李 瑩 王 驍 郭文君 杜 江 李雙喜

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國核電工程有限公司)

在化工、核電、航天及航空等領(lǐng)域中，對(duì)高放射性、劇毒性介質(zhì)要求零泄漏[1]。磁力驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)力端(驅(qū)動(dòng)器)與工作端(閥桿)之間的全屏蔽隔離，利用磁力驅(qū)動(dòng)閥門旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥桿密封零泄漏，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2～4]。然而，磁力驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱功率的增大會(huì)引起定子導(dǎo)體的溫升，而過高的導(dǎo)體溫升將燒損導(dǎo)體絕緣層，導(dǎo)致磁力驅(qū)動(dòng)器失效[5]。目前的研究內(nèi)容僅局限于磁力驅(qū)動(dòng)器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)與工況參數(shù)的影響規(guī)律分析，缺少結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場合進(jìn)行的研究。

為此，筆者結(jié)合大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門的運(yùn)行工況特點(diǎn)，研制了一種全屏蔽閥門磁力驅(qū)動(dòng)器?；谟邢拊艌龇治隼碚?，對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部磁場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。研究閥門不同開度對(duì)應(yīng)的負(fù)載力矩下磁力驅(qū)動(dòng)器的力矩輸出性能與發(fā)熱特性，分析磁力驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)并搭建動(dòng)態(tài)負(fù)載試驗(yàn)裝置，對(duì)不同閥門負(fù)載力矩下磁力驅(qū)動(dòng)器的性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

全屏蔽閥門磁力驅(qū)動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該磁力驅(qū)動(dòng)器定子通電線圈產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生的電磁力矩通過屏蔽套無接觸地傳遞給轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子通過傳動(dòng)鍵直接驅(qū)動(dòng)閥桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥桿全屏蔽密封條件下閥門的啟閉功能。

圖1 全屏蔽閥門磁力驅(qū)動(dòng)器

2 磁場有限元模型

全屏蔽閥門磁力驅(qū)動(dòng)器有限元模型不同區(qū)域的材料屬性見表1，不同閥門開啟狀態(tài)下的載荷與邊界條件見表2。

表2 載荷與邊界條件

建立磁力驅(qū)動(dòng)器有限元計(jì)算模型，采用三角形單元對(duì)模型不同區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。根據(jù)定子每相繞組電流的有限元計(jì)算結(jié)果，計(jì)算對(duì)應(yīng)的力矩系數(shù)。以球閥啟動(dòng)狀態(tài)、球閥開度為0%和球閥開度為20%對(duì)應(yīng)的密封副摩擦力矩作為磁力驅(qū)動(dòng)器的3種負(fù)載力矩工況，采用Ansoft Maxwell對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器模型進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)磁場分析，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 磁力驅(qū)動(dòng)器有限元模型與網(wǎng)格劃分

項(xiàng)目球閥啟動(dòng)球閥開度為0%球閥開度為20%負(fù)載力矩TL/N·m20.6710.345.09定子繞組相電流I/A2.091.040.51力矩系數(shù)KT/N·m·A-19.869.899.92發(fā)熱功率Pcu/W270.2866.9216.09

由于定子繞組相電流隨著負(fù)載力矩的增大而增大，因此磁力驅(qū)動(dòng)器內(nèi)由繞組導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)磁場的磁場強(qiáng)度也相應(yīng)增大。當(dāng)該磁場強(qiáng)度增大到一定值后，磁力驅(qū)動(dòng)器會(huì)出現(xiàn)局部磁飽和的現(xiàn)象，使得磁力驅(qū)動(dòng)器的磁阻增大，工作磁通減小，力矩系數(shù)減小。在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，磁力驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱功率與其繞組相電流的平方成反比關(guān)系，因此發(fā)熱功率隨著負(fù)載力矩的增大而迅速上升。

3 驅(qū)動(dòng)性能分析

全屏蔽閥門磁力驅(qū)動(dòng)器的主要性能參數(shù)包括力矩系數(shù)KT和發(fā)熱功率Pcu[6]，計(jì)算式如下：

(1)

(2)

其中，a為定子繞組導(dǎo)體并繞支路數(shù)，Φ為磁力驅(qū)動(dòng)器的工作磁通，N為定子繞組導(dǎo)體根數(shù)，R為定子繞組電阻，ρcu為繞組導(dǎo)體材料的電阻率，Lw為繞組導(dǎo)體總長度，qcu為繞組導(dǎo)體裸線截面積。由式(1)、(2)可知，在一定閥門負(fù)載力矩下，力矩系數(shù)越大，磁力驅(qū)動(dòng)器定子繞組所需的電流載荷越小，磁力驅(qū)動(dòng)器的力矩輸出性能越好。而且，減小發(fā)熱功率可降低導(dǎo)體絕緣層燒損的危害，提高磁力驅(qū)動(dòng)器在閥門驅(qū)動(dòng)過程中的工作可靠性與安全性。磁力驅(qū)動(dòng)器的工作磁通是影響其驅(qū)動(dòng)性能的重要參數(shù)，而屏蔽套、定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作磁通均有顯著影響。

3.1 屏蔽套結(jié)構(gòu)參數(shù)

影響磁力驅(qū)動(dòng)器力矩輸出性能的屏蔽套結(jié)構(gòu)參數(shù)為屏蔽套厚度。采用Ansoft Maxwell對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行空載工況下的瞬態(tài)磁場分析。保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，不同閥門開度下屏蔽套厚度對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器的力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響如圖3所示?？梢钥闯?，隨著屏蔽套厚度的增大，工作磁通減小，力矩系數(shù)減小。同時(shí)，隨著閥門負(fù)載力矩的增加(閥門開度的減小)，由導(dǎo)體電流感應(yīng)的磁場逐漸增強(qiáng)，使定子鐵芯發(fā)生磁飽和，導(dǎo)致磁力驅(qū)動(dòng)器的工作磁通減小，力矩系數(shù)減小。隨著屏蔽套厚度的增大，發(fā)熱功率成線性增長趨勢，且隨著負(fù)載力矩的增大，發(fā)熱功率增長幅度變大。

圖3 屏蔽套厚度對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響

綜上所述，為提高磁力驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能，應(yīng)減小屏蔽套厚度。但屏蔽套作為閥門的承壓件，其厚度決定著閥門的承壓能力。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以上兩點(diǎn)因素，選取合適的屏蔽套厚度。

3.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)(永磁體極弧系數(shù)和永磁體厚徑比)影響磁力驅(qū)動(dòng)器的工作磁通，進(jìn)而影響其力矩系數(shù)和發(fā)熱功率。永磁體極弧系數(shù)αi和永磁體厚徑比Kmr的表達(dá)式如下：

(3)

其中，p為轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)，bm為永磁體外圓弧長，Dro為轉(zhuǎn)子外徑，δm為永磁體厚度。在磁力驅(qū)動(dòng)器空載工況下進(jìn)行瞬態(tài)磁場分析，提取不同極弧系數(shù)和厚徑比下的磁力驅(qū)動(dòng)器磁通密度，并進(jìn)行傅里葉分解，得到對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響規(guī)律如圖4、5所示。

可以看出，力矩系數(shù)隨極弧系數(shù)和厚徑比的增大而增大，增大趨勢逐漸減緩，發(fā)熱功率呈先減小后趨于平緩的趨勢。當(dāng)極弧系數(shù)和厚徑比相同時(shí)，由于磁飽和的出現(xiàn)，使得磁力驅(qū)動(dòng)器的工作磁通隨著閥門負(fù)載力矩的增大而減小，導(dǎo)致力矩系數(shù)減小，發(fā)熱功率增大。

圖4 極弧系數(shù)對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響

圖5 厚徑比對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響

3.3 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)

影響磁力驅(qū)動(dòng)器力矩輸出性能與發(fā)熱性能的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)有定子內(nèi)徑Dsi、定子外徑Dso、槽頂寬bs2、齒寬bt、槽高h(yuǎn)s3和軛高h(yuǎn)y。齒槽寬比Kts、定子裂比Ksp和槽軛高比Ksy的計(jì)算式如下：

(4)

其中，Rs為槽底圓弧半徑。在不同閥門開度下，齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響規(guī)律如圖6～8所示。由于齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比的增大均使磁力驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)局部磁飽和現(xiàn)象，故力矩系數(shù)存在最大值。當(dāng)力矩系數(shù)較大時(shí)，在相同負(fù)載力矩條件下，由于定子繞組相電流較小，因此發(fā)熱功率存在最小值。可見，在球閥設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響，防止力矩不足或發(fā)熱功率過高引起的定子繞組線圈燒損等問題。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性，對(duì)全屏蔽閥門磁力驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。以一臺(tái)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)p=3、定子槽數(shù)Z=9的磁力驅(qū)動(dòng)器為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)負(fù)載試驗(yàn)方案。

采用伺服電機(jī)作為磁力驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)負(fù)載施加裝置，由控制器的力矩控制功能為負(fù)載電機(jī)施加一定負(fù)載力矩下的電流，從而為磁力驅(qū)動(dòng)器提供與它轉(zhuǎn)向相反的負(fù)載力矩。磁力驅(qū)動(dòng)器通過柔

圖6 齒槽寬比對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響

圖7 定子裂比對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響

圖8 槽軛高比對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響

性聯(lián)軸器拖動(dòng)負(fù)載電機(jī)旋轉(zhuǎn)，完成不同負(fù)載力矩下的試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖9所示?？梢钥闯觯?jì)算值高于試驗(yàn)值，兩者誤差在10%以內(nèi)。計(jì)入誤差因素影響，可認(rèn)為力矩系數(shù)的試驗(yàn)值與計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性。

圖9 磁力驅(qū)動(dòng)器力矩性能對(duì)比

磁力驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱功率的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖10所示。磁力驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，隨著負(fù)載力矩的增大，繞組導(dǎo)體會(huì)出現(xiàn)一定的溫升，導(dǎo)體電阻隨其溫度的升高而增大，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱功率增大。計(jì)入導(dǎo)體溫升因素的影響，可認(rèn)為發(fā)熱功率的試驗(yàn)值與計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性。

圖10 磁力驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱功率對(duì)比

5 結(jié)論

5.1磁力驅(qū)動(dòng)器的力矩系數(shù)與其氣隙磁通密度基波幅值成正比。對(duì)比分析得到了屏蔽套厚度對(duì)力矩系數(shù)和發(fā)熱功率的影響規(guī)律。

5.2分析了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器力矩輸出特性和發(fā)熱功率的影響規(guī)律，得到了永磁體極弧系數(shù)和永磁體厚徑比的優(yōu)選值范圍。

5.3分析了定子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器力矩輸出特性和發(fā)熱功率的影響規(guī)律，得到了齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比的優(yōu)選值范圍。

5.4對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器的力矩輸出性能與發(fā)熱特性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的力矩系數(shù)、發(fā)熱功率與負(fù)載瞬態(tài)磁場分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了全屏蔽閥門磁力驅(qū)動(dòng)器理論研究的正確性。

[1] 段增斌.中國大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制[J].火箭推進(jìn),2000,(1):13～28.

[2] 孫德福,鄒立莉,郭輝,等.用于閥門的磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[P].中國:201220000562.2,2012-12-05.

[3] 徐巧,梅順齊,李剛炎.軸向磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力矩的計(jì)算方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(12):1587～1592.

[4] 竇新生,趙克中,徐成海.磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的磁路分析及磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算[J].化工機(jī)械,2004,31(6):357～360.

[5] 王曉遠(yuǎn),賈珍珍,高鵬.外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)電磁場-溫度場的耦合求解分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2014, 47(10):898～902.

[6] 譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.