劉建偉，盧志敏，許治修，金　浩，洪春鳳

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司節(jié)能研究院，廣東 廣州　510663)

2014年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量實(shí)現(xiàn)了44%年增長(zhǎng)，中國(guó)實(shí)現(xiàn)了45.1%，成為全球裝機(jī)容量最多的國(guó)家[1]?？梢娢覈?guó)對(duì)風(fēng)電行業(yè)的重視和投入，將促進(jìn)其更加快速的發(fā)展，尤其是海上風(fēng)電單機(jī)容量越來越大，在風(fēng)電轉(zhuǎn)換的過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)的發(fā)電機(jī)和變流器會(huì)產(chǎn)生大量熱量，若不及時(shí)將這些熱量帶出，溫度持續(xù)升高將會(huì)影響風(fēng)電的正常轉(zhuǎn)化，甚至?xí)龤C(jī)組器件[2]。目前，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)和變流器冷卻采用密閉式純水循環(huán)冷卻。大量實(shí)踐表明，該冷卻方式在機(jī)理和技術(shù)上市是成熟的。但在冷卻水循環(huán)過程中，該冷卻設(shè)備使用的電動(dòng)三通閥存在漏水隱患。為了解決電動(dòng)三通閥輸送介質(zhì)的跑、冒、滴、漏問題[3]，電磁三通閥替代電動(dòng)三通閥，即將磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于三通閥。電磁三通閥磁力驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用永磁材料或電磁鐵所產(chǎn)生的磁力作用來實(shí)現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩?zé)o接觸傳遞的一種新技術(shù)器件。其可以達(dá)到三通閥全密封、無泄漏的效果。目前已經(jīng)在密閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中使用電磁三通閥，取得良好效果。文章主要介紹磁力驅(qū)動(dòng)器工作原理，傳統(tǒng)磁力驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)及對(duì)一種應(yīng)用于風(fēng)電水冷電磁三通閥的一體化磁力驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析，以促進(jìn)其更加廣泛的應(yīng)用。

1　磁力驅(qū)動(dòng)三通閥工作原理及特點(diǎn)

磁力驅(qū)動(dòng)三通閥的工作原理與普通機(jī)械密封的電動(dòng)三通閥不一樣，是利用永磁鐵材料作用使主動(dòng)件與從動(dòng)件之間無接觸地傳遞轉(zhuǎn)矩，三通閥機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通過永磁場(chǎng)控制，而不是直接通過閥桿控制。磁力驅(qū)動(dòng)的三通閥的閥桿與閥芯和磁力驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)轉(zhuǎn)子相連接，封閉在隔離套內(nèi)，形成一個(gè)全封閉結(jié)構(gòu)，力和轉(zhuǎn)矩是通過內(nèi)外磁力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)耦合傳遞，是靜密封結(jié)構(gòu)。而電動(dòng)三通閥的閥桿與閥芯和電動(dòng)執(zhí)行器相連接，力和轉(zhuǎn)矩的傳遞是通過執(zhí)行器傳遞給閥門和閥芯，是動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。因此，磁力驅(qū)動(dòng)三通閥在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上具有突出的特點(diǎn)，顯示了極大的優(yōu)越性。其優(yōu)點(diǎn)有：①采用靜密封，閥桿運(yùn)動(dòng)摩擦力小，運(yùn)行靈活；②靜密封結(jié)構(gòu)，密封性能好，實(shí)現(xiàn)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(zhì)和結(jié)構(gòu)[4-6]。

2　分體式磁力驅(qū)動(dòng)器

由圖1可知，傳統(tǒng)的分體式磁力驅(qū)動(dòng)裝置主要由過渡法蘭、安裝基座、磁力外轉(zhuǎn)子、壓力密封罩、O型密封圈、磁力內(nèi)轉(zhuǎn)子組成。此種分體式結(jié)構(gòu)在裝配時(shí)，只能將所有組件分開一個(gè)一個(gè)的與所從動(dòng)件連接轉(zhuǎn)配。這樣裝配導(dǎo)致設(shè)備的裝配效率低下，而且在裝配過程很容易出現(xiàn)漏裝，或者裝配不到位的現(xiàn)象，導(dǎo)致裝配質(zhì)量問題很難控制。

圖1　分體式磁力驅(qū)動(dòng)器分解圖

在工程設(shè)備的應(yīng)用方面，出現(xiàn)的質(zhì)量問題大部分是因?yàn)榉煮w式磁力驅(qū)動(dòng)器在裝配過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問題所導(dǎo)致。現(xiàn)場(chǎng)維修和更換的工作量大，為了提升磁力驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量和可靠性，安裝的便利性，維護(hù)的簡(jiǎn)單性，封裝一體式的磁力驅(qū)動(dòng)器急需設(shè)計(jì)開發(fā)。

3　一體式磁力驅(qū)動(dòng)器

3.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一體式磁力驅(qū)動(dòng)裝置主要由過渡法蘭、安裝基座、磁力外轉(zhuǎn)子、壓力密封罩、O型密封圈、磁力內(nèi)轉(zhuǎn)子、軸承、定位圈、彈性擋圈等組成。此種結(jié)構(gòu)的磁力驅(qū)動(dòng)器，利用軸承使得外磁力轉(zhuǎn)子和軸承連接為一體，然后固定在過渡法蘭上。內(nèi)磁力轉(zhuǎn)子通過定位圈定位和配合支撐，解決了內(nèi)外磁力轉(zhuǎn)子的集成組裝問題。這種磁力驅(qū)動(dòng)器的在設(shè)備上的裝配也很簡(jiǎn)單，按先后裝配順序與從動(dòng)器件、主動(dòng)器件對(duì)接即可，不僅提高了設(shè)備的裝配效率，而且大幅度提高了裝配的質(zhì)量，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。圖2為一體式磁力驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。

圖2一體式磁力驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

3.2　磁路設(shè)計(jì)

磁力驅(qū)動(dòng)器所采用的永磁材料較貴，成本相對(duì)較高，使其使用受到了一定的限制。因此設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器是十分重要。磁路是磁力驅(qū)動(dòng)器的核心，其由永磁體、工作氣隙和導(dǎo)磁體等三部分所組成。磁路的設(shè)計(jì)要求是保證工作氣隙中具有設(shè)計(jì)確定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，即保證三通閥工作時(shí)所需要的磁力或磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到要求的前提下，力求得到一個(gè)具有最高的磁穩(wěn)定性和最小磁體積的磁力驅(qū)動(dòng)器。因此選擇最佳的磁路形式、配置性能優(yōu)越的永磁材料，確定最佳的磁路尺寸和具有良好的結(jié)構(gòu)性能以及滿足一定機(jī)械強(qiáng)度要求的材料選擇和結(jié)構(gòu)件，就成為磁力驅(qū)動(dòng)器磁路設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮的重要問題。在設(shè)計(jì)中應(yīng)依據(jù)磁驅(qū)動(dòng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁極面積成正比，與磁極位移量成反比原則進(jìn)行磁路的設(shè)計(jì)。

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(jù)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(jìn)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(qū)動(dòng)器條件下，組合拉推式能夠排列出更多的永磁體，相對(duì)來說可以傳遞較大轉(zhuǎn)矩或者減小外形尺寸。

當(dāng)從動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的磁極S位于主動(dòng)磁轉(zhuǎn)子N、S兩個(gè)極的中間位置時(shí)轉(zhuǎn)矩最大。由同性相斥，異性相吸的原理可知，相鄰兩磁極對(duì)從動(dòng)磁極的作用力在旋轉(zhuǎn)方向上是疊加的，這有助于獲得高傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)通過磁場(chǎng)力的作用，可以減輕甚至抵消軸向作用力，對(duì)支撐軸承的壽命有利。組合拉推式磁路的磁力驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)相互抵消，可以有效地控制或者減小在隔離套壁厚內(nèi)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(fā)熱。因此組合拉推式的磁力驅(qū)動(dòng)器具有較好的磁場(chǎng)透過器壁傳遞能量的效果，適用于磁力驅(qū)動(dòng)三通閥。

3.2.3磁路材料選擇

對(duì)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(yīng)強(qiáng)度，就需要選擇最適宜的磁性材料。對(duì)于驅(qū)動(dòng)三通閥的永磁材料應(yīng)具備三個(gè)條件：①較高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，這樣才能獲得較大的磁力和轉(zhuǎn)矩；②高的矯頑力，這樣永磁體不易退磁即應(yīng)具有較高的磁能積；③良好的溫度穩(wěn)定性，溫度穩(wěn)定性是指磁性材料的磁性隨環(huán)境變化較小，是一定溫度范圍內(nèi)較為穩(wěn)定的一種性能。因此對(duì)溫度有要求的器件應(yīng)重點(diǎn)考慮磁性材料的溫度穩(wěn)定性。我國(guó)市場(chǎng)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(yōu)良的永磁材料，而鐵氧體是性能最差的。磁力驅(qū)動(dòng)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(shí)選用。

隔磁材料主要作用：①支持和保護(hù)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(duì)磁極之間通過，以達(dá)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(dǎo)率，同時(shí)在腐蝕場(chǎng)合下使用時(shí)，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(huì)因?qū)Т艍K的材料選擇不當(dāng)，增大磁通泄漏，加快磁性失效。

在磁力驅(qū)動(dòng)器中永磁材料是裝在內(nèi)外轉(zhuǎn)子上的，內(nèi)外永磁體之間的磁通必須經(jīng)過內(nèi)外轉(zhuǎn)子形成回路，因此內(nèi)外轉(zhuǎn)子都必須由磁導(dǎo)率較高的軟磁鐵材料制成。為了防止外磁場(chǎng)改變磁路中的磁通密度和調(diào)整漏磁大小，利用軟磁材料做成磁屏蔽。磁導(dǎo)率是表征軟磁材料的性能的特性參數(shù)，對(duì)于確定材料，其最大磁導(dǎo)率和初始磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，軟磁材料的磁導(dǎo)率和飽和磁化強(qiáng)度越大越好，矯頑力越小越好。常用的幾種軟磁材料為工業(yè)純鐵、鐵鎳合金、硅鋼、鐵鋁合金、恒導(dǎo)磁合金、鐵鈷合金、磁溫度補(bǔ)償合金和軟磁鐵氧體等。磁力驅(qū)動(dòng)器的磁路使用的永磁材料不存在變化磁場(chǎng)，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(yè)純鐵性能十分相近，又容易加工，價(jià)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(guó)趣味的愛好者”，對(duì)中國(guó)古典文學(xué)作品的引用和對(duì)古跡風(fēng)景有感而發(fā)使蘇州游記呈現(xiàn)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(guó)趣味”的過程中對(duì)現(xiàn)實(shí)中國(guó)的失望，這種幻想的破滅甚至影響了他之后的創(chuàng)作風(fēng)格。當(dāng)然芥川在蘇州游記中的消極描述與其病體也有一定的關(guān)聯(lián)。

3.2.3其它特性選擇

其它特性選擇包括磁轉(zhuǎn)子長(zhǎng)徑比的選擇即磁轉(zhuǎn)子外形尺寸的選擇，以及磁路工作間隙(即磁隙)和磁體及導(dǎo)磁體厚度的選擇磁路工作間隙的選擇。磁轉(zhuǎn)子長(zhǎng)徑比選擇依據(jù)為：①當(dāng)傳遞扭矩的最大靜磁力矩小于300Nom時(shí)，長(zhǎng)徑比取0.2～2；300Nom～500Nom時(shí), 長(zhǎng)徑比取0.5～2.5；大于500Nom時(shí)，長(zhǎng)徑比取0.8～3。磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，壓力小取小值；轉(zhuǎn)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(dǎo)磁體的厚度一般等于略大于磁體厚度。

3.3　隔離套設(shè)計(jì)

在磁力驅(qū)動(dòng)器中隔離套位于內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子之間。高壓介質(zhì)的密封全由隔離套起作用，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩點(diǎn)：①承受壓力時(shí)其變形量不應(yīng)超過設(shè)計(jì)的要求；②為了提高磁驅(qū)動(dòng)工作效率，應(yīng)盡可能減少金屬隔離套在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的渦流損失。因此，隔離套應(yīng)選用機(jī)械強(qiáng)度高，電阻率大，耐腐蝕性好的非導(dǎo)磁材料制作[6]。

4　磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)在風(fēng)電水冷三通閥上的應(yīng)用

4.1　磁力驅(qū)動(dòng)三通閥主要參數(shù)計(jì)算

(1)閥門的流體阻力損失

流體通過三通閥時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力，其阻力損失以閥門前后流體壓力差ΔP表示。對(duì)于紊流的液體：

(1)

式中，ε——閥門的流體阻力系數(shù)，與閥門的類型、結(jié)構(gòu)尺寸和表面情況等有關(guān)；V——進(jìn)口流速，m/s；γ——流體密度，kg/m3。

三通閥閥桿的驅(qū)動(dòng)速度在不同介質(zhì)狀態(tài)中有不同的要求。對(duì)于電動(dòng)時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)速度要求較為嚴(yán)格，一般按下式計(jì)算：

(2)

式中，T——關(guān)閉時(shí)間，s；Lf——關(guān)閉行程，cm；m——螺紋頭數(shù)，cm；n——軸速度，r/min。

(3)密封力計(jì)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(zhì)有關(guān)的系數(shù)；α、c——與密封面材料有關(guān)的系數(shù)；P——公稱壓力。

4.2　實(shí)例

圖3　測(cè)試中磁力三通閥

圖3所示的測(cè)試中的磁力三通閥，所設(shè)計(jì)的磁力三通閥通過壽命、壓力、高低溫、連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，無任何外漏現(xiàn)象發(fā)生。圖4所示一體式電磁三通閥磁力驅(qū)動(dòng)器運(yùn)用于某風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目將近三年，其驅(qū)動(dòng)的三通閥未出現(xiàn)以前電動(dòng)三通閥漏水情況，運(yùn)行狀態(tài)良好。目前該磁力驅(qū)動(dòng)器已推廣應(yīng)用在國(guó)外風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目和光伏發(fā)電項(xiàng)目，解決風(fēng)力發(fā)電發(fā)電密閉式純水冷卻系統(tǒng)的三通閥漏水問題。

圖4　一體式電磁三通閥磁力驅(qū)動(dòng)器

5　結(jié)語

通過對(duì)分體式磁力驅(qū)動(dòng)器的分析，設(shè)計(jì)出一種在風(fēng)電水冷上應(yīng)用的一體式電磁三通閥磁力驅(qū)動(dòng)器，所在風(fēng)電水冷實(shí)際運(yùn)行過程中未出現(xiàn)漏水情況、運(yùn)行狀態(tài)良好，表明磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)在風(fēng)電水冷三通閥上的應(yīng)用實(shí)際可行，但磁力驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)注意：①為了避免力和轉(zhuǎn)矩傳遞效果較差，磁力驅(qū)動(dòng)器內(nèi)外轉(zhuǎn)子所有的磁性材料相同或者性能相近；②安裝、調(diào)試時(shí)輕拿輕放，不要和其它物體相碰撞；③在使用過程中，內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對(duì)滑脫時(shí)，已立即停車以免磁性材料退磁；④為了使它達(dá)到嗎應(yīng)有的效果，在操作過程中應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作；⑤磁力傳動(dòng)是恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)，無特殊要求時(shí)，應(yīng)從輕負(fù)荷啟動(dòng)逐步過渡到額定負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。