船用永磁调速器的设计特点及试验研究

孙良友



船用永磁调速器的设计特点及试验研究

孙良友

(海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭 411101)

本文针对船用风机、水泵类负载的调速问题，介绍了船用永磁调速器的技术优势，从性能指标、轻量化设计要求、环境适应性等方面阐述了船用永磁调速器的设计特点，并完成了样机研制，对主要性能温升、效率、振动噪声、电磁兼容等开展了试验研究，结果表明，研制的船用永磁调速器不仅可满足船用负载的调速要求，而且具有良好的综合性能。

船用永磁调速器 船用负载 振动噪声 电磁兼容

0 引言

我国各行各业中为风机、水泵配置的电机占全国电机装机量的绝大多数，在使用过程中存在大量大马拉小车的现象，许多场合仍然采用落后的调节挡板或阀门开启度的方式实现对流量、压头和温度等的控制[1]。这种情况在船舶行业也较为突出，造成大量的能源浪费和经济损失，比如船用防爆风机、制冷风机、低噪声风机、船用水泵等。近年来，随着船舶技术的发展，船舶领域的大量风机、水泵负载存在节能降噪的需求，此外，某些军用领域应用的船用设备还存在减振降噪、电磁兼容的苛刻要求，对船用调速装置提出了更高的要求。目前，常见的调速方式包括阀门调速、液力调速、串级调速、变频调速等，相对而言，永磁调速（器）具有其独特的技术优势。

永磁调速器是一种新型的节能调速装置，又称永磁涡流调速器或磁力耦合器，一般由本体、执行器、防护罩等组成，连接于原动机和负载之间，通过永磁体与导电盘的电磁作用产生耦合力矩，实现原动机和负载之间的传动和调速，应用于风机、水泵等负载具有安装维护简单、高效节能、环境适应性强等优点。最早开始对永磁调速器进行应用研究的是美国的MagnaDrive公司[2]，主要作为节能调速装置应用于发电、供水、冶金、矿山等领域的各类风机和水泵类负载。近年来，国内学者开始对该类装置的建模仿真、性能分析[3-5]等方面开展了研究，同时该项技术也逐渐在国内开始推广[6]。

由于永磁调速器属于一种较新的技术，目前的应用主要集中在发电、供水等领域，罕有在船舶行业应用的分析和报道。事实上，船用电网是微网系统，耐冲击能力差，另外，船上存储的能源有限，存在节能的需求，这些特点使得永磁调速器用于船用负载的调速具有显著的技术优势和广阔的市场前景。

1 船用永磁调速器的技术优势

船用永磁调速器的基本机构与一般永磁调速器无异，其本体结构主要由主动盘和从动盘组成，如图1所示，主动盘与原动机同轴连接，一般由导电的金属盘组成，从动盘与负载（例如水泵、风机等）连接，一般为带永磁材料的盘式结构。当主动盘旋转时，由于与从动盘存在滑环，中间产生感应电流和磁场，与从动盘磁场相互作用，产生转矩。如果调节主动盘和从动盘之间的机械距离，就可以调节转矩的大小，并进而实现调速。相对于其它的调速方式，它具有如下的技术优势：

1）无电力电子装置，运行可靠。船用永磁调速器属于机械调速装置，无电力电子装置，不存在器件老化失效等问题，可靠性高，MTBF可达25年以上。

2）安装简单，维护方便。船用永磁调速器经过特别的设计，安装时两侧通过卡盘连接，不需要改造负载和电机接口，无机械主轴，对中要求不高；仅占用轴向空间，结构紧凑，安装和拆卸较为方便。

3）容忍对心误差，隔离并减少振动。船用永磁调速器采用磁力传动，而非直接的机械基础，可容忍较大的对心误差，而不会产生较大振动。同时，可隔离并减少原动机侧的振动。

4）对船舶电网不产生高次谐波。与变频调速装置相比，船用永磁调速器无电力电子装置，也不需外部供电，因此不会向电网注入高次谐波，从而影响船舶电网电能质量，这对于船用电网这种微网系统尤其重要。

5）对船舶电网冲击小。船舶电网属于微网系统，耐受冲击能力弱。采用船用永磁调速器允许电机空载启动，再平缓增加负载，减少启动冲击电流；当负载出现过载或急剧变化时，电机的轴功率可以被缓冲或隔离，而不至于对电机产生损害，对船舶电网产生冲击。

6）基本无电磁干扰。船用永磁调速器只是一种机械装置，无外接电源，仅在铜盘中有低频的感应电流，其电磁辐射十分有限。在某些对电磁兼容要求很高的场合，具有显著的优点。

7）高效节能。目前船用风机、水泵等负载通常缺乏调速能力。采用船用永磁调速器技术，可以通过调节气隙实现流量或压力的连续控制，取代原系统中控制流量和压力的阀门或风力挡板；在80%以上的调速范围内，具有较高的效率。

2 船用永磁调速器的设计特点

船用永磁调速器应用于船舶领域，对调速性能、轻量化、船用环境适应性有一些设计需求，其设计需要综合考虑多种运行工况。

2.1性能指标

1）调速范围。船用永磁调速器与一般设备相比，调速范围大得多。一般的永磁调速器在80%～95%调速范围内具有较高的效率，因此一般调速范围不会太宽。对于船用永磁调速器，为减少原动机的启停对船舶电网的冲击，可以将调速范围从0开始，从而达到隔离开关的效果，减少对船舶电网的冲击。因此在设计时，需要增加主动盘和从动盘的行程，使得行程最大时，永磁调速器的电磁转矩很小，需要开展最大行程时的转矩计算。

3）效率。由于永磁调速器的效率近似于滑差成正比，因此滑差增加，永磁调速器的效率急剧减小。图2给出了不同调速方式下的效率对比，一般认为永磁调速器在滑差为0～0.2内使用较为合适，效率可达80%以上。当负载转矩一定时，为提高效率，可以采用两种方式，一是转子金属盘可以采用导电率比较高的铜材，二是减少主动盘和从动盘之间的最小间隙。

4）振动噪声。船用永磁调速器对振动噪声要求较高，甚至会提出相应指标。船用永磁调速器的振动和噪声来源主要来自机械噪声（主动盘、从动盘轴承的机械摩擦）、空气噪声（转动部件旋转引起的气流等），通过选用静音轴承、优化散热结构等措施可以显著降低永磁调速器的噪声。此外，永磁调速器的主动盘和从动盘组件应相应提高动平衡的精度等级，一般应不低于G2.5，以降低不平衡引起的机械振动。

5）电磁兼容。永磁调速器本身是一种电磁装置，较之一般的电力电子设备不存在抗电磁干扰的问题，但本身也是一种电磁干扰源，可能对周围的电力电子设备产生电磁干扰。因此，某些敏感环境下可能对电磁兼容性有一定的要求。

2.2轻量化设计要求

船用永磁调速器比一般永磁调速器对功率密度有更高的要求。一般从以下几个方面考虑：

1）采用双边结构。船用永磁调速器为提高功率密度，减少体积和重量，应采用双边结构，即各有一对主动盘和从动盘，虽然增加了材料和用量，同时使得结构更加复杂，但较之单边结构可以显著提高功率密度。此外，有的文献提出采用“聚磁式”提高永磁调速器功率密度的措施。

2）辅助设备的集成。船用永磁调速器在调速时，当气隙较小时，由于主动盘和从动盘之间磁拉力较大，因此脱开和分离都较为困难。为此，采用电动执行器是一种较好的选择。此外，大功率船用永磁调速器可能采用强迫风冷、水冷、油冷等措施，相应的增加了一些辅助设备，应将各种辅助设备与本机集成在一起，可以较好的提高系统的功率密度。

2.3环境适应性设计

船用永磁调速器的环境适应性主要考虑：

1）船用环境下的三防处理。船用永磁调速器应用于船舶领域存在潮湿、霉菌、盐雾等环境问题，为减少环境侵蚀，应采用化学和物理方法对装置进行表面三防处理，特定环境下应通过密封、隔离等措施开展关键部件的保护，必要时应提高防护等级。

2）船用的振动倾斜环境。船用永磁调速器应能长期在纵倾和纵摇±10°、横倾±15°，横摇±22.5°的条件下正常的工作，因此对船用永磁调速器的结构设计提出了更高的设计要求，必要时还要开展力学与冲击计算。

3 永磁调速器的试验

针对某船用永磁调速器的需求，开展了样机研制，针对永磁调速器的性能开展了效率、温升试、振动噪声、电磁兼容等试验：

1）效率测试。试验目的主要是实测样机的调速范围和效率。由于试验条件的限制，试验采用了如图3所示的外接试验电路。其中扭矩传感器的读数为1，空载时读数为0（脱开水泵4时），因此效率定义为：

调节主动盘和从动盘之间的距离，实现对负载的调速。实测的原动机输入转速和样机效率如图4。

图3试验系统示意图

(1-电机，2-扭矩仪，3-被试永磁调速器，4-水泵负载)

实测结果表明，当主动盘和从动盘的距离最大时，从动盘的转速降至0，实现了从0开始调速的设计目标，当主动盘和从动盘的距离最小时，效率达93%左右。

2）温升测试。采用红外测温仪实测不同转速下主动盘和从动盘的温升，结果表明转速为665 rpm（约为输入转速的2/3）时，主动盘和从动盘的温度最高，但各种工况下的温升均不超过70 K。

3）振动噪声测试。为探讨采用永磁调速器后对负载振动和噪声的影响，实测了水泵负载进水处的振动频谱。图5给出了连接永磁调速器前后水泵的进水法兰处振动的对比。

图5 实测的接永磁调速器前后水泵的进水法兰处振动

由此可见，采用永磁调速器之后，泵的进水处的振动几乎没有显著的变化，仅在低频段略有减少，与预期存在一定差距，可能是因为原动机的功率较小，另外，安装永磁调速器相当于轴向串联了一套额外的装置，增加了轴系长度，对振动产生不利影响，因此减少振动的效果不明显。

在噪声测试中，因为原动机、负载等产生的背景噪声较大，为抑制背景噪声大小，制作了一个密封盖，将原动机罩住，实测了增加永磁调速器和不增加两种情况下的噪声，对比发现，二者几乎没有显著变化，根据声学相关知识，可以认为样机的噪声低于背景噪声10 dB以上。

4）电磁兼容试验。为探讨船用永磁调速器可能存在的电磁辐射问题，按照标准实测了船用永磁调速器负载运行时的磁场辐射发射。图6给出了其频谱限值线和实测线，表明船用永磁调速器具有低电磁辐射的优点，可适用于对电磁辐射有苛刻要求的领域。

图7 样机电磁辐射的限值与实测值

4 结论

本文结合永磁调速器的优点，针对永磁调速器在船舶领域的应用问题，介绍了其应用于船舶领域的技术优势，讨论了船用永磁调速器的设计特点，针对某船用永磁调速器需求进行了样机的研制，并开展了效率、温升、振动噪声、电磁兼容等试验。结果表明，研制的样机不仅可满足船用负载的调速要求，而且具有良好的综合性能。应当指出，现阶段的工作重点围绕样机的主要性能开展试验验证，实船应用的船用永磁调速器还应开展严格的船用环境试验，包括湿热、盐雾和抗冲击振动试验等。

[1] 孙中圣，李新泉等. 永磁涡流调速器研究与应用 [J]. 机械制造与自动化, 2016, 45(3) : 1-4.

[2] 张宏. 新型节能调速设备永磁磁力耦合调速器的原理及应用[J]. 中国电力教育，2009:551-553.

[3] 张萌,赵海森高等. 径向磁通式永磁磁力耦合器能效特性试验[J]. 测试技术与检测设备, 2014,41(3):52-56.

[4] 李争光，杨高. 基于matlab的磁力耦合器调速系统建模与仿真[J]. 船电技术,2016, 36(3)：71-74.

[5] 刘伟, 佟强等. 永磁调速器的有限元分析与性能计算[J]. 微特电机, 2015, 43(4) : 10-13.

[6] 贾林妮. 调速型磁力耦合器与液力耦合器在火力发电厂应用的节能分析 [J]. 节能, 2016, 405(6) : 69-71.

Design Characteristics and Experimental Research of a Marine Magnetic Coupling

Sun Liangyou

（Naval Representatives Office In Hunan, Xiangtan 411101,Hunan, China）

TM921

A

1003-4862（2018）05-0061-04

2018-03-15

孙良友(1977-), 男，工程师。研究方向：永磁调速器。