大功率永磁調速器軸向安裝尺寸優化設計研究

范 欣

(上海市東方海事工程技術有限公司，上海 200011)

0 引言

永磁傳動技術是一種利用永磁體與導體之間磁力傳遞動力的技術。永磁傳動設備可分為永磁耦合器和永磁調速器。其中，永磁調速器是一種通過改變永磁體與導體之間的間隙，從而改變可傳遞轉矩的大小來實現對系統輸出轉速控制的設備[1]。

在通常情況下，當永磁調速器的額定功率超過750 kW@1 500 r/min后，整個調速系統需采用液冷的方式進行散熱。如圖1所示，液冷結構與風冷結構并不相同，通常需包含永磁調速器殼體、輸入軸和輸出軸。由于輸入軸和輸出軸的加入，導致永磁調速器安裝尺寸較大。在項目推廣的過程中，過長的軸向安裝尺寸極大地阻礙了永磁調速器相關項目的落地[2]。因此，盡可能地縮短永磁調速器的軸向安裝尺寸，是永磁調速器結構優化的重要方向，具有十分顯著的技術優勢和推廣潛力。

圖1 傳統永磁調速器結構

1 現有永磁調速器結構設計

永磁調速器按冷卻方式可分為空冷型和液冷型。設計功率大于750 kW@1 500 r/min后，一般采用液冷方式散熱。液冷型永磁調速器的結構形式一般包括1個筒式結構作為殼體，前后分別設有輸入軸和輸出軸，用于連接原動機和負載設備。一般結構形式如圖1所示。

以1 500 kW@1 500 r/min永磁調速器為例，軸向安裝尺寸為1 720 mm(軸端單側需預留聯軸器安裝空間約30 mm)。因此，在該永磁調速器改造施工時，需要將原動機向后移動1 720 mm以上才可以完成安裝。

實際情況中，在一個已經完成建造并正式投運的廠區里，大功率電機的末端通常很難具備1 720 mm以上長度的軸向空間。對于電機后方無空間的現場(如電機后方1 m左右有墻體或其他設備)，永磁調速器無法安裝。即便有空間，多數情況也是廠房內的安全通道，而安全通道的寬度一般小于1.5 m。因此，縮短大功率永磁調速器的軸向安裝尺寸具有十分重要的意義。

對于采用液冷的永磁調速器，其輸入軸和輸出軸共用同一個殼體支撐結構。常規永磁耦合器和空冷型永磁調速器所具有的非接觸式傳遞，在液冷型永磁調速器的結構上無法實現。在現有設計中，永磁盤與導體盤分別采用兩根軸體懸掛，如圖1所示。形式上，雖然永磁盤與導體盤之間無機械連接，但由于各自支撐軸的承載軸安裝在同一殼體上，因而，永磁盤與導體盤之間的機械傳動無法被隔斷，“非接觸式”傳動無法在液冷型永磁調速器上成立。

基于上述前提，永磁調速器現有結構中所采用的永磁盤與導體盤分軸懸掛設計可以進一步優化。

2 永磁調速器軸向尺寸優化設計

2.1 輸入輸出軸的共軸布置

新的永磁調速器采用“共軸”方案設計[3]。共軸布置是將永磁調速器的輸入軸和輸出軸通過套接的方式，布置在同一個軸向長度上(見圖2)。

圖2 優化設計后的共軸結構永磁調速器

此時，輸入軸與輸出軸在空間上占據了同一段軸向長度。通過設計空心的輸出軸結構，將輸入軸套在輸出軸內部，節省整個設備的軸向安裝空間。為實現該設計目標，在輸入軸與輸出軸內增加了一對支撐軸承。同時，輸入軸和輸出軸端的軸承徑向尺寸會有一定程度的增加，此為縮短設備軸向尺寸做出的設計妥協。

通過采用共軸方案，在永磁調速器內部取消了一根主軸的長度，該軸占據的軸向尺寸得以釋放。經過上述設計改造，永磁調速器軸向尺寸較原設計可縮短約30%左右。

2.2 法蘭式聯軸器

為進一步優化永磁調速器軸向安裝尺寸，取消原設計中的輸入輸出軸結構，改用法蘭聯軸器。

在原設計中，由于永磁調速器傳遞轉矩較大，為滿足傳統聯軸器的傳扭要求，輸入和輸出軸的長度有尺寸要求。以1 500 kW@1 500 r/min永磁調速器為例，輸入和輸出軸總長度達到550 mm以上。而采用法蘭式聯軸器結構，可以大幅度縮短輸入輸出軸自身尺寸所占據的軸向空間。

為滿足法蘭式聯軸器的安裝條件，采用共軸設計的永磁調速器的輸入和輸出端需要安裝法蘭結構，用以連接法蘭式聯軸器，結構形式，如圖2所示。

3 核心零部件校核計算

以最終完成的樣機為例，作設計計算說明，主要計算參數，如表1所示。

3.1 調速機構中球面滾子軸承校核計算

考慮軸向尺寸的最優設計，選型軸承為球面滾子軸承。該類軸承承載較大軸向力的同時，可以滿足緊湊的軸向設計需求。實例中選型軸承為SKF軸承，型號為23140CC，軸承主要承載軸向力。根據Maxwell仿真計算結果，永磁盤對導盤的軸向力合力約為50 000 N。軸承23140CC的具體參數，如表2所示。

表2 1 500 kW@1 500 r/min永磁調速器主要設計軸承的結構參數

根據SKF官方給出的軸承壽命校核計算工具，設定軸向力50 kN，額定轉速1 480 r/min，潤滑方式為脂潤滑。如圖3所示，以油潤滑作為潤滑方式，在軸承滿載且額定轉速為1 480 r/min的前提下，23140CC軸承的基本額定壽命為24 900 h。在實際工況中，系統輸出的實際轉速折算為平均轉速，應小于1 480 r/min。因此，綜合考慮，軸承的基本額定壽命應大于設計要求25 000 h，滿足設計要求。

圖3 SKF軸承給出的軸承校核計算結果

3.2 輸入、輸出側法蘭結構的傳扭能力校核計算

根據表1可知，電機的額定扭矩為9 679 N·m。取安全系數Sa為1.8，則永磁調速器的計算扭矩為：

表1 1 500 kW@1 500 r/min永磁調速器校核計算主要參數

T計=9 679×1.8=17 422 N·m

在新結構永磁調速器中，為傳遞足夠扭矩，在輸入和輸出側均設計有傳扭銷結構。其中，受結構尺寸限制，輸出側因傳扭銷分布半徑較小，為傳扭結構的危險工作點。傳扭銷結構設計如圖4所示，傳扭銷直徑28 mm，分布半徑220 mm，傳扭銷及輸出軸材料均為45#。對傳扭銷做剪切應力校核，對輸出軸做材料壓潰校核[4],計算結果，如表3所示。

圖4 傳扭銷結構中危險工作點的設計尺寸

表3 傳扭危險工作點校核

表3校核結果顯示，在工作扭矩為額定扭矩的1.8倍時，傳扭銷結構依然具有極高的安全系數。該安全系數冗余量可以滿足法蘭式聯軸器適配絕大多數對安全系數要求較高的工況，如柱塞泵的連接等。

在共軸結構的設計過程中，需要校核的計算點和解決的問題遠不止列出的部分，還包括螺旋槽結構的壓潰校核計算以及導體盤的流量和散熱計算等。除此之外，軸承的潤滑油路設計也是十分復雜的工作。受限于篇幅，在此不展開詳述。

4 設計總結

為實現共軸結構，永磁調速器在具體設計過程中遇到了很大的困難，最終成型樣機的結構也并非完全沒有缺點。設計存在的問題總結如下：

(1)為極致地追求更小的軸向安裝尺寸，在調速結構設計中采用了球面滾子軸承。該軸承結構具備較短的軸向尺寸,同時，可以承載極大的軸向力，滿足永磁調速器的軸向力要求。但該軸承在校核計算中發現，1 500 kW@1 500 r/min為該類軸承的設計極限,即相同額定轉速下，更高功率的永磁調速器因為軸承壽命不達標或額定轉速不夠，而無法繼續采用該型號軸承。采用球面滾子推力軸承雖可以滿足更高功率永磁調速器的設計，但軸向尺寸無法做到極致。

(2)由于采用共軸結構設計，在縮短了永磁調速器軸向尺寸的同時，也放大了內部部分軸承內徑的尺寸，主要是調速機構內的軸承內徑尺寸,更大尺寸的軸承會限制額定轉速。若內徑尺寸進一步放大，則永磁調速器的額定轉速可能會小于1 200 r/min,不利于大規模永磁調速器產品線的拓展。

(3)法蘭式聯軸器的使用雖可以大大縮短永磁調速器的軸向安裝尺寸，但法蘭式聯軸器在拆卸時，需要將電機后移一定的空間(約80 mm)才可拆卸。從產品維護性的角度而言，不如傳統膜片聯軸器拆卸方便。

(4)若采用傳統膜片聯軸器安裝，則永磁調速器需要增加用于膜片聯軸器安裝的輸入軸和輸出軸。膜片聯軸器按DJM系列選型，額定扭矩為16 000 N·m，軸向單側安裝尺寸至少250 mm。按此方案設計完成后，整機軸向尺寸為1 230 mm，對比原設計中1 720 mm的軸向安裝尺寸，軸向空間可縮短約28%。雖然也大幅度縮減了軸向安裝尺寸，但由于安裝尺寸仍然大于1 000 mm，在現場改造中，仍面臨巨大的安裝壓力，因此現實意義不大。

(5)由于采用共軸結構，永磁調速器內輸入軸和輸出軸中間的轉差軸承潤滑條件惡劣。該轉差軸承共兩個，分別安置在共軸結構的兩端如圖5所示。由于轉差軸承的內圈和外圈均在轉動，潤滑油難以進入輸入軸和輸出軸之間，對軸承的潤滑設計造成了極大的困難。通過在輸入軸內部設置軸向和徑向的通孔，并同時增設導流鰭等手段，利用轉軸自身的離心力導入潤滑油，實現對該處軸承的潤滑。該方案結構和加工工藝復雜、成本較高，后續在轉差軸承潤滑方案上仍有進一步優化的空間。

圖5 優化設計后的永磁調速器在試驗臺進行測試

5 優化設計成果及經濟價值

以1 500 kW@1 500 r/min永磁調速器為例，經過優化設計后：

(1)軸向安裝尺寸由原1 720 mm縮短至850 mm，縮短約50.6%。不同功率的永磁調速器，軸向安裝尺寸縮短占比不同，范圍在45%～50%。

(2)該結構設計獲發明專利一項，專利號：ZL 2016 1 0933321.6。

(3)經測試，優化后的永磁調速器各項傳動指標均達到常規永磁調速器的性能要求。具體參數為：設計軸功率1 500 kW，額定轉速1 500 r/min，軸承設計使用壽命不低于2.5萬小時。滿載時轉差率為4%～5%，系統滿載時永磁調速器油溫穩定，約72 ℃(測試環境溫度11 ℃)，空載至滿載的加載過程中，機體震動小于4 mm/s，符合設計要求。

(4)優化設計后，該新型永磁調速器在產品技術參數上可獲較大優勢。在投標環節，與同類產品相比具有明顯的技術區別和特征，為商業競爭和推廣打下較好的基礎。

(5)因為軸向安裝尺寸縮減幅度極大，在一些原本因電機后方空間不足而無法安裝永磁調速器的場合，具有了可安裝性。

6 結語

通過采用創新的共軸結構，以及使用盤式聯軸器結構代替傳統的聯軸器連接。新永磁調速器在整機技術參數和可靠性不變的前提下，實現了其軸向安裝尺寸的大幅縮減。安裝尺寸縮減后的永磁調速器產品具有更好的現場適應能力，可以覆蓋過去因為安裝尺寸問題而無法改造的現場，具有現實和積極的產品優勢。