磁力密封驅(qū)動器隔離套設(shè)計(jì)及渦流損失理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究

邱 英，譚定忠，王啟明

（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

隨著海洋開發(fā)和軍事技術(shù)要求的提高，潛器和水下作業(yè)裝置的工作深度不斷增加，深水電機(jī)作為水下裝置的重要驅(qū)動元件，對其密封技術(shù)的要求也在不斷地提高。水下電機(jī)的密封問題是影響水下裝置下潛深度的一個(gè)關(guān)鍵性問題［1］。

1 磁力密封驅(qū)動器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁力密封驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)通過磁轉(zhuǎn)子中的永磁體間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)兩部件的同步轉(zhuǎn)動。主動件和從動件之間裝有隔離套，可以將主動件與電機(jī)封閉在工作容器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無接觸動力傳遞和絕對密封。圓筒式結(jié)構(gòu)避免了構(gòu)件因徑向受力不均而產(chǎn)生振動的問題，保證了結(jié)構(gòu)運(yùn)動的穩(wěn)定性。圖1中永磁體材料選用釹鐵硼（NTP－256H），軟磁材料可采用工業(yè)純鐵或低碳鋼。軛鐵的材料為低碳結(jié)構(gòu)鋼（Q235），隔離套選用鈦合金。磁力密封驅(qū)動器采用組合拉推式磁路結(jié)構(gòu)［2－4］。

設(shè)計(jì)目標(biāo)為：內(nèi)磁轉(zhuǎn)子聯(lián)接軸軸徑為20 mm，轉(zhuǎn)速為100r／min，傳遞轉(zhuǎn)矩為75N·m。經(jīng)對各參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和修正，最終確定的參數(shù)如下：K＝5，M＝915.6Gs，η＝0.85，m＝16，R1＝3.8cm，R2＝4.8 cm，R3＝6cm，R4＝7cm，磁場強(qiáng)度H ＝92.9×79.578A／m，bg＝1.2cm，磁極弧長L0＝2.12cm，磁極面積S＝542.6cm2，bh＝1cm，Rc＝5.4cm，Lb＝8cm，軛鐵厚度為1.1cm，經(jīng)計(jì)算得最大轉(zhuǎn)矩Tmax＝79.75N·m，磁路機(jī)構(gòu)尺寸代號見圖2。

圖1 磁力密封驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圓筒形靜態(tài)磁路機(jī)構(gòu)尺寸代號

2 隔離套設(shè)計(jì)

隔離套是磁力密封驅(qū)動器中的密封器件，處在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間，接觸液體介質(zhì)，隔離套的作用是保護(hù)主動轉(zhuǎn)子、內(nèi)部電機(jī)以及其他內(nèi)部元件不受海水的侵蝕。內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動隔離套與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間的海水隨之做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)具有一定線速度的海水會對隔離套造成沖擊。這些情況導(dǎo)致在選用隔離套材料時(shí)除需考慮強(qiáng)度和耐腐蝕性能外，還要考慮一些其他的特殊要求，比如：不隔磁、磁損失??；足夠的強(qiáng)度和韌性，在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上隔離套的壁厚越薄越好；抗沖擊、耐沖刷和腐蝕性好。海水的運(yùn)動還會導(dǎo)致材料出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕、晶間腐蝕等腐蝕問題。鈦合金強(qiáng)度高，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能強(qiáng)，在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，適合于深海工作環(huán)境中使用［5－8］。

隔離套的結(jié)構(gòu)形式可分為3種，如圖3所示。隔離套結(jié)構(gòu)形式的選擇與介質(zhì)的狀態(tài)、壓力以及驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)形式、工作氣隙的尺寸等因素有關(guān)。當(dāng)金屬隔離套工作在交變磁場中的時(shí)候，產(chǎn)生渦流損失的同時(shí)套壁的溫度會快速上升，溫度過高時(shí)會導(dǎo)致磁轉(zhuǎn)子發(fā)生退磁以至于磁力密封驅(qū)動器無法正常工作［9］。因此，在隔離套的設(shè)計(jì)過程中需要考慮2個(gè)問題：一是減小壁厚以減少磁渦流熱的產(chǎn)生；二是隔離套的散熱問題。對于散熱問題，一般是使用液體對流散熱的方法，大致過程是通過隔離套內(nèi)部液體的流動，將渦流產(chǎn)生的熱量帶走。由于上述原因，加工時(shí)，要求隔離套的內(nèi)表面光滑，這樣可以改善液體流動性；彎道處要求圓滑過渡以減少介質(zhì)的流動阻力，盡量使內(nèi)壁形成理想的流線型結(jié)構(gòu)以保證液體介質(zhì)流動順暢［10－11］。磁力系數(shù)K 的取值由下式確定：

圖3 隔離套結(jié)構(gòu)形式示意圖

式中：Dw為容筒外徑，取110 mm；Dn為容筒內(nèi)徑，取107mm。

當(dāng)K 值小于1.1時(shí)為薄壁容筒；當(dāng)K 值大于1.1時(shí)為非薄壁容筒。

筒壁厚δt的設(shè)計(jì)由下式計(jì)算：

代入相關(guān)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算得δt＝1.95mm。

隔離套底板厚δD的設(shè)計(jì)由下式確定：

式中：Dn為容筒內(nèi)徑（mm）；p 為軸向載荷（MPa）。

計(jì)算得δD＝20.6mm。

3 隔離套導(dǎo)致的渦流損失

3.1 渦流損失的計(jì)算

3.1.1 基本模型與參數(shù)

磁場與隔離套的基本模型［12］如圖4和圖5所示，參數(shù)包括：隔離套軸向磁化長度L（mm）；隔離套壁厚度δ（mm）；內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角差φ（rad）。

圖4 磁場基本模型圖

圖5 隔離套基本模型圖

3.1.2 假設(shè)條件

（1）磁場B 沿r 取向，且在隔離套內(nèi)隨φ 坐標(biāo)變化，即：

式中，B0為工作氣隙中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。隔離套相對內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由變化磁場產(chǎn)生的電流沿z向，電動勢E 變化為［3，5］

式中，Ez為隨φ變化的最大電動勢。

（2）隔離套中位移電流相對于傳導(dǎo)電流可以忽略。

（3）隔離套厚度δ 遠(yuǎn)小于軸向長度L，可以忽略端部效應(yīng)，僅以橫斷面為研究對象。

3.2 渦流損失理論計(jì)算式的導(dǎo)出

按Maxwell方程式：

根據(jù)上述假設(shè)條件（1）和式（4）在其坐標(biāo)下可得［3，5］：

對式（8）兩邊積分得

電流密度的計(jì)算式：

如圖5所示，在單元面積dA＝rδdφ中的功率損失為

在整個(gè)隔離套中的渦流損失Pj的計(jì)算式為

式中：L 為磁化長度；r 為隔離套半徑；δ 為隔離套壁厚；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度；g為電導(dǎo)率。

其中，L＝0.08m，r＝0.0535m，δ＝0.001 95m，n＝100r／min，B0＝1.25T，g＝0.625×103s／m ，由式（11）求得Pj＝8.02×10－3W。

4 仿真、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

將計(jì)算中使用的參數(shù)導(dǎo)入ANSYS中，對其進(jìn)行仿真和分析、將分析得出的轉(zhuǎn)矩結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果相比較可以看出，理論計(jì)算的結(jié)果與有限元分析的結(jié)果比較接近；由于有限元分析中沒有考慮渦流損失及水力摩擦損失，所以有限元分析所得轉(zhuǎn)矩值比公式計(jì)算所得轉(zhuǎn)矩值偏大。對研制的磁力密封驅(qū)動器樣機(jī)進(jìn)行測試，由于測試中的磁力密封驅(qū)動器沒有安裝隔離套，所以測得的傳遞轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動器在實(shí)際工作狀態(tài)下所能傳遞的轉(zhuǎn)矩，減去渦流損失及水力摩擦損失消耗的功率后，磁力密封驅(qū)動器能夠傳遞的有效功率為0.87kW，此時(shí)，驅(qū)動器的傳遞轉(zhuǎn)矩為84N·m，結(jié)果接近且稍優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)目標(biāo)為：內(nèi)磁轉(zhuǎn)子聯(lián)接軸軸徑為20mm，轉(zhuǎn)速為100 r／min，傳遞轉(zhuǎn)矩為75N·m。

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