劉建偉，盧志敏，許治修，金　浩，洪春鳳

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司節(jié)能研究院，廣東 廣州　510663)

2014年全球風電新增裝機容量實現(xiàn)了44%年增長，中國實現(xiàn)了45.1%，成為全球裝機容量最多的國家[1]?？梢娢覈鴮︼L電行業(yè)的重視和投入，將促進其更加快速的發(fā)展，尤其是海上風電單機容量越來越大，在風電轉(zhuǎn)換的過程中，風力發(fā)電機組內(nèi)的發(fā)電機和變流器會產(chǎn)生大量熱量，若不及時將這些熱量帶出，溫度持續(xù)升高將會影響風電的正常轉(zhuǎn)化，甚至會燒毀機組器件[2]。目前，兆瓦級風力發(fā)電機組的發(fā)電機和變流器冷卻采用密閉式純水循環(huán)冷卻。大量實踐表明，該冷卻方式在機理和技術(shù)上市是成熟的。但在冷卻水循環(huán)過程中，該冷卻設(shè)備使用的電動三通閥存在漏水隱患。為了解決電動三通閥輸送介質(zhì)的跑、冒、滴、漏問題[3]，電磁三通閥替代電動三通閥，即將磁力驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于三通閥。電磁三通閥磁力驅(qū)動器應(yīng)用永磁材料或電磁鐵所產(chǎn)生的磁力作用來實現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩無接觸傳遞的一種新技術(shù)器件。其可以達到三通閥全密封、無泄漏的效果。目前已經(jīng)在密閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中使用電磁三通閥，取得良好效果。文章主要介紹磁力驅(qū)動器工作原理，傳統(tǒng)磁力驅(qū)動器結(jié)構(gòu)及對一種應(yīng)用于風電水冷電磁三通閥的一體化磁力驅(qū)動器進行分析，以促進其更加廣泛的應(yīng)用。

1　磁力驅(qū)動三通閥工作原理及特點

磁力驅(qū)動三通閥的工作原理與普通機械密封的電動三通閥不一樣，是利用永磁鐵材料作用使主動件與從動件之間無接觸地傳遞轉(zhuǎn)矩，三通閥機構(gòu)的運動通過永磁場控制，而不是直接通過閥桿控制。磁力驅(qū)動的三通閥的閥桿與閥芯和磁力驅(qū)動器的動轉(zhuǎn)子相連接，封閉在隔離套內(nèi)，形成一個全封閉結(jié)構(gòu)，力和轉(zhuǎn)矩是通過內(nèi)外磁力驅(qū)動轉(zhuǎn)子的磁場耦合傳遞，是靜密封結(jié)構(gòu)。而電動三通閥的閥桿與閥芯和電動執(zhí)行器相連接，力和轉(zhuǎn)矩的傳遞是通過執(zhí)行器傳遞給閥門和閥芯，是動密封結(jié)構(gòu)。因此，磁力驅(qū)動三通閥在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上具有突出的特點，顯示了極大的優(yōu)越性。其優(yōu)點有：①采用靜密封，閥桿運動摩擦力小，運行靈活；②靜密封結(jié)構(gòu)，密封性能好，實現(xiàn)了零泄漏；③安全性好；④提高了閥門的使用壽命；⑤密封問題不受溫度影響，閥門的使用溫度主要取決于選用的永磁材質(zhì)和結(jié)構(gòu)[4-6]。

2　分體式磁力驅(qū)動器

由圖1可知，傳統(tǒng)的分體式磁力驅(qū)動裝置主要由過渡法蘭、安裝基座、磁力外轉(zhuǎn)子、壓力密封罩、O型密封圈、磁力內(nèi)轉(zhuǎn)子組成。此種分體式結(jié)構(gòu)在裝配時，只能將所有組件分開一個一個的與所從動件連接轉(zhuǎn)配。這樣裝配導(dǎo)致設(shè)備的裝配效率低下，而且在裝配過程很容易出現(xiàn)漏裝，或者裝配不到位的現(xiàn)象，導(dǎo)致裝配質(zhì)量問題很難控制。

圖1　分體式磁力驅(qū)動器分解圖

在工程設(shè)備的應(yīng)用方面，出現(xiàn)的質(zhì)量問題大部分是因為分體式磁力驅(qū)動器在裝配過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問題所導(dǎo)致。現(xiàn)場維修和更換的工作量大，為了提升磁力驅(qū)動的質(zhì)量和可靠性，安裝的便利性，維護的簡單性，封裝一體式的磁力驅(qū)動器急需設(shè)計開發(fā)。

3　一體式磁力驅(qū)動器

3.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計

一體式磁力驅(qū)動裝置主要由過渡法蘭、安裝基座、磁力外轉(zhuǎn)子、壓力密封罩、O型密封圈、磁力內(nèi)轉(zhuǎn)子、軸承、定位圈、彈性擋圈等組成。此種結(jié)構(gòu)的磁力驅(qū)動器，利用軸承使得外磁力轉(zhuǎn)子和軸承連接為一體，然后固定在過渡法蘭上。內(nèi)磁力轉(zhuǎn)子通過定位圈定位和配合支撐，解決了內(nèi)外磁力轉(zhuǎn)子的集成組裝問題。這種磁力驅(qū)動器的在設(shè)備上的裝配也很簡單，按先后裝配順序與從動器件、主動器件對接即可，不僅提高了設(shè)備的裝配效率，而且大幅度提高了裝配的質(zhì)量，提高了設(shè)備運行的可靠性。圖2為一體式磁力驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖。

圖2一體式磁力驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

3.2　磁路設(shè)計

磁力驅(qū)動器所采用的永磁材料較貴，成本相對較高，使其使用受到了一定的限制。因此設(shè)計制造出性能好、成本低，適用于各種不同工作條件下的磁力驅(qū)動器是十分重要。磁路是磁力驅(qū)動器的核心，其由永磁體、工作氣隙和導(dǎo)磁體等三部分所組成。磁路的設(shè)計要求是保證工作氣隙中具有設(shè)計確定的磁場強度，即保證三通閥工作時所需要的磁力或磁轉(zhuǎn)矩達到要求的前提下，力求得到一個具有最高的磁穩(wěn)定性和最小磁體積的磁力驅(qū)動器。因此選擇最佳的磁路形式、配置性能優(yōu)越的永磁材料，確定最佳的磁路尺寸和具有良好的結(jié)構(gòu)性能以及滿足一定機械強度要求的材料選擇和結(jié)構(gòu)件，就成為磁力驅(qū)動器磁路設(shè)計中應(yīng)當考慮的重要問題。在設(shè)計中應(yīng)依據(jù)磁驅(qū)動力與磁感應(yīng)強度和磁極面積成正比，與磁極位移量成反比原則進行磁路的設(shè)計。

3.2.1磁路的選擇

磁路的選擇包括磁路形式與選擇、磁路材料選擇和其它特性選擇。

3.2.2磁路形式與選擇

根據(jù)永久磁體的排列形式，磁路的形式可分為間隙分散式和組合拉推式兩種。在分散式磁路中兩永磁體之間按一定的間距離進行排列，而在組合拉推式中兩永磁體之間靠緊排列。在相同體積的磁力驅(qū)動器條件下，組合拉推式能夠排列出更多的永磁體，相對來說可以傳遞較大轉(zhuǎn)矩或者減小外形尺寸。

當從動磁轉(zhuǎn)子的磁極S位于主動磁轉(zhuǎn)子N、S兩個極的中間位置時轉(zhuǎn)矩最大。由同性相斥，異性相吸的原理可知，相鄰兩磁極對從動磁極的作用力在旋轉(zhuǎn)方向上是疊加的，這有助于獲得高傳動轉(zhuǎn)矩。同時通過磁場力的作用，可以減輕甚至抵消軸向作用力，對支撐軸承的壽命有利。組合拉推式磁路的磁力驅(qū)動密封裝置，在兩極間有非磁性的金屬隔離套，由于靠得很近的兩磁極產(chǎn)生的軸向磁場相互抵消，可以有效地控制或者減小在隔離套壁厚內(nèi)的渦流損失，也有效地控制或減少了因渦流引起的隔離套發(fā)熱。因此組合拉推式的磁力驅(qū)動器具有較好的磁場透過器壁傳遞能量的效果，適用于磁力驅(qū)動三通閥。

3.2.3磁路材料選擇

對于相同的磁路類型，相同的磁路尺寸、要得到最大的氣隙磁感應(yīng)強度，就需要選擇最適宜的磁性材料。對于驅(qū)動三通閥的永磁材料應(yīng)具備三個條件：①較高的剩余磁感應(yīng)強度，這樣才能獲得較大的磁力和轉(zhuǎn)矩；②高的矯頑力，這樣永磁體不易退磁即應(yīng)具有較高的磁能積；③良好的溫度穩(wěn)定性，溫度穩(wěn)定性是指磁性材料的磁性隨環(huán)境變化較小，是一定溫度范圍內(nèi)較為穩(wěn)定的一種性能。因此對溫度有要求的器件應(yīng)重點考慮磁性材料的溫度穩(wěn)定性。我國市場上常用的永磁材料有鐵氧體、釹鐵硼、稀土鈷、鋁鎳鈷和鐵鉻鈷等。其中綜合諸多性能，釹鐵硼和稀土鈷是最優(yōu)良的永磁材料，而鐵氧體是性能最差的。磁力驅(qū)動器中永磁材料選用釹鐵硼或稀土鈷較好，但釹鐵硼在溫度為0～85℃時選用。

隔磁材料主要作用：①支持和保護磁性材料；②隔磁，減少磁通在磁塊之間的橫向泄漏，使大部分磁通能在一對磁極之間通過，以達到磁極之間的作用力盡可能大的目的。所以，隔磁材料必須具有低磁導(dǎo)率，同時在腐蝕場合下使用時，隔磁材料還必須具有耐腐蝕性能，或者采取一定措施使抗腐蝕性能較好，否則會因?qū)Т艍K的材料選擇不當，增大磁通泄漏，加快磁性失效。

在磁力驅(qū)動器中永磁材料是裝在內(nèi)外轉(zhuǎn)子上的，內(nèi)外永磁體之間的磁通必須經(jīng)過內(nèi)外轉(zhuǎn)子形成回路，因此內(nèi)外轉(zhuǎn)子都必須由磁導(dǎo)率較高的軟磁鐵材料制成。為了防止外磁場改變磁路中的磁通密度和調(diào)整漏磁大小，利用軟磁材料做成磁屏蔽。磁導(dǎo)率是表征軟磁材料的性能的特性參數(shù)，對于確定材料，其最大磁導(dǎo)率和初始磁導(dǎo)率是一個常數(shù)，軟磁材料的磁導(dǎo)率和飽和磁化強度越大越好，矯頑力越小越好。常用的幾種軟磁材料為工業(yè)純鐵、鐵鎳合金、硅鋼、鐵鋁合金、恒導(dǎo)磁合金、鐵鈷合金、磁溫度補償合金和軟磁鐵氧體等。磁力驅(qū)動器的磁路使用的永磁材料不存在變化磁場，不必要考慮磁損問題。因此采用低碳鋼作為軟磁材料，其磁性能既與工業(yè)純鐵性能十分相近，又容易加工，價格也較便宜，是比較理性的一種選擇。

“新興文藝的代表作家”芥川龍之介的蘇州游記的文本具有文人話語和殖民主義話語的雙重特征。作為一名“中國趣味的愛好者”，對中國古典文學(xué)作品的引用和對古跡風景有感而發(fā)使蘇州游記呈現(xiàn)出明顯的文人話語特征。在蘇州游記中，也表述了芥川在追尋“中國趣味”的過程中對現(xiàn)實中國的失望，這種幻想的破滅甚至影響了他之后的創(chuàng)作風格。當然芥川在蘇州游記中的消極描述與其病體也有一定的關(guān)聯(lián)。

3.2.3其它特性選擇

其它特性選擇包括磁轉(zhuǎn)子長徑比的選擇即磁轉(zhuǎn)子外形尺寸的選擇，以及磁路工作間隙(即磁隙)和磁體及導(dǎo)磁體厚度的選擇磁路工作間隙的選擇。磁轉(zhuǎn)子長徑比選擇依據(jù)為：①當傳遞扭矩的最大靜磁力矩小于300Nom時，長徑比取0.2～2；300Nom～500Nom時, 長徑比取0.5～2.5；大于500Nom時，長徑比取0.8～3。磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，壓力小取小值；轉(zhuǎn)速高、壓力大取大值。磁路工作間隙厚度控制在5～8mm之間。為了防止漏磁，導(dǎo)磁體的厚度一般等于略大于磁體厚度。

3.3　隔離套設(shè)計

在磁力驅(qū)動器中隔離套位于內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子之間。高壓介質(zhì)的密封全由隔離套起作用，所以設(shè)計時應(yīng)考慮兩點：①承受壓力時其變形量不應(yīng)超過設(shè)計的要求；②為了提高磁驅(qū)動工作效率，應(yīng)盡可能減少金屬隔離套在交變磁場作用下產(chǎn)生的渦流損失。因此，隔離套應(yīng)選用機械強度高，電阻率大，耐腐蝕性好的非導(dǎo)磁材料制作[6]。

4　磁力驅(qū)動技術(shù)在風電水冷三通閥上的應(yīng)用

4.1　磁力驅(qū)動三通閥主要參數(shù)計算

(1)閥門的流體阻力損失

流體通過三通閥時會產(chǎn)生阻力，其阻力損失以閥門前后流體壓力差ΔP表示。對于紊流的液體：

(1)

式中，ε——閥門的流體阻力系數(shù)，與閥門的類型、結(jié)構(gòu)尺寸和表面情況等有關(guān)；V——進口流速，m/s；γ——流體密度，kg/m3。

三通閥閥桿的驅(qū)動速度在不同介質(zhì)狀態(tài)中有不同的要求。對于電動時，對驅(qū)動速度要求較為嚴格，一般按下式計算：

(2)

式中，T——關(guān)閉時間，s；Lf——關(guān)閉行程，cm；m——螺紋頭數(shù)，cm；n——軸速度，r/min。

(3)密封力計算

選擇的是易于安裝的平面密封形式，密封力Fb為[6]：

(3)

式中：qb——密封面上所需要的最小比壓，成為必需比壓。

(4)

式中，m——與介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；α、c——與密封面材料有關(guān)的系數(shù)；P——公稱壓力。

4.2　實例

圖3　測試中磁力三通閥

圖3所示的測試中的磁力三通閥，所設(shè)計的磁力三通閥通過壽命、壓力、高低溫、連續(xù)運行測試，無任何外漏現(xiàn)象發(fā)生。圖4所示一體式電磁三通閥磁力驅(qū)動器運用于某風力發(fā)電項目將近三年，其驅(qū)動的三通閥未出現(xiàn)以前電動三通閥漏水情況，運行狀態(tài)良好。目前該磁力驅(qū)動器已推廣應(yīng)用在國外風力發(fā)電項目和光伏發(fā)電項目，解決風力發(fā)電發(fā)電密閉式純水冷卻系統(tǒng)的三通閥漏水問題。

圖4　一體式電磁三通閥磁力驅(qū)動器

5　結(jié)語

通過對分體式磁力驅(qū)動器的分析，設(shè)計出一種在風電水冷上應(yīng)用的一體式電磁三通閥磁力驅(qū)動器，所在風電水冷實際運行過程中未出現(xiàn)漏水情況、運行狀態(tài)良好，表明磁力驅(qū)動技術(shù)在風電水冷三通閥上的應(yīng)用實際可行，但磁力驅(qū)動器在實際應(yīng)用過程中應(yīng)注意：①為了避免力和轉(zhuǎn)矩傳遞效果較差，磁力驅(qū)動器內(nèi)外轉(zhuǎn)子所有的磁性材料相同或者性能相近；②安裝、調(diào)試時輕拿輕放，不要和其它物體相碰撞；③在使用過程中，內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對滑脫時，已立即停車以免磁性材料退磁；④為了使它達到嗎應(yīng)有的效果，在操作過程中應(yīng)嚴格按照操作規(guī)程操作；⑤磁力傳動是恒轉(zhuǎn)矩傳動，無特殊要求時，應(yīng)從輕負荷啟動逐步過渡到額定負荷運轉(zhuǎn)。