯軸調速的永磁傳動產品重點放在了利用調整氣隙的機構及其執(zhí)行器對一定轉速和功率的動力源進行調速輸出,形成了調速型、延遲型、限矩型和經濟型等四種型式[11].最大功率已達3 000 kW.

化工攪拌行業(yè)的攪拌設備在運行過程中,存在軟啟動要求和負載波動不定的情況,目前是通過配備變頻裝置和增加功率設計余量來解決.如果采用永磁渦流傳動裝置,應該給攪拌設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,若能省略調整氣隙的機構及其執(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,三個基本前提是永磁場、導體、他們之間的轉速差.關于永磁場相關內容前面介紹了很多,現在重點闡述導體及其與永磁場之間的轉速差問題.

當導體切割磁力線時產生感應電動勢E:

E=BLV=BLRω

式中B——磁場的磁感應強度;

L——切割磁力線導體長度;

R——切割磁力線導體的旋轉半徑;

ω——導體旋轉相對角速度.

以圓筒形導體為例(如表1中出現順序為2的異步永磁傳動從動負載端和出現順序為3的渦流傳動主動端對應圖1的永磁傳動圓筒式結構的情況),計算其電阻r:

式中L——切割磁力線導體長度;

R——切割磁力線導體的旋轉半徑；

S——導體截面積；

δ——圓筒形導體壁厚；

ρ——電阻率.當導體形成回路,將產生感應電流I:

(1)

由此產生渦流損耗P1:

(2)

長度為L的導體切割磁力線產生感應電流I的同時,導體在磁感應強度為B的磁場中受到安培力F:

F=BIL

在安培力F作用下,圓筒形導體傳遞輸出扭矩為T:

T=FR=BILR=

通過功率與轉速關系式計算傳動輸出功率為P:

(3)

式中,n是傳動輸出轉速.

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,將運動導體旋轉相對角速度ω換算為運動導體旋轉相對轉速n1代入,結果為:

(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之比與運動導體旋轉相對轉速n1成正比,與傳動輸出轉速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速.

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

以上結論作為永磁渦流傳動的定性和定量指導方向,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處于傳動密封領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軸調速比較所具有的可靠性、適應性、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處于聯軸調速領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設計及其精確計算問題,永磁傳動技術應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,學士,教授級高級工程師.E-mail:23889511@qq.com

TH 139

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1672-5581(2016)06-0552-05