永磁传动技术概述及发展前景

王洪群, 黄志坚, 谢明辉, 周国忠, 虞培清

(浙江长城减速机有限公司,温州,325019)

永磁传动技术概述及发展前景

王洪群, 黄志坚, 谢明辉, 周国忠, 虞培清

(浙江长城减速机有限公司,温州,325019)

概括介绍了永磁传动应用情况,将其按用途分为传动轴密封和联轴调速两种,按结构特征分为圆筒式和圆盘式两类.通过较为系统详尽的技术分析,阐述永磁传动研究过程中不可忽视的永磁材料特点,包括其性能的不稳定性和采购验收时对磁体性能的有效控制.指出涡流损耗或传动效率是永磁密封传动的关键并介绍了其进展和有望得到解决;推导出永磁涡流传动的涡流损耗P1与传动输出功率P之比只取决于旋转相对转速n1和输出转速n.对永磁传动发展前景给予了乐观展望.

永磁传动; 同步传动; 异步传动; 永磁材料

0 引言

目前为止,从国家科技文献中心中文库中检索有关永磁传动方面的文献约数百篇;从国家知识产权局检索到的相关中国专利申请多达数千件.对部分论文及其引用的中外文献浏览情况看,应用例的内容较多,其次是抽象的指导性理论研究占据了主要部分,直接对设计、生产和标准制定等方面所做的探讨较少.专利申请中约一半是在2013年后的近几年申请.从这些数据看,永磁传动方兴未艾,永磁传动领域还有很多科技工作有待完成.1999年用于联轴调速的永磁传动产品问世[1],拓展了永磁传动技术应用.诞生于20世纪40年代用于传动轴密封的永磁传动产品虽然历经近80年的使用和改进[2],但其真正较为广泛的实际应用源自20世纪80年代永磁材料钕铁硼的出现[3].从应用角度看,永磁传动一方面用于传动过程中的密封,变以往的填料密封或机械密封等动密封为静密封[4];另一方面在传动过程中起到联轴器或调速器作用,并以磁场无接触传动方式取代以往的机械连接传动[5].前者最突出的优点是实现了传动轴密封的零泄漏[6],我们可以称此类为永磁密封传动;后者则被认为是目前最先进的非机械联接调速节能技术[5],同时具有可靠性、适应性、隔振效果、使用寿命长和软启动及过载保护等诸多方面的优势,我们可以称此类为永磁涡流传动.

1 永磁传动应用综述

永磁传动均是非接触传动,可以分为同步传动和异步传动两大类.前述的密封传动可以是同步传动,也可以是异步传动.但涡流传动一定是异步传动.密封传动的首套产品同步永磁传动泵出自英国HMD公司,于1947年投入使用.该公司于1962年又推出用于密封传动的异步永磁传动泵,该产品可以提高使用温度至450℃.非密封目的用于联轴调速的异步永磁传动产品1999年由美国的MagnaDrive公司首次开发成功.用于传动轴密封的同步永磁传动产品上世纪70年代在我国开始用于传输泵,80年代开始用于搅拌釜.用于联轴调速的异步永磁传动,即涡流传动产品于2007年从美国引进.

笔者所在公司是搅拌设备研发制造企业,从上世纪末开始使用用于传动轴密封的同步永磁传动产品,2005年完成了浙江省科技计划项目“IMC型感应式异步高温磁力耦合传动器”(浙科发计[2004]303)的验收鉴定.该项目属于密封传动的异步永磁传动.我们也参加了行业标准《磁力驱动反应釜》HG/T3648-2011的修订研讨会.通过多年的应用及研究探索,我们对用于传动轴密封的同步永磁传动产品设计和计算等方面做了系统研究并已实现计算机软件标准化设计[6,7],并开发了用于高温使用的同步永磁传动技术,即引力同步永磁传动.它区别于同步永磁传动的部分是负载端由导磁材料取代永磁材料.理论上,引力同步磁传动技术优于英国HMD公司推出的用于密封传动的异步永磁传动技术,后者的负载端由导电材料实现磁交互作用.接下来,我们希望在用于联轴调速的异步永磁传动技术和用于传动轴密封的同步永磁传动无涡流损耗技术上投入力量,开发拥有自主知识产权的产品,并研究和完善设计和计算方法及其精确性.

2 永磁传动技术分析

表1列出了永磁传动技术出现顺序及对应特征.

图1是永磁传动圆筒式结构,图2是永磁传动圆盘式结构.表1中的每一种技术都可以采用图1或图2的任一特征结构的演变型式,设计时应根据传递扭矩大小、现场安装条件和工况来确定.主动端和从动负载端的具体形式以及产品中的辅助部件的设计是永磁传动技术涉及的具体问题,包括永磁体形状尺寸和摆放、导磁材料或导电材料与磁体配合的磁路或电路设计、前述这些基础自变量与扭矩及损耗等函数的关系等.

表1 永磁传动技术出现顺序及对应特征Tab.1 The order and corresponding characteristics permanent magnetic transmission technology

永磁传动技术的出现和发展毫无疑问地要依赖永磁材料的进步.20世纪80年代问世的第三代稀土永磁材料钕铁硼使得永磁材料性能有了一次大的飞跃,这给永磁传动技术带来了生机[3].永磁传动技术应用相关论文很多,只是缺少对永磁传动应用设计的针对性和结论性内容.很多生产企业是凭借经验性积累形成自己的系列产品,以致无法形成统一严谨的产品标准,不能从定量上比较和评判产品性能和级别.比如永磁密封传动在传递大扭矩或大功率应用上的瓶颈问题是损耗或效率问题,这在现有的产品和标准中都没有涉及,如果对用户采购的产品只要求其满足下限扭矩条件而不做上限限制,会忽略或被迫放大安全系数,带来的后果是资源浪费、成本提高、能量损耗和效率降低,到了一定程度,产品性能失效.这也是目前永磁密封传动功率上限仅为400 kW的根源.

图1 永磁传动圆筒式结构Fig.1 Cylinder type structure of permanent magnetic transmission

图2 永磁传动圆筒式结构Fig.2 Disc type structure of permanent magnentic transmission

用于传动轴密封的永磁密封传动与用于联轴调速的永磁涡流传动技术应用的首要问题都是设计的合理性和计算的精确性.前者的研究力求的终极目标是传动损耗的降低或接近于零;后者研究力求的终极目标是结构简单操作方便价格合理.这是扫除推广应用中遭遇障碍的首要任务.从诸多文献介绍的应用例可以看出,永磁传动技术优势明显、市场广阔.这些文献中有对用于联轴调速的永磁涡流传动技术与变频调速、液力耦合调速等其他相同功能的应用所作的详尽分析比较.相关工作在国外进行的很早[8].美国、德国和意大利等都有相关研究.国内则处于起步期[9],哈尔滨工业大学、上海交通大学、东北大学和江苏大学等都加入研究的队伍.对于永磁计算,多数学者应用了有限元方法并证明其可行性[8,10,11],这些研究有助于把有限元这一数值计算方法有效地应用在永磁计算中,从而对永磁密封传动和永磁涡流传动起到指导作用.其中,李延民等人[11]给出的磁参数和相关数据较为详尽细致.

笔者曾经在中国科学院金属研究所从事钕铁硼永磁材料研究多年,对永磁传动使用的稀土永磁材料及其性能较为熟悉,对永磁传动相关计算无论采用磁路法、解析法、数值解法或其他方法的哪一种[10],都不可忽视以下永磁材料特点:

(1) 永磁体磁场不同于电路磁场那样可以准确控制和跟踪调节.永磁体磁场是由若干块交互作用的磁体共同产生.不仅每块磁体的实际性能及其形成的磁场都参差不齐,而且一块磁体的不同部位性能也有差异.我们首先要做到尽可能对每一块磁体的性能控制在一定范围内,才能对其产生的总磁场做有限范围的设计.这就要求对产品设计制造中使用的每一块磁体用特斯拉计进行检测验收,从而获得永磁计算中所必须的有效真实的自变量之一——永磁体的剩余磁感应强度Br.在铁磁介质中,磁导率不是常数,定量计算时应谨慎使用.

(2) 永磁传动直接涉及传动计算、磁学计算、机械设计和化工领域等多学科,需要考虑的因素很多.比如密封传动首先从化工工况及使用的空间场合确定功率和规格及结构、通过传动计算求得扭矩大小、通过磁学计算和机械设计的结合因素确定磁体具体形状尺寸.具体步骤应该是由机械设计考虑的内外磁气隙尺寸确定磁体磁向厚度和周向弧长(由此将磁体参数与机械结构参数有机关联)、由永磁体最佳工作点确定单块磁体轴向高度(磁体在最佳工作点状态下可储存较多磁能量并具有对外做功最佳能力)、由扭矩确定轴向总长度.

3 永磁传动研究方向

有关永磁材料及其磁路设计分析和推导过程在相关论文中已有详述[3,6,7].如前所述,永磁密封传动在传递大扭矩或大功率应用上的瓶颈问题是涡流损耗或传动效率,对此我们曾做过研究和试验并已取得进展,进一步将涡流损耗降低至接近于零的工作仍在进心中,有望近期获得突破.

针对用于联轴调速的永磁涡流传动,其原理与我们2005年完成的浙江省科技计划项目“IMC型感应式异步高温磁力耦合传动器”是一致的.都是利用法拉第电磁感应和安培力原理实现扭矩传递.目前用于联轴调速的永磁传动产品重点放在了利用调整气隙的机构及其执行器对一定转速和功率的动力源进行调速输出,形成了调速型、延迟型、限矩型和经济型等四种型式[11].最大功率已达3 000 kW.

化工搅拌行业的搅拌设备在运行过程中,存在软启动要求和负载波动不定的情况,目前是通过配备变频装置和增加功率设计余量来解决.如果采用永磁涡流传动装置,应该给搅拌设备诸多性能带来提升,其中节能和隔震及降低安装对中性是三个首要优势,若能省略调整气隙的机构及其执行器,不仅解决了价格问题,也给实际安装操作带来便捷易于推广,这项工作仍在探索中.

永磁涡流传动基于电磁感应,三个基本前提是永磁场、导体、他们之间的转速差.关于永磁场相关内容前面介绍了很多,现在重点阐述导体及其与永磁场之间的转速差问题.

当导体切割磁力线时产生感应电动势E:

E=BLV=BLRω

式中B——磁场的磁感应强度;

L——切割磁力线导体长度;

R——切割磁力线导体的旋转半径;

ω——导体旋转相对角速度.

以圆筒形导体为例(如表1中出现顺序为2的异步永磁传动从动负载端和出现顺序为3的涡流传动主动端对应图1的永磁传动圆筒式结构的情况),计算其电阻r:

式中L——切割磁力线导体长度;

R——切割磁力线导体的旋转半径；

S——导体截面积；

δ——圆筒形导体壁厚；

ρ——电阻率.当导体形成回路,将产生感应电流I:

(1)

由此产生涡流损耗P1:

(2)

长度为L的导体切割磁力线产生感应电流I的同时,导体在磁感应强度为B的磁场中受到安培力F:

F=BIL

在安培力F作用下,圆筒形导体传递输出扭矩为T:

T=FR=BILR=

通过功率与转速关系式计算传动输出功率为P:

(3)

式中,n是传动输出转速.

利用式(2)和式(3)计算永磁涡流传动的涡流损耗P1与永磁涡流传动所输出的功率P之比,将运动导体旋转相对角速度ω换算为运动导体旋转相对转速n1代入,结果为:

(4)

式(4)表明,永磁涡流传动的涡流损耗P1与传动输出功率P之比与运动导体旋转相对转速n1成正比,与传动输出转速n成反比.

通过式(3)可以了解影响传动功率的一些因素及其影响程度.

式(3)与式(2)相比,明显看出输出功率较之涡流损耗影响因素多了一项传动输出转速.

式(1)告诉我们影响导体电流的诸多因素,而导体是有电流密度限制的,为了正常使用,还应保证导体得到及时冷却,这些因素成为永磁涡流传动的关键环节,影响到其他参数的最终确定.

以上结论作为永磁涡流传动的定性和定量指导方向,更多精确计算及实验验证工作有待未来完成.

4 永磁传动发展前景

永磁密封传动与其他形式的动密封比较所具有的全密封无泄漏性能使得此项技术处于传动密封领域不可替代的绝对优势地位;永磁涡流传动与其他机械联轴调速比较所具有的可靠性、适应性、隔振效果、使用寿命长和软启动及过载保护等诸多方面的性能使得此项技术处于联轴调速领域无可比拟的先决地位.而制约其推广的价格因素由于稀土永磁材料价格的走低也将趋向利好.经过科技工作者继续努力,一旦解决了永磁密封传动的损耗或效率问题和永磁涡流传动的科学设计及其精确计算问题,永磁传动技术应用将会得到广泛接受并迅速普及.

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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,学士,教授级高级工程师.E-mail:23889511@qq.com

TH 139

A

1672-5581(2016)06-0552-05