船用永磁調速器的設計特點及試驗研究

孫良友

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船用永磁調速器的設計特點及試驗研究

孫良友

(海軍駐湖南地區軍事代表室，湖南湘潭 411101)

本文針對船用風機、水泵類負載的調速問題，介紹了船用永磁調速器的技術優勢，從性能指標、輕量化設計要求、環境適應性等方面闡述了船用永磁調速器的設計特點，并完成了樣機研制，對主要性能溫升、效率、振動噪聲、電磁兼容等開展了試驗研究，結果表明，研制的船用永磁調速器不僅可滿足船用負載的調速要求，而且具有良好的綜合性能。

船用永磁調速器 船用負載 振動噪聲 電磁兼容

0 引言

我國各行各業中為風機、水泵配置的電機占全國電機裝機量的絕大多數，在使用過程中存在大量大馬拉小車的現象，許多場合仍然采用落后的調節擋板或閥門開啟度的方式實現對流量、壓頭和溫度等的控制[1]。這種情況在船舶行業也較為突出，造成大量的能源浪費和經濟損失，比如船用防爆風機、制冷風機、低噪聲風機、船用水泵等。近年來，隨著船舶技術的發展，船舶領域的大量風機、水泵負載存在節能降噪的需求，此外，某些軍用領域應用的船用設備還存在減振降噪、電磁兼容的苛刻要求，對船用調速裝置提出了更高的要求。目前，常見的調速方式包括閥門調速、液力調速、串級調速、變頻調速等，相對而言，永磁調速（器）具有其獨特的技術優勢。

永磁調速器是一種新型的節能調速裝置，又稱永磁渦流調速器或磁力耦合器，一般由本體、執行器、防護罩等組成，連接于原動機和負載之間，通過永磁體與導電盤的電磁作用產生耦合力矩，實現原動機和負載之間的傳動和調速，應用于風機、水泵等負載具有安裝維護簡單、高效節能、環境適應性強等優點。最早開始對永磁調速器進行應用研究的是美國的MagnaDrive公司[2]，主要作為節能調速裝置應用于發電、供水、冶金、礦山等領域的各類風機和水泵類負載。近年來，國內學者開始對該類裝置的建模仿真、性能分析[3-5]等方面開展了研究，同時該項技術也逐漸在國內開始推廣[6]。

由于永磁調速器屬于一種較新的技術，目前的應用主要集中在發電、供水等領域，罕有在船舶行業應用的分析和報道。事實上，船用電網是微網系統，耐沖擊能力差，另外，船上存儲的能源有限，存在節能的需求，這些特點使得永磁調速器用于船用負載的調速具有顯著的技術優勢和廣闊的市場前景。

1 船用永磁調速器的技術優勢

船用永磁調速器的基本機構與一般永磁調速器無異，其本體結構主要由主動盤和從動盤組成，如圖1所示，主動盤與原動機同軸連接，一般由導電的金屬盤組成，從動盤與負載（例如水泵、風機等）連接，一般為帶永磁材料的盤式結構。當主動盤旋轉時，由于與從動盤存在滑環，中間產生感應電流和磁場，與從動盤磁場相互作用，產生轉矩。如果調節主動盤和從動盤之間的機械距離，就可以調節轉矩的大小，并進而實現調速。相對于其它的調速方式，它具有如下的技術優勢：

1）無電力電子裝置，運行可靠。船用永磁調速器屬于機械調速裝置，無電力電子裝置，不存在器件老化失效等問題，可靠性高，MTBF可達25年以上。

2）安裝簡單，維護方便。船用永磁調速器經過特別的設計，安裝時兩側通過卡盤連接，不需要改造負載和電機接口，無機械主軸，對中要求不高；僅占用軸向空間，結構緊湊，安裝和拆卸較為方便。

3）容忍對心誤差，隔離并減少振動。船用永磁調速器采用磁力傳動，而非直接的機械基礎，可容忍較大的對心誤差，而不會產生較大振動。同時，可隔離并減少原動機側的振動。

4）對船舶電網不產生高次諧波。與變頻調速裝置相比，船用永磁調速器無電力電子裝置，也不需外部供電，因此不會向電網注入高次諧波，從而影響船舶電網電能質量，這對于船用電網這種微網系統尤其重要。

5）對船舶電網沖擊小。船舶電網屬于微網系統，耐受沖擊能力弱。采用船用永磁調速器允許電機空載啟動，再平緩增加負載，減少啟動沖擊電流；當負載出現過載或急劇變化時，電機的軸功率可以被緩沖或隔離，而不至于對電機產生損害，對船舶電網產生沖擊。

6）基本無電磁干擾。船用永磁調速器只是一種機械裝置，無外接電源，僅在銅盤中有低頻的感應電流，其電磁輻射十分有限。在某些對電磁兼容要求很高的場合，具有顯著的優點。

7）高效節能。目前船用風機、水泵等負載通常缺乏調速能力。采用船用永磁調速器技術，可以通過調節氣隙實現流量或壓力的連續控制，取代原系統中控制流量和壓力的閥門或風力擋板；在80%以上的調速范圍內，具有較高的效率。

2 船用永磁調速器的設計特點

船用永磁調速器應用于船舶領域，對調速性能、輕量化、船用環境適應性有一些設計需求，其設計需要綜合考慮多種運行工況。

2.1性能指標

1）調速范圍。船用永磁調速器與一般設備相比，調速范圍大得多。一般的永磁調速器在80%～95%調速范圍內具有較高的效率，因此一般調速范圍不會太寬。對于船用永磁調速器，為減少原動機的啟停對船舶電網的沖擊，可以將調速范圍從0開始，從而達到隔離開關的效果，減少對船舶電網的沖擊。因此在設計時，需要增加主動盤和從動盤的行程，使得行程最大時，永磁調速器的電磁轉矩很小，需要開展最大行程時的轉矩計算。

3）效率。由于永磁調速器的效率近似于滑差成正比，因此滑差增加，永磁調速器的效率急劇減小。圖2給出了不同調速方式下的效率對比，一般認為永磁調速器在滑差為0～0.2內使用較為合適，效率可達80%以上。當負載轉矩一定時，為提高效率，可以采用兩種方式，一是轉子金屬盤可以采用導電率比較高的銅材，二是減少主動盤和從動盤之間的最小間隙。

4）振動噪聲。船用永磁調速器對振動噪聲要求較高，甚至會提出相應指標。船用永磁調速器的振動和噪聲來源主要來自機械噪聲（主動盤、從動盤軸承的機械摩擦）、空氣噪聲（轉動部件旋轉引起的氣流等），通過選用靜音軸承、優化散熱結構等措施可以顯著降低永磁調速器的噪聲。此外，永磁調速器的主動盤和從動盤組件應相應提高動平衡的精度等級，一般應不低于G2.5，以降低不平衡引起的機械振動。

5）電磁兼容。永磁調速器本身是一種電磁裝置，較之一般的電力電子設備不存在抗電磁干擾的問題，但本身也是一種電磁干擾源，可能對周圍的電力電子設備產生電磁干擾。因此，某些敏感環境下可能對電磁兼容性有一定的要求。

2.2輕量化設計要求

船用永磁調速器比一般永磁調速器對功率密度有更高的要求。一般從以下幾個方面考慮：

1）采用雙邊結構。船用永磁調速器為提高功率密度，減少體積和重量，應采用雙邊結構，即各有一對主動盤和從動盤，雖然增加了材料和用量，同時使得結構更加復雜，但較之單邊結構可以顯著提高功率密度。此外，有的文獻提出采用“聚磁式”提高永磁調速器功率密度的措施。

2）輔助設備的集成。船用永磁調速器在調速時，當氣隙較小時，由于主動盤和從動盤之間磁拉力較大，因此脫開和分離都較為困難。為此，采用電動執行器是一種較好的選擇。此外，大功率船用永磁調速器可能采用強迫風冷、水冷、油冷等措施，相應的增加了一些輔助設備，應將各種輔助設備與本機集成在一起，可以較好的提高系統的功率密度。

2.3環境適應性設計

船用永磁調速器的環境適應性主要考慮：

1）船用環境下的三防處理。船用永磁調速器應用于船舶領域存在潮濕、霉菌、鹽霧等環境問題，為減少環境侵蝕，應采用化學和物理方法對裝置進行表面三防處理，特定環境下應通過密封、隔離等措施開展關鍵部件的保護，必要時應提高防護等級。

2）船用的振動傾斜環境。船用永磁調速器應能長期在縱傾和縱搖±10°、橫傾±15°，橫搖±22.5°的條件下正常的工作，因此對船用永磁調速器的結構設計提出了更高的設計要求，必要時還要開展力學與沖擊計算。

3 永磁調速器的試驗

針對某船用永磁調速器的需求，開展了樣機研制，針對永磁調速器的性能開展了效率、溫升試、振動噪聲、電磁兼容等試驗：

1）效率測試。試驗目的主要是實測樣機的調速范圍和效率。由于試驗條件的限制，試驗采用了如圖3所示的外接試驗電路。其中扭矩傳感器的讀數為1，空載時讀數為0（脫開水泵4時），因此效率定義為：

調節主動盤和從動盤之間的距離，實現對負載的調速。實測的原動機輸入轉速和樣機效率如圖4。

圖3試驗系統示意圖

(1-電機，2-扭矩儀，3-被試永磁調速器，4-水泵負載)

實測結果表明，當主動盤和從動盤的距離最大時，從動盤的轉速降至0，實現了從0開始調速的設計目標，當主動盤和從動盤的距離最小時，效率達93%左右。

2）溫升測試。采用紅外測溫儀實測不同轉速下主動盤和從動盤的溫升，結果表明轉速為665 rpm（約為輸入轉速的2/3）時，主動盤和從動盤的溫度最高，但各種工況下的溫升均不超過70 K。

3）振動噪聲測試。為探討采用永磁調速器后對負載振動和噪聲的影響，實測了水泵負載進水處的振動頻譜。圖5給出了連接永磁調速器前后水泵的進水法蘭處振動的對比。

圖5 實測的接永磁調速器前后水泵的進水法蘭處振動

由此可見，采用永磁調速器之后，泵的進水處的振動幾乎沒有顯著的變化，僅在低頻段略有減少，與預期存在一定差距，可能是因為原動機的功率較小，另外，安裝永磁調速器相當于軸向串聯了一套額外的裝置，增加了軸系長度，對振動產生不利影響，因此減少振動的效果不明顯。

在噪聲測試中，因為原動機、負載等產生的背景噪聲較大，為抑制背景噪聲大小，制作了一個密封蓋，將原動機罩住，實測了增加永磁調速器和不增加兩種情況下的噪聲，對比發現，二者幾乎沒有顯著變化，根據聲學相關知識，可以認為樣機的噪聲低于背景噪聲10 dB以上。

4）電磁兼容試驗。為探討船用永磁調速器可能存在的電磁輻射問題，按照標準實測了船用永磁調速器負載運行時的磁場輻射發射。圖6給出了其頻譜限值線和實測線，表明船用永磁調速器具有低電磁輻射的優點，可適用于對電磁輻射有苛刻要求的領域。

圖7 樣機電磁輻射的限值與實測值

4 結論

本文結合永磁調速器的優點，針對永磁調速器在船舶領域的應用問題，介紹了其應用于船舶領域的技術優勢，討論了船用永磁調速器的設計特點，針對某船用永磁調速器需求進行了樣機的研制，并開展了效率、溫升、振動噪聲、電磁兼容等試驗。結果表明，研制的樣機不僅可滿足船用負載的調速要求，而且具有良好的綜合性能。應當指出，現階段的工作重點圍繞樣機的主要性能開展試驗驗證，實船應用的船用永磁調速器還應開展嚴格的船用環境試驗，包括濕熱、鹽霧和抗沖擊振動試驗等。

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Design Characteristics and Experimental Research of a Marine Magnetic Coupling

Sun Liangyou

（Naval Representatives Office In Hunan, Xiangtan 411101,Hunan, China）

TM921

A

1003-4862（2018）05-0061-04

2018-03-15

孫良友(1977-), 男，工程師。研究方向：永磁調速器。