范 欣

(上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

0 引言

永磁傳動(dòng)技術(shù)是一種利用永磁體與導(dǎo)體之間磁力傳遞動(dòng)力的技術(shù)。永磁傳動(dòng)設(shè)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(guò)改變永磁體與導(dǎo)體之間的間隙，從而改變可傳遞轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備[1]。

在通常情況下，當(dāng)永磁調(diào)速器的額定功率超過(guò)750 kW@1 500 r/min后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)需采用液冷的方式進(jìn)行散熱。如圖1所示，液冷結(jié)構(gòu)與風(fēng)冷結(jié)構(gòu)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(dǎo)致永磁調(diào)速器安裝尺寸較大。在項(xiàng)目推廣的過(guò)程中，過(guò)長(zhǎng)的軸向安裝尺寸極大地阻礙了永磁調(diào)速器相關(guān)項(xiàng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要方向，具有十分顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和推廣潛力。

圖1 傳統(tǒng)永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

1 現(xiàn)有永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

永磁調(diào)速器按冷卻方式可分為空冷型和液冷型。設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式一般包括1個(gè)筒式結(jié)構(gòu)作為殼體，前后分別設(shè)有輸入軸和輸出軸，用于連接原動(dòng)機(jī)和負(fù)載設(shè)備。一般結(jié)構(gòu)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(cè)需預(yù)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(shí)，需要將原動(dòng)機(jī)向后移動(dòng)1 720 mm以上才可以完成安裝。

實(shí)際情況中，在一個(gè)已經(jīng)完成建造并正式投運(yùn)的廠區(qū)里，大功率電機(jī)的末端通常很難具備1 720 mm以上長(zhǎng)度的軸向空間。對(duì)于電機(jī)后方無(wú)空間的現(xiàn)場(chǎng)(如電機(jī)后方1 m左右有墻體或其他設(shè)備)，永磁調(diào)速器無(wú)法安裝。即便有空間，多數(shù)情況也是廠房?jī)?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(duì)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(gè)殼體支撐結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，永磁盤與導(dǎo)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(dǎo)體盤之間無(wú)機(jī)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(dǎo)體盤之間的機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法被隔斷，“非接觸式”傳動(dòng)無(wú)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(jié)構(gòu)中所采用的永磁盤與導(dǎo)體盤分軸懸掛設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化。

2 永磁調(diào)速器軸向尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)[3]。共軸布置是將永磁調(diào)速器的輸入軸和輸出軸通過(guò)套接的方式，布置在同一個(gè)軸向長(zhǎng)度上(見(jiàn)圖2)。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的共軸結(jié)構(gòu)永磁調(diào)速器

此時(shí)，輸入軸與輸出軸在空間上占據(jù)了同一段軸向長(zhǎng)度。通過(guò)設(shè)計(jì)空心的輸出軸結(jié)構(gòu)，將輸入軸套在輸出軸內(nèi)部，節(jié)省整個(gè)設(shè)備的軸向安裝空間。為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)目標(biāo)，在輸入軸與輸出軸內(nèi)增加了一對(duì)支撐軸承。同時(shí)，輸入軸和輸出軸端的軸承徑向尺寸會(huì)有一定程度的增加，此為縮短設(shè)備軸向尺寸做出的設(shè)計(jì)妥協(xié)。

通過(guò)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(zhǎng)度，該軸占據(jù)的軸向尺寸得以釋放。經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)改造，永磁調(diào)速器軸向尺寸較原設(shè)計(jì)可縮短約30%左右。

2.2 法蘭式聯(lián)軸器

為進(jìn)一步優(yōu)化永磁調(diào)速器軸向安裝尺寸，取消原設(shè)計(jì)中的輸入輸出軸結(jié)構(gòu)，改用法蘭聯(lián)軸器。

在原設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)度達(dá)到550 mm以上。而采用法蘭式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)的永磁調(diào)速器的輸入和輸出端需要安裝法蘭結(jié)構(gòu)，用以連接法蘭式聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

3 核心零部件校核計(jì)算

以最終完成的樣機(jī)為例，作設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明，主要計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

3.1 調(diào)速機(jī)構(gòu)中球面滾子軸承校核計(jì)算

考慮軸向尺寸的最優(yōu)設(shè)計(jì)，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(shí)，可以滿足緊湊的軸向設(shè)計(jì)需求。實(shí)例中選型軸承為SKF軸承，型號(hào)為23140CC，軸承主要承載軸向力。根據(jù)Maxwell仿真計(jì)算結(jié)果，永磁盤對(duì)導(dǎo)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(shè)計(jì)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)SKF官方給出的軸承壽命校核計(jì)算工具，設(shè)定軸向力50 kN，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑。如圖3所示，以油潤(rùn)滑作為潤(rùn)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(shí)際工況中，系統(tǒng)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速折算為平均轉(zhuǎn)速，應(yīng)小于1 480 r/min。因此，綜合考慮，軸承的基本額定壽命應(yīng)大于設(shè)計(jì)要求25 000 h，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 SKF軸承給出的軸承校核計(jì)算結(jié)果

3.2 輸入、輸出側(cè)法蘭結(jié)構(gòu)的傳扭能力校核計(jì)算

根據(jù)表1可知，電機(jī)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(jì)算扭矩為：

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

T計(jì)=9 679×1.8=17 422 N·m

在新結(jié)構(gòu)永磁調(diào)速器中，為傳遞足夠扭矩，在輸入和輸出側(cè)均設(shè)計(jì)有傳扭銷結(jié)構(gòu)。其中，受結(jié)構(gòu)尺寸限制，輸出側(cè)因傳扭銷分布半徑較小，為傳扭結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)工作點(diǎn)。傳扭銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)傳扭銷做剪切應(yīng)力校核，對(duì)輸出軸做材料壓潰校核[4],計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

圖4 傳扭銷結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)尺寸

表3 傳扭危險(xiǎn)工作點(diǎn)校核

表3校核結(jié)果顯示，在工作扭矩為額定扭矩的1.8倍時(shí)，傳扭銷結(jié)構(gòu)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(duì)安全系數(shù)要求較高的工況，如柱塞泵的連接等。

在共軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要校核的計(jì)算點(diǎn)和解決的問(wèn)題遠(yuǎn)不止列出的部分，還包括螺旋槽結(jié)構(gòu)的壓潰校核計(jì)算以及導(dǎo)體盤的流量和散熱計(jì)算等。除此之外，軸承的潤(rùn)滑油路設(shè)計(jì)也是十分復(fù)雜的工作。受限于篇幅，在此不展開(kāi)詳述。

4 設(shè)計(jì)總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)共軸結(jié)構(gòu)，永磁調(diào)速器在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很大的困難，最終成型樣機(jī)的結(jié)構(gòu)也并非完全沒(méi)有缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題總結(jié)如下：

(1)為極致地追求更小的軸向安裝尺寸，在調(diào)速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了球面滾子軸承。該軸承結(jié)構(gòu)具備較短的軸向尺寸,同時(shí)，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(jì)算中發(fā)現(xiàn)，1 500 kW@1 500 r/min為該類軸承的設(shè)計(jì)極限,即相同額定轉(zhuǎn)速下，更高功率的永磁調(diào)速器因?yàn)檩S承壽命不達(dá)標(biāo)或額定轉(zhuǎn)速不夠，而無(wú)法繼續(xù)采用該型號(hào)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(shè)計(jì)，但軸向尺寸無(wú)法做到極致。

(2)由于采用共軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在縮短了永磁調(diào)速器軸向尺寸的同時(shí)，也放大了內(nèi)部部分軸承內(nèi)徑的尺寸，主要是調(diào)速機(jī)構(gòu)內(nèi)的軸承內(nèi)徑尺寸,更大尺寸的軸承會(huì)限制額定轉(zhuǎn)速。若內(nèi)徑尺寸進(jìn)一步放大，則永磁調(diào)速器的額定轉(zhuǎn)速可能會(huì)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(shí)，需要將電機(jī)后移一定的空間(約80 mm)才可拆卸。從產(chǎn)品維護(hù)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(cè)安裝尺寸至少250 mm。按此方案設(shè)計(jì)完成后，整機(jī)軸向尺寸為1 230 mm，對(duì)比原設(shè)計(jì)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(chǎng)改造中，仍面臨巨大的安裝壓力，因此現(xiàn)實(shí)意義不大。

(5)由于采用共軸結(jié)構(gòu)，永磁調(diào)速器內(nèi)輸入軸和輸出軸中間的轉(zhuǎn)差軸承潤(rùn)滑條件惡劣。該轉(zhuǎn)差軸承共兩個(gè)，分別安置在共軸結(jié)構(gòu)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(dòng)，潤(rùn)滑油難以進(jìn)入輸入軸和輸出軸之間，對(duì)軸承的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)造成了極大的困難。通過(guò)在輸入軸內(nèi)部設(shè)置軸向和徑向的通孔，并同時(shí)增設(shè)導(dǎo)流鰭等手段，利用轉(zhuǎn)軸自身的離心力導(dǎo)入潤(rùn)滑油，實(shí)現(xiàn)對(duì)該處軸承的潤(rùn)滑。該方案結(jié)構(gòu)和加工工藝復(fù)雜、成本較高，后續(xù)在轉(zhuǎn)差軸承潤(rùn)滑方案上仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的永磁調(diào)速器在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)成果及經(jīng)濟(jì)價(jià)值

以1 500 kW@1 500 r/min永磁調(diào)速器為例，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲發(fā)明專利一項(xiàng)，專利號(hào)：ZL 2016 1 0933321.6。

(3)經(jīng)測(cè)試，優(yōu)化后的永磁調(diào)速器各項(xiàng)傳動(dòng)指標(biāo)均達(dá)到常規(guī)永磁調(diào)速器的性能要求。具體參數(shù)為：設(shè)計(jì)軸功率1 500 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，軸承設(shè)計(jì)使用壽命不低于2.5萬(wàn)小時(shí)。滿載時(shí)轉(zhuǎn)差率為4%～5%，系統(tǒng)滿載時(shí)永磁調(diào)速器油溫穩(wěn)定，約72 ℃(測(cè)試環(huán)境溫度11 ℃)，空載至滿載的加載過(guò)程中，機(jī)體震動(dòng)小于4 mm/s，符合設(shè)計(jì)要求。

(4)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該新型永磁調(diào)速器在產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)上可獲較大優(yōu)勢(shì)。在投標(biāo)環(huán)節(jié)，與同類產(chǎn)品相比具有明顯的技術(shù)區(qū)別和特征，為商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和推廣打下較好的基礎(chǔ)。

(5)因?yàn)檩S向安裝尺寸縮減幅度極大，在一些原本因電機(jī)后方空間不足而無(wú)法安裝永磁調(diào)速器的場(chǎng)合，具有了可安裝性。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用創(chuàng)新的共軸結(jié)構(gòu)，以及使用盤式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聯(lián)軸器連接。新永磁調(diào)速器在整機(jī)技術(shù)參數(shù)和可靠性不變的前提下，實(shí)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(chǎng)適應(yīng)能力，可以覆蓋過(guò)去因?yàn)榘惭b尺寸問(wèn)題而無(wú)法改造的現(xiàn)場(chǎng)，具有現(xiàn)實(shí)和積極的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。