全屏蔽閥門磁力驅動器驅動性能分析①

李 瑩 王 驍 郭文君 杜 江 李雙喜

(1.北京化工大學機電工程學院；2.中國核電工程有限公司)

在化工、核電、航天及航空等領域中，對高放射性、劇毒性介質要求零泄漏[1]。磁力驅動器可以實現閥門動力端(驅動器)與工作端(閥桿)之間的全屏蔽隔離，利用磁力驅動閥門旋轉，實現閥桿密封零泄漏，保證設備的安全穩定運行[2～4]。然而，磁力驅動器發熱功率的增大會引起定子導體的溫升，而過高的導體溫升將燒損導體絕緣層，導致磁力驅動器失效[5]。目前的研究內容僅局限于磁力驅動器自身結構參數與工況參數的影響規律分析，缺少結合實際應用場合進行的研究。

為此，筆者結合大型液體火箭發動機閥門的運行工況特點，研制了一種全屏蔽閥門磁力驅動器。基于有限元磁場分析理論，對磁力驅動器內部磁場進行數值計算。研究閥門不同開度對應的負載力矩下磁力驅動器的力矩輸出性能與發熱特性，分析磁力驅動器結構參數對驅動性能的影響規律。設計并搭建動態負載試驗裝置，對不同閥門負載力矩下磁力驅動器的性能進行試驗驗證。

1 結構和工作原理

全屏蔽閥門磁力驅動器的整體結構如圖1所示。該磁力驅動器定子通電線圈產生的磁場與轉子永磁體產生的磁場相互作用，產生的電磁力矩通過屏蔽套無接觸地傳遞給轉子。轉子通過傳動鍵直接驅動閥桿旋轉，實現閥桿全屏蔽密封條件下閥門的啟閉功能。

圖1 全屏蔽閥門磁力驅動器

2 磁場有限元模型

全屏蔽閥門磁力驅動器有限元模型不同區域的材料屬性見表1，不同閥門開啟狀態下的載荷與邊界條件見表2。

表2 載荷與邊界條件

建立磁力驅動器有限元計算模型，采用三角形單元對模型不同區域進行網格劃分，如圖2所示。根據定子每相繞組電流的有限元計算結果，計算對應的力矩系數。以球閥啟動狀態、球閥開度為0%和球閥開度為20%對應的密封副摩擦力矩作為磁力驅動器的3種負載力矩工況，采用Ansoft Maxwell對磁力驅動器模型進行負載瞬態磁場分析，具體計算結果見表3。

圖2 磁力驅動器有限元模型與網格劃分

項目球閥啟動球閥開度為0%球閥開度為20%負載力矩TL/N·m20.6710.345.09定子繞組相電流I/A2.091.040.51力矩系數KT/N·m·A-19.869.899.92發熱功率Pcu/W270.2866.9216.09

由于定子繞組相電流隨著負載力矩的增大而增大，因此磁力驅動器內由繞組導體產生的感應磁場的磁場強度也相應增大。當該磁場強度增大到一定值后，磁力驅動器會出現局部磁飽和的現象，使得磁力驅動器的磁阻增大，工作磁通減小，力矩系數減小。在相同結構參數下，磁力驅動器的發熱功率與其繞組相電流的平方成反比關系，因此發熱功率隨著負載力矩的增大而迅速上升。

3 驅動性能分析

全屏蔽閥門磁力驅動器的主要性能參數包括力矩系數KT和發熱功率Pcu[6]，計算式如下：

(1)

(2)

其中，a為定子繞組導體并繞支路數，Φ為磁力驅動器的工作磁通，N為定子繞組導體根數，R為定子繞組電阻，ρcu為繞組導體材料的電阻率，Lw為繞組導體總長度，qcu為繞組導體裸線截面積。由式(1)、(2)可知，在一定閥門負載力矩下，力矩系數越大，磁力驅動器定子繞組所需的電流載荷越小，磁力驅動器的力矩輸出性能越好。而且，減小發熱功率可降低導體絕緣層燒損的危害，提高磁力驅動器在閥門驅動過程中的工作可靠性與安全性。磁力驅動器的工作磁通是影響其驅動性能的重要參數，而屏蔽套、定子和轉子的結構參數對工作磁通均有顯著影響。

3.1 屏蔽套結構參數

影響磁力驅動器力矩輸出性能的屏蔽套結構參數為屏蔽套厚度。采用Ansoft Maxwell對磁力驅動器進行空載工況下的瞬態磁場分析。保持其他結構參數不變，不同閥門開度下屏蔽套厚度對磁力驅動器的力矩系數和發熱功率的影響如圖3所示。可以看出，隨著屏蔽套厚度的增大，工作磁通減小，力矩系數減小。同時，隨著閥門負載力矩的增加(閥門開度的減小)，由導體電流感應的磁場逐漸增強，使定子鐵芯發生磁飽和，導致磁力驅動器的工作磁通減小，力矩系數減小。隨著屏蔽套厚度的增大，發熱功率成線性增長趨勢，且隨著負載力矩的增大，發熱功率增長幅度變大。

圖3 屏蔽套厚度對力矩系數和發熱功率的影響

綜上所述，為提高磁力驅動器的驅動性能，應減小屏蔽套厚度。但屏蔽套作為閥門的承壓件，其厚度決定著閥門的承壓能力。因此設計時應綜合考慮以上兩點因素，選取合適的屏蔽套厚度。

3.2 轉子結構參數

轉子結構參數(永磁體極弧系數和永磁體厚徑比)影響磁力驅動器的工作磁通，進而影響其力矩系數和發熱功率。永磁體極弧系數αi和永磁體厚徑比Kmr的表達式如下：

(3)

其中，p為轉子永磁體極對數，bm為永磁體外圓弧長，Dro為轉子外徑，δm為永磁體厚度。在磁力驅動器空載工況下進行瞬態磁場分析，提取不同極弧系數和厚徑比下的磁力驅動器磁通密度，并進行傅里葉分解，得到對力矩系數和發熱功率的影響規律如圖4、5所示。

可以看出，力矩系數隨極弧系數和厚徑比的增大而增大，增大趨勢逐漸減緩，發熱功率呈先減小后趨于平緩的趨勢。當極弧系數和厚徑比相同時，由于磁飽和的出現，使得磁力驅動器的工作磁通隨著閥門負載力矩的增大而減小，導致力矩系數減小，發熱功率增大。

圖4 極弧系數對力矩系數和發熱功率的影響

圖5 厚徑比對力矩系數和發熱功率的影響

3.3 定子結構參數

影響磁力驅動器力矩輸出性能與發熱性能的定子結構參數有定子內徑Dsi、定子外徑Dso、槽頂寬bs2、齒寬bt、槽高hs3和軛高hy。齒槽寬比Kts、定子裂比Ksp和槽軛高比Ksy的計算式如下：

(4)

其中，Rs為槽底圓弧半徑。在不同閥門開度下，齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比對磁力驅動器力矩系數和發熱功率的影響規律如圖6～8所示。由于齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比的增大均使磁力驅動器出現局部磁飽和現象，故力矩系數存在最大值。當力矩系數較大時，在相同負載力矩條件下，由于定子繞組相電流較小，因此發熱功率存在最小值。可見，在球閥設計中必須重點考慮齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比對力矩系數和發熱功率的影響，防止力矩不足或發熱功率過高引起的定子繞組線圈燒損等問題。

4 試驗驗證

為了驗證理論分析結果的正確性，對全屏蔽閥門磁力驅動器的驅動性能進行試驗研究。以一臺轉子極對數p=3、定子槽數Z=9的磁力驅動器為試驗對象，設計負載試驗方案。

采用伺服電機作為磁力驅動器的動態負載施加裝置，由控制器的力矩控制功能為負載電機施加一定負載力矩下的電流，從而為磁力驅動器提供與它轉向相反的負載力矩。磁力驅動器通過柔

圖6 齒槽寬比對力矩系數和發熱功率的影響

圖7 定子裂比對力矩系數和發熱功率的影響

圖8 槽軛高比對力矩系數和發熱功率的影響

性聯軸器拖動負載電機旋轉，完成不同負載力矩下的試驗。試驗數據與數值計算結果對比如圖9所示。可以看出，計算值高于試驗值，兩者誤差在10%以內。計入誤差因素影響，可認為力矩系數的試驗值與計算值基本一致，驗證了數值計算的正確性。

圖9 磁力驅動器力矩性能對比

磁力驅動器發熱功率的試驗結果與計算結果對比如圖10所示。磁力驅動器在實際運轉過程中，隨著負載力矩的增大，繞組導體會出現一定的溫升，導體電阻隨其溫度的升高而增大，進而導致發熱功率增大。計入導體溫升因素的影響，可認為發熱功率的試驗值與計算值基本一致，驗證了數值計算的正確性。

圖10 磁力驅動器發熱功率對比

5 結論

5.1磁力驅動器的力矩系數與其氣隙磁通密度基波幅值成正比。對比分析得到了屏蔽套厚度對力矩系數和發熱功率的影響規律。

5.2分析了轉子結構參數對磁力驅動器力矩輸出特性和發熱功率的影響規律，得到了永磁體極弧系數和永磁體厚徑比的優選值范圍。

5.3分析了定子結構參數對磁力驅動器力矩輸出特性和發熱功率的影響規律，得到了齒槽寬比、定子裂比和槽軛高比的優選值范圍。

5.4對磁力驅動器的力矩輸出性能與發熱特性進行了動態負載試驗，試驗得到的力矩系數、發熱功率與負載瞬態磁場分析數值計算結果較為吻合，驗證了全屏蔽閥門磁力驅動器理論研究的正確性。

[1] 段增斌.中國大型液體火箭發動機研制[J].火箭推進,2000,(1):13～28.

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