磁力驅動技術在風電水冷系統三通閥上的應用

劉建偉，盧志敏，許治修，金　浩，洪春鳳

(廣州高瀾節能技術股份有限公司節能研究院，廣東 廣州　510663)

2014年全球風電新增裝機容量實現了44%年增長，中國實現了45.1%，成為全球裝機容量最多的國家[1]。可見我國對風電行業的重視和投入，將促進其更加快速的發展，尤其是海上風電單機容量越來越大，在風電轉換的過程中，風力發電機組內的發電機和變流器會產生大量熱量，若不及時將這些熱量帶出，溫度持續升高將會影響風電的正常轉化，甚至會燒毀機組器件[2]。目前，兆瓦級風力發電機組的發電機和變流器冷卻采用密閉式純水循環冷卻。大量實踐表明，該冷卻方式在機理和技術上市是成熟的。但在冷卻水循環過程中，該冷卻設備使用的電動三通閥存在漏水隱患。為了解決電動三通閥輸送介質的跑、冒、滴、漏問題[3]，電磁三通閥替代電動三通閥，即將磁力驅動技術應用于三通閥。電磁三通閥磁力驅動器應用永磁材料或電磁鐵所產生的磁力作用來實現力或轉矩無接觸傳遞的一種新技術器件。其可以達到三通閥全密封、無泄漏的效果。目前已經在密閉式循環水冷卻系統中使用電磁三通閥，取得良好效果。文章主要介紹磁力驅動器工作原理，傳統磁力驅動器結構及對一種應用于風電水冷電磁三通閥的一體化磁力驅動器進行分析，以促進其更加廣泛的應用。

1　磁力驅動三通閥工作原理及特點

磁力驅動三通閥的工作原理與普通機械密封的電動三通閥不一樣，是利用永磁鐵材料作用使主動件與從動件之間無接觸地傳遞轉矩，三通閥機構的運動通過永磁場控制，而不是直接通過閥桿控制。磁力驅動的三通閥的閥桿與閥芯和磁力驅動器的動轉子相連接，封閉在隔離套內，形成一個全封閉結構，力和轉矩是通過內外磁力驅動轉子的磁場耦合傳遞，是靜密封結構。而電動三通閥的閥桿與閥芯和電動執行器相連接，力和轉矩的傳遞是通過執行器傳遞給閥門和閥芯，是動密封結構。因此，磁力驅動三通閥在結構和應用上具有突出的特點，顯示了極大的優越性。其優點有：①采用靜密封，閥桿運動摩擦力小，運行靈活；②靜密封結構，密封性能好，實現了零泄漏；③安全性好；④提高了閥門的使用壽命；⑤密封問題不受溫度影響，閥門的使用溫度主要取決于選用的永磁材質和結構[4-6]。

2　分體式磁力驅動器

由圖1可知，傳統的分體式磁力驅動裝置主要由過渡法蘭、安裝基座、磁力外轉子、壓力密封罩、O型密封圈、磁力內轉子組成。此種分體式結構在裝配時，只能將所有組件分開一個一個的與所從動件連接轉配。這樣裝配導致設備的裝配效率低下，而且在裝配過程很容易出現漏裝，或者裝配不到位的現象，導致裝配質量問題很難控制。

圖1　分體式磁力驅動器分解圖

在工程設備的應用方面，出現的質量問題大部分是因為分體式磁力驅動器在裝配過程中產生的質量問題所導致。現場維修和更換的工作量大，為了提升磁力驅動的質量和可靠性，安裝的便利性，維護的簡單性，封裝一體式的磁力驅動器急需設計開發。

3　一體式磁力驅動器

3.1　結構設計

一體式磁力驅動裝置主要由過渡法蘭、安裝基座、磁力外轉子、壓力密封罩、O型密封圈、磁力內轉子、軸承、定位圈、彈性擋圈等組成。此種結構的磁力驅動器，利用軸承使得外磁力轉子和軸承連接為一體，然后固定在過渡法蘭上。內磁力轉子通過定位圈定位和配合支撐，解決了內外磁力轉子的集成組裝問題。這種磁力驅動器的在設備上的裝配也很簡單，按先后裝配順序與從動器件、主動器件對接即可，不僅提高了設備的裝配效率，而且大幅度提高了裝配的質量，提高了設備運行的可靠性。圖2為一體式磁力驅動器結構圖。

圖2一體式磁力驅動器結構

3.2　磁路設計

磁力驅動器所采用的永磁材料較貴，成本相對較高，使其使用受到了一定的限制。因此設計制造出性能好、成本低，適用于各種不同工作條件下的磁力驅動器是十分重要。磁路是磁力驅動器的核心，其由永磁體、工作氣隙和導磁體等三部分所組成。磁路的設計要求是保證工作氣隙中具有設計確定的磁場強度，即保證三通閥工作時所需要的磁力或磁轉矩達到要求的前提下，力求得到一個具有最高的磁穩定性和最小磁體積的磁力驅動器。因此選擇最佳的磁路形式、配置性能優越的永磁材料，確定最佳的磁路尺寸和具有良好的結構性能以及滿足一定機械強度要求的材料選擇和結構件，就成為磁力驅動器磁路設計中應當考慮的重要問題。在設計中應依據磁驅動力與磁感應強度和磁極面積成正比，與磁極位移量成反比原則進行磁路的設計。

3.2.1磁路的選擇

磁路的選擇包括磁路形式與選擇、磁路材料選擇和其它特性選擇。

3.2.2磁路形式與選擇

根據永久磁體的排列形式，磁路的形式可分為間隙分散式和組合拉推式兩種。在分散式磁路中兩永磁體之間按一定的間距離進行排列，而在組合拉推式中兩永磁體之間靠緊排列。在相同體積的磁力驅動器條件下，組合拉推式能夠排列出更多的永磁體，相對來說可以傳遞較大轉矩或者減小外形尺寸。

當從動磁轉子的磁極S位于主動磁轉子N、S兩個極的中間位置時轉矩最大。由同性相斥，異性相吸的原理可知，相鄰兩磁極對從動磁極的作用力在旋轉方向上是疊加的，這有助于獲得高傳動轉矩。同時通過磁場力的作用，可以減輕甚至抵消軸向作用力，對支撐軸承的壽命有利。組合拉推式磁路的磁力驅動密封裝置，在兩極間有非磁性的金屬隔離套，由于靠得很近的兩磁極產生的軸向磁場相互抵消，可以有效地控制或者減小在隔離套壁厚內的渦流損失，也有效地控制或減少了因渦流引起的隔離套發熱。因此組合拉推式的磁力驅動器具有較好的磁場透過器壁傳遞能量的效果，適用于磁力驅動三通閥。

3.2.3磁路材料選擇

對于相同的磁路類型，相同的磁路尺寸、要得到最大的氣隙磁感應強度，就需要選擇最適宜的磁性材料。對于驅動三通閥的永磁材料應具備三個條件：①較高的剩余磁感應強度，這樣才能獲得較大的磁力和轉矩；②高的矯頑力，這樣永磁體不易退磁即應具有較高的磁能積；③良好的溫度穩定性，溫度穩定性是指磁性材料的磁性隨環境變化較小，是一定溫度范圍內較為穩定的一種性能。因此對溫度有要求的器件應重點考慮磁性材料的溫度穩定性。我國市場上常用的永磁材料有鐵氧體、釹鐵硼、稀土鈷、鋁鎳鈷和鐵鉻鈷等。其中綜合諸多性能，釹鐵硼和稀土鈷是最優良的永磁材料，而鐵氧體是性能最差的。磁力驅動器中永磁材料選用釹鐵硼或稀土鈷較好，但釹鐵硼在溫度為0～85℃時選用。

隔磁材料主要作用：①支持和保護磁性材料；②隔磁，減少磁通在磁塊之間的橫向泄漏，使大部分磁通能在一對磁極之間通過，以達到磁極之間的作用力盡可能大的目的。所以，隔磁材料必須具有低磁導率，同時在腐蝕場合下使用時，隔磁材料還必須具有耐腐蝕性能，或者采取一定措施使抗腐蝕性能較好，否則會因導磁塊的材料選擇不當，增大磁通泄漏，加快磁性失效。

在磁力驅動器中永磁材料是裝在內外轉子上的，內外永磁體之間的磁通必須經過內外轉子形成回路，因此內外轉子都必須由磁導率較高的軟磁鐵材料制成。為了防止外磁場改變磁路中的磁通密度和調整漏磁大小，利用軟磁材料做成磁屏蔽。磁導率是表征軟磁材料的性能的特性參數，對于確定材料，其最大磁導率和初始磁導率是一個常數，軟磁材料的磁導率和飽和磁化強度越大越好，矯頑力越小越好。常用的幾種軟磁材料為工業純鐵、鐵鎳合金、硅鋼、鐵鋁合金、恒導磁合金、鐵鈷合金、磁溫度補償合金和軟磁鐵氧體等。磁力驅動器的磁路使用的永磁材料不存在變化磁場，不必要考慮磁損問題。因此采用低碳鋼作為軟磁材料，其磁性能既與工業純鐵性能十分相近，又容易加工，價格也較便宜，是比較理性的一種選擇。

“新興文藝的代表作家”芥川龍之介的蘇州游記的文本具有文人話語和殖民主義話語的雙重特征。作為一名“中國趣味的愛好者”，對中國古典文學作品的引用和對古跡風景有感而發使蘇州游記呈現出明顯的文人話語特征。在蘇州游記中，也表述了芥川在追尋“中國趣味”的過程中對現實中國的失望，這種幻想的破滅甚至影響了他之后的創作風格。當然芥川在蘇州游記中的消極描述與其病體也有一定的關聯。

3.2.3其它特性選擇

其它特性選擇包括磁轉子長徑比的選擇即磁轉子外形尺寸的選擇，以及磁路工作間隙(即磁隙)和磁體及導磁體厚度的選擇磁路工作間隙的選擇。磁轉子長徑比選擇依據為：①當傳遞扭矩的最大靜磁力矩小于300Nom時，長徑比取0.2～2；300Nom～500Nom時, 長徑比取0.5～2.5；大于500Nom時，長徑比取0.8～3。磁轉子轉速低，壓力小取小值；轉速高、壓力大取大值。磁路工作間隙厚度控制在5～8mm之間。為了防止漏磁，導磁體的厚度一般等于略大于磁體厚度。

3.3　隔離套設計

在磁力驅動器中隔離套位于內、外磁轉子之間。高壓介質的密封全由隔離套起作用，所以設計時應考慮兩點：①承受壓力時其變形量不應超過設計的要求；②為了提高磁驅動工作效率，應盡可能減少金屬隔離套在交變磁場作用下產生的渦流損失。因此，隔離套應選用機械強度高，電阻率大，耐腐蝕性好的非導磁材料制作[6]。

4　磁力驅動技術在風電水冷三通閥上的應用

4.1　磁力驅動三通閥主要參數計算

(1)閥門的流體阻力損失

流體通過三通閥時會產生阻力，其阻力損失以閥門前后流體壓力差ΔP表示。對于紊流的液體：

(1)

式中，ε——閥門的流體阻力系數，與閥門的類型、結構尺寸和表面情況等有關；V——進口流速，m/s；γ——流體密度，kg/m3。

三通閥閥桿的驅動速度在不同介質狀態中有不同的要求。對于電動時，對驅動速度要求較為嚴格，一般按下式計算：

(2)

式中，T——關閉時間，s；Lf——關閉行程，cm；m——螺紋頭數，cm；n——軸速度，r/min。

(3)密封力計算

選擇的是易于安裝的平面密封形式，密封力Fb為[6]：

(3)

式中：qb——密封面上所需要的最小比壓，成為必需比壓。

(4)

式中，m——與介質有關的系數；α、c——與密封面材料有關的系數；P——公稱壓力。

4.2　實例

圖3　測試中磁力三通閥

圖3所示的測試中的磁力三通閥，所設計的磁力三通閥通過壽命、壓力、高低溫、連續運行測試，無任何外漏現象發生。圖4所示一體式電磁三通閥磁力驅動器運用于某風力發電項目將近三年，其驅動的三通閥未出現以前電動三通閥漏水情況，運行狀態良好。目前該磁力驅動器已推廣應用在國外風力發電項目和光伏發電項目，解決風力發電發電密閉式純水冷卻系統的三通閥漏水問題。

圖4　一體式電磁三通閥磁力驅動器

5　結語

通過對分體式磁力驅動器的分析，設計出一種在風電水冷上應用的一體式電磁三通閥磁力驅動器，所在風電水冷實際運行過程中未出現漏水情況、運行狀態良好，表明磁力驅動技術在風電水冷三通閥上的應用實際可行，但磁力驅動器在實際應用過程中應注意：①為了避免力和轉矩傳遞效果較差，磁力驅動器內外轉子所有的磁性材料相同或者性能相近；②安裝、調試時輕拿輕放，不要和其它物體相碰撞；③在使用過程中，內外轉子相對滑脫時，已立即停車以免磁性材料退磁；④為了使它達到嗎應有的效果，在操作過程中應嚴格按照操作規程操作；⑤磁力傳動是恒轉矩傳動，無特殊要求時，應從輕負荷啟動逐步過渡到額定負荷運轉。