一種水泵節能技術
——新型屏蔽套筒永磁調速器

李 超，杜阿秋，楊志剛

（水利部機電研究所，天津 301900）

在中國水利水電科學研究院“自供電智能裝置及永磁調速水泵研發”項目的安排下，水利部機電研究所進行永磁調速水泵產品的開發。

據有關部門統計，全國水泵耗電量約占全國發電量的30%，目前很多運行時間長的系統中，壓力、流量變化幅度較大，水泵的運行工況點偏離高效區，水泵以變流量調速運行（即水泵調速）替代原有的閘閥節流而獲得顯著的節能效益，引起人們的極大關注，因此，水泵必然成為全國調速節能的重點對象。

永磁調速器自2009年進入中國以來，發展速度并不快，以美國Magna技術為代表的產品雖然在一些水泵節能改造上獲得了良好的效果，但在國內尚未得到普及應用。永磁調速器不能廣泛推廣使用主要是下面幾個原因：①產品價格高；②改造過程復雜，不能實現批量的配套；③產品結構復雜，機械問題多；④產品沒有實現標準化。

1 調節氣隙盤式永磁調速器

目前市場上永磁調速器的主流產品為盤式永磁調節方式。盤式調節永磁轉子安裝在負載側，導體轉子安裝在電機側，導體轉子與電機轉速一致。如圖1所示。

其工作原理是導體轉子和磁轉子可以自由地獨立旋轉，導體轉子旋轉時，導體轉子與磁轉子產生相對運動，交變磁場通過氣隙在銅轉子上產生渦流，同時渦流產生感應磁場與永磁磁場相互作用，從而帶動磁轉子沿著與導體轉子相同的方向旋轉，結果在負載側輸出軸上產生扭矩，從而帶動負載做旋轉運動。通過調節磁轉子和導體轉子之間的氣隙就可以控制傳遞扭矩的大小，從而獲得可調整的、可控制的、可以重復的負載轉速，實現負載轉速的調節。產品的主要結構如圖2所示。

1電機 2導體轉子 3永磁轉子 4軸承5氣隙調節裝置 6軸承支架 7聯軸器 8負載

從結構的特點可看出，此結構需要將電機移動,使電機軸端距離負載軸端的距離增加至L,在電機和負載中間安裝永磁調速器的零部件，包括導體轉子、永磁轉子和氣隙調節裝置。

電機連接的導體轉子是一個籠狀的旋轉部件，懸出安裝在電機軸上，電機在高速旋轉情況下，對動平衡要求更高，永磁轉子和氣隙調節裝置安裝在靠近電機側的軸承支座上，較重的永磁轉子等部件懸出軸承支座一段距離，軸承支座的兩個軸承的距離由于結構的原因，不能制造的很大，懸臂所產生的較大彎矩，作用在軸承支座的兩個軸承上，因此軸承受力很大，另外永磁傳動依靠的是導體轉子和永磁轉子之間氣隙調節來傳動的，導體轉子和磁轉子之間存在強大的磁場吸力，永磁轉子和導體轉子按照兩組對稱安裝的，產生大小一樣，力量相反的磁場力，調節裝置需要克服這兩個磁場力才能進行調節氣隙，實現調速。

氣隙調節的盤式永磁調速器的基本結構是由調速原理所決定的，采用這種結構設計后，一些制造商對設計細節、工藝要求和安裝要求要點等很難完全掌握，導致在實際使用中造成了一些運行不穩定的現象發生。有些在高速運行下(通常1 500 r/min）導體轉子和永磁轉子嚴重不平衡，甚至“飛車”。圖3～5是某廠水泵采用后的情況照片。

圖3 永磁調整器飛出后電機軸彎曲

圖4 永磁調整器飛出

圖5 永磁調整器飛出后水泵軸的損壞

調節裝置采用的螺旋凸輪的結構，導體轉子和永磁轉子的軸向力產生對凸輪和軸承影響，這部分零部件壽命短，出現了損壞。

圖6 螺旋套筒內軸承的損壞

2 屏蔽套筒永磁調速器

為在水泵節能技術上推廣使用永磁調速器，克服盤式永磁調速器的弊端，水利部機電研究所與天津吉玄節能技術有限公司共同開發一種新型屏蔽套筒永磁調速器。

屏蔽套筒永磁調速器是由有導體轉子、永磁轉子、磁屏蔽套及調節機構組成，其原理如下：

導體轉子與永磁轉子始終固定不動，調節機構與磁屏蔽套連接，通過調整磁屏蔽套遮蓋永磁體面積大小控制磁場強弱，從而獲得相應的傳輸扭矩和負載轉速。如圖7所示。

產品的主要結構如圖8所示，導體轉子安裝在電機軸上，銅導體環是筒狀結構，永磁轉子直接與套在軸上的固定套相連，固定套上安裝上位移調節機構，位移調節機構采用螺旋運動機構，螺桿轉動帶動了螺母和屏蔽套筒的移動。圖9為屏蔽套筒完全不對永磁轉子屏蔽，圖10為屏蔽套筒部分對永磁轉子屏蔽。圖11為屏蔽套筒完全對永磁轉子屏蔽狀態。

圖8

圖9

圖10

圖11

產品在應用上的特點如下：

（1）安裝永磁調速器可不移動電機，實現換下聯軸器，直接安裝永磁調速器。在設備改造方面為水泵設計人員和施工人員提供了方便。

（2）永磁轉子和屏蔽套筒之間產生了磁場力，磁場力是這兩個部件之間的內力，對負載軸和電機軸沒有任何影響。

（3）屏蔽套筒采用的螺旋傳動，相對運動速度極低，因此設計上沒有軸承。避免了軸承可能產生的損壞。

（4）永磁轉子和導體轉子安裝在負載軸和電機軸上，幾乎沒有懸臂部件，與聯軸器安裝基本形同。不會對負載和電機產生較大的彎矩，運轉時沒有過大的懸臂所產生的震動，進而發生事故。

（5）使用的轉速可高于3 000 r/min，應用范圍更廣。

（6）產品可實現系列化、標準化和通用化。

（7）產品的零部件較少，易于維護保養。

3 總結

永磁調速器原理上采用不同技術，就會有不同的結構方案。調節氣隙盤式永磁調速器，必然要求永磁轉子這一較重的零部件懸出軸外很大一個距離，對軸承支座等要求更嚴酷承載能力，增加了設計、制造的難度，增大了設備在使用中出現安全問題的幾率，不能實現本質安全。調節氣隙盤式永磁調速器由于必須針對每個設備的具體情況進行設計，這樣就無法實現永磁調速器的標準化、規范化，從而無法形成通用產品。

屏蔽套筒調節永磁調速器，永磁轉子和導體轉子不需要懸出軸外，這樣可不需要電機和負載之間有相對較大的距離，只要換下原先連接采用的聯軸器，即可安裝這種新型的永磁調速器，調節屏蔽套筒不產生對負載和電機軸向力，這樣就不需增加軸承支座，簡化了設計，提升了本質安全的可靠性。由于固定了電機和負載相對位置，產品完全可以實現標準化、系列化、通用化。這種全新概念永磁調速技術具有帶動永磁調速產業發展的主要條件，推廣前景廣闊。