基于PDC-PMSM的雙螺桿泵系統(tǒng)剛度及模態(tài)分析*

戴思銳,厲 偉,馮桂宏,張炳義

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

雙螺桿泵具有排量大、低紊流、振動噪音低等特點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于高、中、低壓力流體輸送機(jī)械中，用于輸送不同黏性度的介質(zhì)[1，2]。

雙螺桿泵結(jié)構(gòu)包括主動軸與從動軸,由異步電機(jī)驅(qū)動主動軸,通過同步機(jī)械齒輪帶動從動軸反向旋轉(zhuǎn);兩個(gè)螺桿之間留有空隙,襯套的內(nèi)圓和螺桿的外圓二者之間的空隙也保持恒定。異步機(jī)與雙螺桿泵之間由各自的機(jī)殼密封,之后再統(tǒng)一密封到一個(gè)系統(tǒng)。機(jī)械齒輪的存在會產(chǎn)生一系列問題,如維護(hù)成本比較高、振動噪聲大、潤滑油存在滲漏污染、易腐蝕等[3,4]。

核燃料的運(yùn)輸需要在高速、高壓的環(huán)境下,并且其對于密封、泄漏要求比較嚴(yán)格。采用同步齒輪所能達(dá)到的效果并不理想;并且其主動軸伸出機(jī)殼外,也會在運(yùn)動過程中隨著螺桿運(yùn)動而使核燃料泄漏。

為解決上述問題,需要從傳統(tǒng)的傳動結(jié)構(gòu)出發(fā),將同步齒輪取消。若取消傳動齒輪,則在驅(qū)動過程中兩個(gè)螺桿需要兩臺電動機(jī)驅(qū)動,但是雙螺桿之間是并行放置,中間間距非常小,驅(qū)動電機(jī)則在尺寸上受到了限制,需要制造成細(xì)長結(jié)構(gòu)、小直徑的電機(jī)。張炳義等人[5]研究了細(xì)長電機(jī)的振動問題,但細(xì)長電機(jī)生產(chǎn)制造困難,在較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),還存在著機(jī)械強(qiáng)度等問題。除此之外,兩臺電機(jī)必然需要進(jìn)行單獨(dú)的密封,之后再與螺桿泵統(tǒng)一密封,這從根本上增加了密封的難度,所以直接取消同步齒輪，改用兩臺電機(jī)驅(qū)動的方案并不可取。

其次,在工業(yè)應(yīng)用中,經(jīng)常采用磁力齒輪取代機(jī)械齒輪。磁力齒輪利用異性相吸特性,將充磁方向相反的永磁體分別安裝在兩個(gè)轉(zhuǎn)子相鄰位置,形成耦合磁場,實(shí)現(xiàn)磁力齒輪扭矩傳遞作用,具有無油污、無摩擦、隔振等優(yōu)點(diǎn)[6,7],有取代傳統(tǒng)機(jī)械齒輪的發(fā)展趨勢。但是,磁力齒輪也有本身的缺陷,在傳遞同步轉(zhuǎn)矩時(shí),主動輪和從動輪存在矩角特性問題,高精度的同步旋轉(zhuǎn)不能得到保障;并且現(xiàn)階段的熱點(diǎn)主要也集中在高精度模型建立及機(jī)械磁路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題[8]。所以只簡單地用磁力齒輪替代機(jī)械齒輪一樣不可取。

并行直驅(qū)連體永磁電機(jī)(PDC-PMSM)可與雙螺桿的泵陰、陽螺桿直接相連,省去中間傳統(tǒng)的傳動環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)雙螺桿泵無齒輪同步傳動。采用PDC-PMSM與雙螺桿泵組成一個(gè)集成系統(tǒng),可以解決動密封問題,保證負(fù)載并行兩軸同步性,系統(tǒng)整體效率可以得到大幅度提升。

楊超君等人[9]在進(jìn)行螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí),研究了尺寸公差、強(qiáng)度等因素對螺桿轉(zhuǎn)子的影響下,同時(shí)還評估了螺桿工作時(shí)的動態(tài)特性,特別在一些流體負(fù)載通過時(shí),可能會造成強(qiáng)烈的共振,對螺桿工作性能造成影響;但文獻(xiàn)里有關(guān)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)是提高磁力齒輪傳遞的扭矩,并不是分析系統(tǒng)模態(tài)及形變量問題。YIN X等人[10]進(jìn)行了對形變引起間隙變化的模態(tài)分析,主要分析了形變對容積效率的影響;但該研究僅針對螺桿進(jìn)行了分析,沒有對電機(jī)與螺桿泵系統(tǒng)進(jìn)行研究。高進(jìn)等人[11]研究了燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的振動模態(tài),在該研究中,將抗扭剛度模化為接觸轉(zhuǎn)子輪盤間的一個(gè)抗扭彈簧,主要分析拉桿轉(zhuǎn)子在不同預(yù)緊力下的扭振模態(tài)頻率;但其負(fù)載端為燃?xì)廨啓C(jī),并非雙螺桿泵。賀巖松等人[12]研究了爪極發(fā)電機(jī)的定子共振引起的振動噪聲問題,分析了定子鐵芯以及定子系統(tǒng)的各階模態(tài)分析與固有頻率;但是該研究中考慮的負(fù)載端并非雙螺桿泵。張博一等人[13]研究了汽輪發(fā)電機(jī)組采用彈簧隔斷的振動特性,但沒有研究電機(jī)轉(zhuǎn)子與雙螺桿系統(tǒng)的固有特性分析。

筆者以一臺2.2 kW的PDC-PMSM為研究對象,對PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)的剛性進(jìn)行解析計(jì)算,得到總形變量,并采用有限元方法進(jìn)行驗(yàn)證;同時(shí)筆者利用有限元方法對雙螺桿以及PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)的各階模態(tài)和臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析,并在不同約束條件下得到其固有頻率和振型,滿足PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

1 PDC-PMSM運(yùn)行機(jī)理

筆者提出的PDC-PMSM為2個(gè)圓柱形定子各切割掉部分定子鐵芯后,形成2個(gè)完全相同的結(jié)構(gòu),將2個(gè)定子并列放置連接在一起,上、下兩部分采用相同材料填充并焊接平整,構(gòu)成照中心線鏡像對稱的連體式定子;雙轉(zhuǎn)子與PDC-PMSM定子鐵芯內(nèi)部的空腔同心。

PDC-PMSM結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 PDC-PMSM結(jié)構(gòu)圖1—永磁體P1;2—永磁體P2;3—永磁體P3;4—永磁體P4;5—永磁體P5;6—永磁體P6;7—永磁體P7;8—永磁體P8;9—永磁體P9;10—永磁體P10;11—永磁體P11;12—永磁體P12;13—虛槽0;14—左側(cè)定子槽;15—右側(cè)定子槽

由圖1可見:定子鐵心內(nèi)部兩個(gè)空腔形成近似“∞”型結(jié)構(gòu),其橫截面外輪廓的兩端為圓弧形,上、下兩端面為平面形;左、右兩側(cè)定子槽數(shù)Z相等,均勻分布在連體式定子鐵心空腔內(nèi)壁上,槽內(nèi)嵌有相同繞組結(jié)構(gòu)形式的兩套三相繞組,同時(shí)通以三相電流,每個(gè)槽內(nèi)電流流向相同(為了保證電機(jī)磁路完整度,添加若干虛槽0,虛槽中不嵌放繞組);

雙轉(zhuǎn)子均有p對磁極,同一轉(zhuǎn)子上相鄰永磁體間N、S極性交替分布,左、右兩個(gè)轉(zhuǎn)子鏡像對稱位置永磁體極性相反,即N極對S極,S極對N極(如白箭頭所示)。

綜上所述,PDC-PMSM連體式定子在相同序號槽中的繞組電流方向一致,位于雙轉(zhuǎn)子鏡像對稱處的永磁體P2與永磁體P8極性相反,這就會形成一對反向旋轉(zhuǎn)的磁場,在這對磁場的作用下,兩轉(zhuǎn)子之間相互對轉(zhuǎn)。電機(jī)中間區(qū)域依據(jù)磁力齒輪原理兩轉(zhuǎn)子總是相互吸引的,可以更好地保持同步。電機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),永磁體P1與永磁體P7總是完全相對,這是由于磁極間特性所決定的。

2 PDC-PMSM設(shè)計(jì)方法

2.1 PDC-PMSM定子切割原則

對于整數(shù)槽繞組,通常每極每相槽數(shù)q如下:

(1)

式中:m—相數(shù);Q—定子槽數(shù);p—極對數(shù)。

定義定子槽數(shù)Q與極對數(shù)P之間存在著一個(gè)最大公約數(shù)gcd(Q,p)。引用定子分塊原則[14],在滿足電機(jī)對稱的情況下,一定會有2pn個(gè)磁極下每相占有Qn/m個(gè)槽(Qn為組成一個(gè)單元電機(jī)所需要最少的槽數(shù),pn是組成一個(gè)單位電機(jī)所需的最小極對數(shù))。

電機(jī)齒槽分布、磁動勢向量圖、電量向量圖都是以2pn個(gè)磁極為一個(gè)周期,而一共形成gcd(Q,p)個(gè)周期,如下所示:

(2)

為了盡可能少地切割定子,必須在電機(jī)中引出盡可能多的并聯(lián)支路數(shù),而gcd(Q,p)為PDC-PMSM引出最多的并聯(lián)支路數(shù);同時(shí),還需保證PDC-PMSM在切割后依然存在2p個(gè)磁極,因此PDC-PMSM定子切割原則為:

即在保證電機(jī)盡可能多條支路的情況下,切割掉一條支路,同時(shí)還應(yīng)保證剩余支路包含成對的永磁體。

除此之外,針對二極電機(jī),定子無法進(jìn)行切割,不能設(shè)計(jì)為PDC-PMSM。針對四極電機(jī),定子雖可以按照切割原則進(jìn)行切割,但需切割掉定子的一半(過于浪費(fèi),無實(shí)際意義)。故PDC-PMSM適用于六極以及以上電機(jī)。

2.2 PDC-PMSM繞組分布

PDC-PMSM雙轉(zhuǎn)子是同步反向旋轉(zhuǎn)的,這是由于在雙轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成的磁場為反向旋轉(zhuǎn)磁場。而反向旋轉(zhuǎn)磁場形成的條件是連體定子左、右相同序號定子槽中的繞組電流方向一致,同時(shí)鏡像對稱位置的永磁體充磁方向相反。

在連體式定子的邊緣,為了保證磁路與普通永磁電機(jī)一致,需要盡可能多地設(shè)計(jì)虛槽。此處定義虛槽與定子槽型一致,但槽中不放繞組,不通電流,這樣虛槽不影響繞組分布,電機(jī)依然可以穩(wěn)定運(yùn)行。

PDC-PMSM磁力線走向示意圖如圖2所示。

圖2 PDC-PMSM磁力線走向示意圖

由圖2可見:電機(jī)增加虛槽后,切割部分的磁力線走向與完整部分的磁力線更接近。因此,在滿足電機(jī)性能以及強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能多地開虛槽,更能保證電機(jī)切割部分磁路與完整部分一致;

PDC-PMSM沒有開虛槽時(shí),磁力線會走磁阻最小部分,會與完整部分的磁路不一致。因此,應(yīng)盡可能多地開電機(jī)虛槽,這樣對提高PDC-PMSM的性能有幫助。

2.3 PDC-PMSM設(shè)計(jì)原理

因此,在PDC-PMSM設(shè)計(jì)中,需要滿足恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速原理,以保證電機(jī)可以按照設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 驅(qū)動方式對比

“異步電機(jī)+同步齒輪”是雙螺桿泵原有的驅(qū)動方式。此處采用筆者提出的PDC-PMSM直接驅(qū)動雙螺桿泵,以替代原有驅(qū)動方式。

筆者針對兩種驅(qū)動方式進(jìn)行宏觀對比。當(dāng)異步電機(jī)工作時(shí),轉(zhuǎn)子繞組在發(fā)熱中消耗掉從電網(wǎng)吸收的電能勵磁,這部分損耗約占電機(jī)總損耗的20%～30%,這使異步電機(jī)效率降低。轉(zhuǎn)子勵磁電流在定子繞組中為感性電流,使進(jìn)入定子的電流落后于電網(wǎng)電壓一個(gè)角度,這造成了異步電機(jī)功率因數(shù)降低。而對于永磁電機(jī)來說,轉(zhuǎn)子上鑲嵌永磁體,由永磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場,在電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作時(shí)與定子磁場同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗,這一點(diǎn)就大大提高了電機(jī)的效率。

由于在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁,導(dǎo)致定子繞組呈純阻性負(fù)載,使電機(jī)功率因數(shù)幾乎為1。

3 PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)剛性分析

筆者設(shè)計(jì)一臺功率為2.2 kw,轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的PDC-PMSM。

樣機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

筆者對電機(jī)進(jìn)行有限元仿真,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。PDC-PMSM特殊結(jié)構(gòu),左、右兩部分并聯(lián)聯(lián)接,分別將各相電源并股,最終引出三相電源進(jìn)行通電。

PDC-PMSM空載反電動勢如圖3所示。

圖3 PDC-PMSM空載反電動勢

筆者對PDC-PMSM進(jìn)行負(fù)載仿真,主要觀測正弦電流激勵下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值。

PDC-PMDM電磁轉(zhuǎn)矩如圖4所示。

圖4 PDC-PMSM電磁轉(zhuǎn)矩

由圖4可見,左、右兩部分電機(jī)轉(zhuǎn)矩對稱,波動較小,PDC-PMSM穩(wěn)定運(yùn)行。

雙螺桿泵系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)時(shí),極易發(fā)生螺桿間碰撞,從而導(dǎo)致螺桿變形,泵體損壞。由于雙螺桿兩個(gè)螺桿之間受力相同,在PDC-PMSM直驅(qū)雙螺桿泵時(shí),增加了電機(jī)部分,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)形變量會產(chǎn)生變化,故此處筆者對于PDC-PMSM螺桿系統(tǒng)其中一個(gè)螺桿進(jìn)行剛性分析。

螺桿部分材料為40Cr,密度為7 850 kg/m3,電機(jī)部分硅鋼片的密度為7 700 kg/m3,磁鋼密度為7 700 kg/m3,由軟件自動算出軸的重力G軸=148.862 N,螺紋部分的重力G螺=131.712 N,電機(jī)部分重力G電=31.556 N。

筆者去除螺紋部分,不考慮圓角與倒角,將整個(gè)螺桿簡化為光軸處理。

PDC-PMSM雙螺桿泵簡化圖如圖5所示。

圖5 PDC-PMSM雙螺桿泵簡化圖

PDC-PMSM雙螺桿泵受力圖如圖6所示。

圖6 PDC-PMSM雙螺桿泵受力圖

接下來,筆者進(jìn)行分段分析。

設(shè)螺桿的最左端為坐標(biāo)原點(diǎn),系統(tǒng)上任意一點(diǎn)的位置為x′,各段的彎矩方程列舉如下[15]:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

筆者采用能量法計(jì)算螺桿的彎曲剛度,即在螺桿中心點(diǎn)處施加一個(gè)單位的力。

單位力矩方程如下所示:

(10)

因此,在某一段螺桿上的形變量為:

(11)

其中,In表達(dá)式為:

(12)

式中:Dn—螺桿每一段的形變量,mm;Ln—每一段的長度,mm;M—這一段所受力矩,N·m;M′—單位的力矩,N·m;E—材料彈性模量,MPa;In—這一段的截面慣性矩,m;dn—每一段的直徑,mm。

筆者將公式(3～10)代入到式(11)中。其中,D′E′段由于包括兩個(gè)不同直徑,故在計(jì)算時(shí)D′E′段包含兩段形變量。

PDC-PMSM螺桿泵各段形變量如表2所示。

綜上所述,PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)的總形變量為:

(13)

4 PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)模態(tài)分析

從文獻(xiàn)[16]中可以看出,解析法計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差較大,而有限元法的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)果,誤差在合理范圍內(nèi),故筆者采用有限元方法對各階模態(tài)進(jìn)行分析。

筆者采用有限元法,對雙螺桿部分以及PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)的兩種模型進(jìn)行模態(tài)分析,即選取兩種模型主要是用來對比螺桿自身的共振點(diǎn),以及嵌套PDC-PMSM后整個(gè)系統(tǒng)的共振點(diǎn)。

雙螺桿模型圖如圖7所示。

圖7 模型圖

雙螺桿模態(tài)仿真如圖8所示。

圖8 雙螺桿模態(tài)仿真

通過分析,得到雙螺桿各階固有頻率與最大變形如表3所示。

由圖8可見:一階頻率為1 422.3 Hz,一階與二階固有頻率相似。因此,在設(shè)定螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)時(shí),應(yīng)避免與固有頻率接近,即可有效防止螺桿部分發(fā)生共振。

系統(tǒng)模態(tài)仿真如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)模態(tài)仿真

系統(tǒng)各階固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速如表4所示。

由圖9以及表4可見:

(1)整個(gè)系統(tǒng)一階固有頻率為400.01 Hz,遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定頻率225 Hz,故在設(shè)計(jì)時(shí)不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象;

(2)在轉(zhuǎn)速過萬之后,電機(jī)發(fā)生明顯的彎曲變形且振動較大,而對于螺桿部分來說,都未達(dá)到螺桿的共振頻率,所以螺桿部分均未發(fā)生振動。

一階固有頻率對應(yīng)臨界轉(zhuǎn)速的0.75倍為6 000 r/min,可見PDC-PMSM帶動螺桿泵的旋轉(zhuǎn)速度4 500 r/min小于一階臨界轉(zhuǎn)速的0.75倍,屬于剛性狀態(tài)。由此可見,該設(shè)計(jì)合理,能夠滿足使用要求。

由于系統(tǒng)在三階振動時(shí)螺桿發(fā)生扭曲變形,故在實(shí)際轉(zhuǎn)動時(shí),應(yīng)避免其在三階范圍內(nèi)運(yùn)行。

系統(tǒng)總形變量如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)總形變量

由圖10可見:最大變形位置在電機(jī)轉(zhuǎn)子上,形變量為7.72×10-4mm,該結(jié)果與解析計(jì)算結(jié)果非常接近;

系統(tǒng)中最大形變量在電機(jī)氣隙的10%以內(nèi)。整體設(shè)計(jì)合理,滿足使用要求。

以上分析均基于理想的條件下,且只施加了簡單的圓柱面約束。接下來,筆者通過給模型施加彈性約束,以此來進(jìn)行模擬仿真,觀測不同彈性剛度對系統(tǒng)模態(tài)的影響。

不同軸承剛度下固有頻率如圖11所示。

圖11 不同軸承剛度下固有頻率

由圖11可見:

(1)當(dāng)軸承剛度在104N/m時(shí),一階固有頻率為75.64 Hz,二階固有頻率為389.53 Hz,此時(shí)PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)的頻率介于兩者之間,屬于撓性狀態(tài),系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行;

(2)當(dāng)軸承剛度在105N/m時(shí),一階固有頻率為220.43 Hz,系統(tǒng)225 Hz比較接近一階固有頻率,極有可能引起系統(tǒng)共振;

(3)當(dāng)軸承剛度在106N/m及以上剛度時(shí),各階頻率變化不大,基本趨于穩(wěn)定,系統(tǒng)頻率都在一階固有頻率范圍內(nèi)。

因此,在選取軸承剛度時(shí),要避免產(chǎn)生共振的區(qū)域。

同時(shí),在彈性約束條件下,筆者進(jìn)行有限元仿真,觀察當(dāng)施加不同剛度下系統(tǒng)總的形變量。

不同軸承剛度下系統(tǒng)總變形量如圖12所示。

圖12 不同軸承剛度下系統(tǒng)總形變量

由圖12可見:軸承剛度在104N/m～108N/m時(shí),形變量依次為8.002×10-4mm、7.565×10-4mm、7.667×10-4mm、7.700×10-4mm、7.707×10-4mm;

當(dāng)軸承剛度在105N/m時(shí),最接近解析計(jì)算結(jié)果,但此時(shí)系統(tǒng)225 Hz比較接近一階固有頻率,極有可能引起共振;

當(dāng)軸承剛度在106N/m及以上剛度時(shí),系統(tǒng)總形變量變化不大。

5 樣機(jī)與試驗(yàn)分析

基于上述分析,筆者研制了一臺2.2 kW,4 500 r/min的PDC-PMSM樣機(jī),并采用反拖法來測量其空載反電動勢波形。

反電動勢測試平臺如圖13所示。

圖13 反電動勢測試平臺

PDC-PMSM空載反電動勢如圖14所示(筆者采用試驗(yàn)和有限元法測量反電動勢)。

圖14 PDC-PMSM空載反電動勢

由圖14可見,PDC-PMSM實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元法仿真結(jié)果基本一致,故電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

筆者將PDC-PMSM裝置在雙螺桿泵中,進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)。

PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)如圖15所示。

圖15 PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)

筆者PDC-PMSM采用一臺變頻器供電,在電機(jī)雙轉(zhuǎn)子以及螺桿處各放置一個(gè)位移傳感器,測試在不同轉(zhuǎn)速時(shí),PDC-PMSM雙螺桿泵系統(tǒng)的振動賦值。

系統(tǒng)振動幅值如圖16所示。

圖16 系統(tǒng)振動幅值

由圖16可見:電機(jī)從開始運(yùn)行到額定頻率225 Hz范圍內(nèi),系統(tǒng)的振動很小;運(yùn)行到1.1倍額定頻率時(shí),振動依舊比較平穩(wěn),振動位移整體趨勢逐漸增加,但不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;

強(qiáng)制用變頻器將電機(jī)頻率調(diào)整為400 Hz,振動明顯加大,這與仿真出來的一階臨界轉(zhuǎn)速相吻合;

而反觀螺桿[17,18]部分,無論是PDC-PMSM穩(wěn)定運(yùn)行階段還是轉(zhuǎn)速增大振動階段,螺桿處均未發(fā)生明顯的振動,同樣與仿真出的結(jié)果相對應(yīng)。

“異步電機(jī)+同步齒輪”是雙螺桿泵原有的驅(qū)動方式,現(xiàn)筆者用采用PDC-PMSM直接驅(qū)動雙螺桿泵,替代原有驅(qū)動方式,并針對上述兩種驅(qū)動方式進(jìn)行效率對比。

不同驅(qū)動方式系統(tǒng)效率對比如圖17所示。

圖17 不同驅(qū)動方式系統(tǒng)效率對比

由圖17可見:在設(shè)計(jì)中,PDC-PMSM效率為93.8%,從空載逐漸加載至1.1倍額定負(fù)載時(shí),測得系統(tǒng)的效率浮動在92%上下,整體系統(tǒng)保持較高的效率;在額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩情況下,測得系統(tǒng)效率為92%;

采用“異步電機(jī)+同步齒輪”驅(qū)動雙螺桿泵時(shí),異步機(jī)需要通過聯(lián)軸器連接同步齒輪,傳遞到螺桿的效率會層層減少,同時(shí)異步機(jī)本身的效率就要比永磁電機(jī)低,從空載逐漸加載至1.1倍額定負(fù)載時(shí),測得系統(tǒng)的效率浮動在80%上下。

故用筆者提出的PDC-PMSM直接驅(qū)動雙螺桿泵,其效率得到了大幅度提升。

6 結(jié)束語

針對雙螺桿泵、擠壓類并行對驅(qū)傳動設(shè)備常見的問題,筆者提出了一種并聯(lián)直驅(qū)連體永磁電機(jī),首先介紹了PDC-PMSM的運(yùn)行機(jī)理與設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)了一臺功率為2.2 kW、轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的PDC-PMSM;然后將PDC-PMSM直接嵌套在雙螺桿泵上,形成PDC-PMSM雙螺桿系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行了剛度解析計(jì)算,得出了總形變量;最后對螺桿和采用PDC-PMSM驅(qū)動的雙螺桿泵系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析,并通過試驗(yàn)對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,同時(shí)將其與原有驅(qū)動方式進(jìn)行了對比。

研究結(jié)論如下:

(1)給出了PDC-PMSM設(shè)計(jì)方法。保證切割前后U/fN恒定;保證電機(jī)盡可能多條支路的情況下切割掉一條支路,還應(yīng)保證剩余支路包含成對永磁體;為了保證磁路與普通永磁電機(jī)一致,需要盡可能多地設(shè)計(jì)電機(jī)虛槽;

(2)PDC-PMSM設(shè)計(jì)時(shí)避免接近固有頻率,以有效防止螺桿的共振。筆者所研究的雙螺桿泵系統(tǒng)不存在共振現(xiàn)象,并且此時(shí)的螺桿轉(zhuǎn)速小于一階固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速的0.75倍,屬于剛性狀態(tài);

(3)PDC-PMSM直接驅(qū)動的雙螺桿泵效率較原有驅(qū)動方式得到大幅度提升;同時(shí)取消同步齒輪可及時(shí)根據(jù)負(fù)載需求調(diào)節(jié)電機(jī)速度,提高了傳動系統(tǒng)可靠性;PDC-PMSM直接嵌套在雙螺桿泵上取消動密封;PDC-PMSM直接驅(qū)動的方式體積更小、同步性更高。

在接下來的工作中,筆者將對轉(zhuǎn)子間徑向不平衡磁拉力進(jìn)行分析,對電磁力的分布和對應(yīng)的電磁振動規(guī)律進(jìn)行研究。