盤式異步永磁調速器結構設計分析

范 欣

(上海市東方海事工程技術有限公司，上海 200011)

0 引言

在過去近10年里，大功率永磁調速器在項目實施投運后故障發生率較高。部分廠家對設備頻繁檢修，造成相當的成本消耗，甚至有出現因永磁調速器的頻繁故障而導致企業生產無法保障，最終將設備拆除恢復舊狀態的情況。大功率永磁調速器原理雖然簡單，但結構較為復雜。因此，在沒有對機械設計和加工工藝進行充分論證的前提下，盲目跟進生產容易造成企業巨大的經濟損失。

現階段市場上永磁調速器主要為盤式異步永磁傳動結構，其他形式的磁調速器還包括徑向磁通的異步永磁調速器(筒式)或軸向磁通(盤式)的同步永磁調速器[1]，以及通過勵磁裝置調節傳動扭矩的繞組式永磁耦合傳動裝置[2]。由于在實際工程項目中較少有真實的應用案例，技術成熟度有待進一步確認。因此，本文所述永磁調速器均指代盤式異步永磁調速器。

永磁調速器產品主要定位在大功率離心負載的調速應用，競品主要是高壓變頻器和液力調速器。但由于永磁調速器應用失敗案例較多，且產品安裝條件苛刻，導致推廣難度很大。國內引入該技術已有20余年，經歷了從產業熱潮到資本退潮的過程。本文從技術分析的角度出發，剖析永磁調速器的產品問題和技術難點，并為后續可行的技術發展提出展望。

1 現階段永磁調速器存在的問題

1.1 永磁調速的本質和局限性

1.2 關于永磁調速器的“失速”問題

永磁調速器在某特定的負載區間不能實現負載轉速的線性過渡，會出現階躍變化，這個現象稱為永磁調速器的失速。該問題出現的原理較為復雜，在有限的篇幅內無法進行詳細的解釋。

工程上，會先行了解需求方的調速范圍，盡量避免設備失速區間落在需求區間內。若實在無法避開，可通過改變導體材料的方式來改變失速區間，從而使速度區間避開需求區間[3]。但導體材料的改變也意味著永磁調速器傳動效率的改變，或變高或變低，具體依據項目需求而定。

1.3 過大的軸向力對永磁調速器的設計和裝配提出了更高的要求

永磁調速器可傳遞扭矩越大，所需的磁場力越大。以設計功率為1 500 kW@1 500 r/m的永磁調速器為例，磁場產生的軸向力合力會作用在對應軸承上和軸承外圈結構件上，軸向力合力約50 000 N。

過大的軸向力是造成永磁調速器系統穩定性降低的主要原因。從負責磁盤軸向移動的螺旋槽結構，到負責驅動外轉臂套結構的四連桿機構(見圖1)，過大的軸向力給機械調速機構帶來了諸多穩定性問題，主要表現在以下幾方面。

圖1 永磁調速器中的四連桿機構

1.3.1 軸承的壽命

因承受較大軸向力，按常規軸承選型設計，軸承壽命會有較大影響。在部分需要高可靠性的項目應用中，當軸承設計壽命大于25 000 h以后，普通角接觸軸承選型無法滿足設計需求，需要選用球面滾子推力軸承才能滿足設計要求。而球面滾子推力軸承對裝配和潤滑的要求較高，給系統的穩定性帶來了一定的隱患。

其中，f表示氣體的分布函數，一般依賴于變量x，v，t，它表示了該氣體在t時刻速度為v的粒子的密度.這個方程主要描述了在非平衡狀態下分布函數f隨時間演化的過程.若分布函數f與位置x無關，即f僅是關于變量v，t的函數，則方程變為

1.3.2 旋轉改直線運動的傳動結構磨損

旋轉改直線運動的傳動結構主要是指螺旋槽結構和傳扭螺紋結構，兩者本質上都屬于螺紋傳動的結構。螺旋槽結構螺紋角不滿足自鎖條件，傳扭螺紋結構的螺紋角可以自鎖。當永磁盤與導體盤的軸向力傳動到旋轉改直線運動部分時：

對于螺旋槽結構而言，由于其自身不滿足自鎖條件，軸向力將繼續通過螺旋槽結構轉化為旋轉扭矩，傳遞給下一傳動機構(四連桿機構)。螺旋槽內的滑塊結構因承載軸向力的分力，與螺旋槽側邊緣摩擦，造成磨損，長時間的調速會導致螺旋槽內的滑塊結構磨損失效，如圖2所示。

對于傳扭螺紋結構(主要是針對使用蝸輪蝸桿結構的設計)，永磁調速器的軸向力會全部承載在傳扭螺紋上。此時，當傳扭螺紋工作時，螺紋副承受極大的軸向力作用，易對傳扭螺紋副造成磨損。若潤滑不合理，還極易發生傳扭螺紋結構卡死的情況，如圖3所示。

上述兩點結構失效是大功率永磁調速器的主要失效原因。過大的軸向力對傳動結構的結構設計、裝配工藝、潤滑工藝和材料選型帶來了極大的困難。該技術難點的攻克需要一定的設計、制造、裝配和管理經驗的配合，具有一定的難度。

圖2 永磁調速器中的螺旋槽結構

圖3 蝸輪蝸桿+傳扭螺紋結構

1.4 調速精度和響應速度低

在盤式永磁調速器的調速結構中，通常會采用四連桿機構+螺旋槽結構或蝸輪蝸桿+傳扭螺紋結構。

1.4.1 對于四連桿機構+螺旋槽結構

由于永磁調速器在調速的過程中不僅需要軸向移動，還需要進行旋轉運動。因此，四連桿機構連桿的連接處需要采用關節球軸承作為連接結構，以滿足外轉臂套結構軸向移動的要求。由于關節球軸承的加入，使四連桿結構剛性降低的同時，還兼具一定的“柔性”。該特性具體表現為，執行器動作時，外轉臂套結構從靜止狀態到轉動狀態會有一個較大的死區范圍，尤其是在執行器改變轉動方向的時候，該現象會更加明顯，即執行器在開始動作后的前3%～10%區間段(具體根據永磁調速器當前時刻所承受的軸向力大小和裝配情況略有差異)，外轉臂套不會動作。執行器在該部分的行程大部分被關節球軸承吸收，從而影響了永磁調速器的調速精度，如圖1和圖2所示。

四連桿機構對調速精度的影響在實際工作中無法被忽視。在開環控制條件下，會出現輸入相同的執行器開度，系統輸出轉速不同的情況。雖然可以通過閉環控制反饋負載轉速，動態調整執行器輸出，進而實現較為精確的轉速控制，但由于死區的存在，調速機構動作幅度較大，影響控制的精度和速度。

1.4.2 對于蝸輪蝸桿+傳扭螺紋結構

在設計功率超過1 500 kW@1 500 r/m的永磁調速器中，由于軸向力過大，執行器輸出扭矩無法滿足調速器的要求。在該功率段以上的永磁調速器一般會采用蝸輪蝸桿結構進一步放大執行器的輸出扭矩。蝸輪蝸桿結構具有傳動比大、輸出扭矩大的特點。蝸輪與傳扭螺紋連接，將旋轉運動轉化為直線運動，滿足磁隙距離調整的需求，但傳扭螺紋的螺距較螺旋槽結構的螺距小很多(相差約幾十倍)，需要蝸輪旋轉數十圈才能滿足軸向行程需求，加大了調速器調速的延遲效應。具體表現為：執行器從最小磁隙動作到最大磁隙所需的時間較長，且執行器的手動驅動基本無法使用(旋轉力矩大，旋轉圈數多，動輒需要旋轉數百圈才可以調整到合適的磁隙)，如圖3所示。

相較于螺旋槽結構，蝸輪蝸桿結構剛性強，對執行器的響應速度快，但整個系統的調整速度較慢。在一些需要對調速響應比較及時的工況下，不適合使用該結構。此外，在巨大軸向力作用下，蝸輪蝸桿的潤滑和磨損，以及傳扭螺紋的潤滑和磨損問題依然嚴峻，給整個系統的可靠性和穩定性埋下隱患。然而，該結構目前仍是大功率永磁調速器的首選結構，暫無其他替代結構可以滿足該環節扭矩傳遞的要求。這進一步限制了大功率永磁調速器的應用場景。

1.5 過大的軸向安裝尺寸

永磁調速器在項目落地的過程中，設備的安裝是一個較為棘手的問題。在大多數項目中，永磁調速器并非作為預先設計好的調速設備落地，更多的時候是作為一個已有項目的技術改造而落地。而在改造項目的實施中，永磁調速器的安裝問題極為突出。

由于永磁調速器軸向尺寸較大，原系統需要挪動電機才能為永磁調速設備空出安裝空間。面對過大的軸向安裝尺寸，即使電機后移到極限，往往也依然無法滿足永磁調速器的安裝。在市場推廣過程中，安裝問題帶來的阻力極大，特別是大功率永磁調速器，動輒近兩米的軸向安裝空間，在已經建成的廠區內極少能找到合適的改造場所。在無絕對的成本和技術優勢前提下，中高功率段的永磁調速器極難得到推廣。

2 永磁調速器的技術方向

永磁調速器應以替代變頻器為目標繼續發展，在變頻器無法使用或成本過高的應用場合，實現對變頻器類產品的替代。

過去20余年，國內外諸多學者對永磁調速器的磁場性能、氣隙模型、電渦流效應等進行了詳盡的理論分析和試驗建模。為各種結構類型的永磁調速器的磁場設計和傳扭設計進行了分析和計算，建立了理論模型，給出了可以用于指導永磁調速器設計的數學工具，為永磁調速技術的發展積累了深厚的理論基礎。但在實際產品發展的過程中，并沒有形成理論指導實踐、實踐再反饋理論的正反饋驅動。由于永磁傳動產業并未形成預想中的市值和規模，因此，諸多先進的研究成果無法真正落地，永磁產品自身技術迭代也被打斷，最終導致現階段市場的主流永磁調速器產品仍以盤式異步結構為主。

基于上述現實，提出現階段永磁調速器切實的發展道路：應以實現恒轉速輸出、恒功率輸出及恒扭矩輸出為主要技術目標，并持續優化控制精度和響應速度，提高產品可靠性。在實現上述技術特性之后，永磁調速器產品才能真正具備市場優勢，未來的進一步技術迭代才有可能。

為實現上述技術目標，現階段永磁調速器急需解決的技術問題如下。

2.1 提高調速機構的精度和響應速度

現有永磁調速器存在系統響應不及時、執行器動作存在較大死區、磁隙的重復定位精度低等問題。這些問題極大地破壞了永磁調速器作為“調速器”工作的基礎。因此，提高永磁調速器調速精度和響應速度是優化永磁調速器結構的重點工作。

需要指出的是，有部分學者和企業以盤式電機為基礎，提出全新的永磁調速方案，以期實現通過改變勵磁磁場大小，完成對系統輸出轉速的控制[4]。但目前市場上并沒有看到相關設計成功應用于項目現場，相關專利和論文所闡述的方案在工程上實現仍具有很大的難度，且同樣面臨與現有永磁調速技術相似的可靠性問題。

雖然現有主流永磁調速器的調速機構具有諸多可靠性問題，但從結構設計的角度去解決問題仍應作為提高調速機構精度和響應速度的首選方案。

2.2 深度優化電磁場效應，提高系統傳扭特性

導體盤和永磁盤是永磁調速器的核心部件。在永磁調速器工作時，由于轉差的存在，導體盤存在電渦流效應。正是對電渦流效應的利用，永磁調速器實現了諸多特有的傳扭特性。基于對電渦流損耗的研究，有學者提出了齒槽盤式結構、雙筒式結構等[5]。雖然諸多新設計并未最終實現工程應用，但不可否認，這些嘗試為永磁調速器的磁優化設計提供了寶貴經驗。

現階段，永磁調速器的導體盤結構過于簡單，且“失速”問題也并沒有得到更合理的解決。對電渦流效應的研究、持續優化和創新導體盤結構、克服永磁調速器失速區間問題，應是永磁調速技術進一步發展所必須面對和攻克的課題。

2.3 優化永磁調速器軸向安裝尺寸

過大的軸向尺寸不利于相關永磁調速器項目的落地和推廣。努力縮小永磁調速器的軸向安裝尺寸，應被視為永磁調速器技術迭代的重要方向。

2.4 永磁調速器輸出特性參數化，并具有可控性

永磁調速器應具備與變頻器類似的輸出能力，主要包括恒轉速輸出、恒功率輸出和恒扭矩輸出3個模式，并在此基礎上，持續優化相關參數指標。最終的產品形態應同時滿足3種輸出模式甚至更多的輸出模式，并可自由切換。

該技術方向的落地，需要系統性地優化永磁調速器控制系統的軟件和硬件，簡化整個系統的I/O接口和交互邏輯，持續提高永磁調速器產品的機電一體化特性。

3 結語

針對過去永磁調速器故障頻發的原因進行了分析和總結，指出過大的軸向力是影響永磁調速器可靠性問題的主要原因所在；同時，作為一種調速器，永磁調速器應具備響應速度快、控制精度高、系統輸出特性可調等基本能力，并在上述基礎上不斷優化設計，提高參數精度。

本文所給出的永磁調速器技術路線，已經過較充分的設計論證和試驗驗證，對于永磁調速技術的進一步發展具有十分務實的指導意義。部分優化設計后的永磁調速器經測試，已初步具備了調節響應速度快、磁隙定位重復精度高、系統軸向安裝尺寸短和輸出特性可控的技術特點。有理由相信，在未來，具備新特性的永磁調速器將有更廣的市場應用前景。