盘式异步永磁调速器结构设计分析

范 欣

(上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011)

0 引言

在过去近10年里，大功率永磁调速器在项目实施投运后故障发生率较高。部分厂家对设备频繁检修，造成相当的成本消耗，甚至有出现因永磁调速器的频繁故障而导致企业生产无法保障，最终将设备拆除恢复旧状态的情况。大功率永磁调速器原理虽然简单，但结构较为复杂。因此，在没有对机械设计和加工工艺进行充分论证的前提下，盲目跟进生产容易造成企业巨大的经济损失。

现阶段市场上永磁调速器主要为盘式异步永磁传动结构，其他形式的磁调速器还包括径向磁通的异步永磁调速器(筒式)或轴向磁通(盘式)的同步永磁调速器[1]，以及通过励磁装置调节传动扭矩的绕组式永磁耦合传动装置[2]。由于在实际工程项目中较少有真实的应用案例，技术成熟度有待进一步确认。因此，本文所述永磁调速器均指代盘式异步永磁调速器。

永磁调速器产品主要定位在大功率离心负载的调速应用，竞品主要是高压变频器和液力调速器。但由于永磁调速器应用失败案例较多，且产品安装条件苛刻，导致推广难度很大。国内引入该技术已有20余年，经历了从产业热潮到资本退潮的过程。本文从技术分析的角度出发，剖析永磁调速器的产品问题和技术难点，并为后续可行的技术发展提出展望。

1 现阶段永磁调速器存在的问题

1.1 永磁调速的本质和局限性

1.2 关于永磁调速器的“失速”问题

永磁调速器在某特定的负载区间不能实现负载转速的线性过渡，会出现阶跃变化，这个现象称为永磁调速器的失速。该问题出现的原理较为复杂，在有限的篇幅内无法进行详细的解释。

工程上，会先行了解需求方的调速范围，尽量避免设备失速区间落在需求区间内。若实在无法避开，可通过改变导体材料的方式来改变失速区间，从而使速度区间避开需求区间[3]。但导体材料的改变也意味着永磁调速器传动效率的改变，或变高或变低，具体依据项目需求而定。

1.3 过大的轴向力对永磁调速器的设计和装配提出了更高的要求

永磁调速器可传递扭矩越大，所需的磁场力越大。以设计功率为1 500 kW@1 500 r/m的永磁调速器为例，磁场产生的轴向力合力会作用在对应轴承上和轴承外圈结构件上，轴向力合力约50 000 N。

过大的轴向力是造成永磁调速器系统稳定性降低的主要原因。从负责磁盘轴向移动的螺旋槽结构，到负责驱动外转臂套结构的四连杆机构(见图1)，过大的轴向力给机械调速机构带来了诸多稳定性问题，主要表现在以下几方面。

图1 永磁调速器中的四连杆机构

1.3.1 轴承的寿命

因承受较大轴向力，按常规轴承选型设计，轴承寿命会有较大影响。在部分需要高可靠性的项目应用中，当轴承设计寿命大于25 000 h以后，普通角接触轴承选型无法满足设计需求，需要选用球面滚子推力轴承才能满足设计要求。而球面滚子推力轴承对装配和润滑的要求较高，给系统的稳定性带来了一定的隐患。

其中，f表示气体的分布函数，一般依赖于变量x，v，t，它表示了该气体在t时刻速度为v的粒子的密度.这个方程主要描述了在非平衡状态下分布函数f随时间演化的过程.若分布函数f与位置x无关，即f仅是关于变量v，t的函数，则方程变为

1.3.2 旋转改直线运动的传动结构磨损

旋转改直线运动的传动结构主要是指螺旋槽结构和传扭螺纹结构，两者本质上都属于螺纹传动的结构。螺旋槽结构螺纹角不满足自锁条件，传扭螺纹结构的螺纹角可以自锁。当永磁盘与导体盘的轴向力传动到旋转改直线运动部分时：

对于螺旋槽结构而言，由于其自身不满足自锁条件，轴向力将继续通过螺旋槽结构转化为旋转扭矩，传递给下一传动机构(四连杆机构)。螺旋槽内的滑块结构因承载轴向力的分力，与螺旋槽侧边缘摩擦，造成磨损，长时间的调速会导致螺旋槽内的滑块结构磨损失效，如图2所示。

对于传扭螺纹结构(主要是针对使用蜗轮蜗杆结构的设计)，永磁调速器的轴向力会全部承载在传扭螺纹上。此时，当传扭螺纹工作时，螺纹副承受极大的轴向力作用，易对传扭螺纹副造成磨损。若润滑不合理，还极易发生传扭螺纹结构卡死的情况，如图3所示。

上述两点结构失效是大功率永磁调速器的主要失效原因。过大的轴向力对传动结构的结构设计、装配工艺、润滑工艺和材料选型带来了极大的困难。该技术难点的攻克需要一定的设计、制造、装配和管理经验的配合，具有一定的难度。

图2 永磁调速器中的螺旋槽结构

图3 蜗轮蜗杆+传扭螺纹结构

1.4 调速精度和响应速度低

在盘式永磁调速器的调速结构中，通常会采用四连杆机构+螺旋槽结构或蜗轮蜗杆+传扭螺纹结构。

1.4.1 对于四连杆机构+螺旋槽结构

由于永磁调速器在调速的过程中不仅需要轴向移动，还需要进行旋转运动。因此，四连杆机构连杆的连接处需要采用关节球轴承作为连接结构，以满足外转臂套结构轴向移动的要求。由于关节球轴承的加入，使四连杆结构刚性降低的同时，还兼具一定的“柔性”。该特性具体表现为，执行器动作时，外转臂套结构从静止状态到转动状态会有一个较大的死区范围，尤其是在执行器改变转动方向的时候，该现象会更加明显，即执行器在开始动作后的前3%～10%区间段(具体根据永磁调速器当前时刻所承受的轴向力大小和装配情况略有差异)，外转臂套不会动作。执行器在该部分的行程大部分被关节球轴承吸收，从而影响了永磁调速器的调速精度，如图1和图2所示。

四连杆机构对调速精度的影响在实际工作中无法被忽视。在开环控制条件下，会出现输入相同的执行器开度，系统输出转速不同的情况。虽然可以通过闭环控制反馈负载转速，动态调整执行器输出，进而实现较为精确的转速控制，但由于死区的存在，调速机构动作幅度较大，影响控制的精度和速度。

1.4.2 对于蜗轮蜗杆+传扭螺纹结构

在设计功率超过1 500 kW@1 500 r/m的永磁调速器中，由于轴向力过大，执行器输出扭矩无法满足调速器的要求。在该功率段以上的永磁调速器一般会采用蜗轮蜗杆结构进一步放大执行器的输出扭矩。蜗轮蜗杆结构具有传动比大、输出扭矩大的特点。蜗轮与传扭螺纹连接，将旋转运动转化为直线运动，满足磁隙距离调整的需求，但传扭螺纹的螺距较螺旋槽结构的螺距小很多(相差约几十倍)，需要蜗轮旋转数十圈才能满足轴向行程需求，加大了调速器调速的延迟效应。具体表现为：执行器从最小磁隙动作到最大磁隙所需的时间较长，且执行器的手动驱动基本无法使用(旋转力矩大，旋转圈数多，动辄需要旋转数百圈才可以调整到合适的磁隙)，如图3所示。

相较于螺旋槽结构，蜗轮蜗杆结构刚性强，对执行器的响应速度快，但整个系统的调整速度较慢。在一些需要对调速响应比较及时的工况下，不适合使用该结构。此外，在巨大轴向力作用下，蜗轮蜗杆的润滑和磨损，以及传扭螺纹的润滑和磨损问题依然严峻，给整个系统的可靠性和稳定性埋下隐患。然而，该结构目前仍是大功率永磁调速器的首选结构，暂无其他替代结构可以满足该环节扭矩传递的要求。这进一步限制了大功率永磁调速器的应用场景。

1.5 过大的轴向安装尺寸

永磁调速器在项目落地的过程中，设备的安装是一个较为棘手的问题。在大多数项目中，永磁调速器并非作为预先设计好的调速设备落地，更多的时候是作为一个已有项目的技术改造而落地。而在改造项目的实施中，永磁调速器的安装问题极为突出。

由于永磁调速器轴向尺寸较大，原系统需要挪动电机才能为永磁调速设备空出安装空间。面对过大的轴向安装尺寸，即使电机后移到极限，往往也依然无法满足永磁调速器的安装。在市场推广过程中，安装问题带来的阻力极大，特别是大功率永磁调速器，动辄近两米的轴向安装空间，在已经建成的厂区内极少能找到合适的改造场所。在无绝对的成本和技术优势前提下，中高功率段的永磁调速器极难得到推广。

2 永磁调速器的技术方向

永磁调速器应以替代变频器为目标继续发展，在变频器无法使用或成本过高的应用场合，实现对变频器类产品的替代。

过去20余年，国内外诸多学者对永磁调速器的磁场性能、气隙模型、电涡流效应等进行了详尽的理论分析和试验建模。为各种结构类型的永磁调速器的磁场设计和传扭设计进行了分析和计算，建立了理论模型，给出了可以用于指导永磁调速器设计的数学工具，为永磁调速技术的发展积累了深厚的理论基础。但在实际产品发展的过程中，并没有形成理论指导实践、实践再反馈理论的正反馈驱动。由于永磁传动产业并未形成预想中的市值和规模，因此，诸多先进的研究成果无法真正落地，永磁产品自身技术迭代也被打断，最终导致现阶段市场的主流永磁调速器产品仍以盘式异步结构为主。

基于上述现实，提出现阶段永磁调速器切实的发展道路：应以实现恒转速输出、恒功率输出及恒扭矩输出为主要技术目标，并持续优化控制精度和响应速度，提高产品可靠性。在实现上述技术特性之后，永磁调速器产品才能真正具备市场优势，未来的进一步技术迭代才有可能。

为实现上述技术目标，现阶段永磁调速器急需解决的技术问题如下。

2.1 提高调速机构的精度和响应速度

现有永磁调速器存在系统响应不及时、执行器动作存在较大死区、磁隙的重复定位精度低等问题。这些问题极大地破坏了永磁调速器作为“调速器”工作的基础。因此，提高永磁调速器调速精度和响应速度是优化永磁调速器结构的重点工作。

需要指出的是，有部分学者和企业以盘式电机为基础，提出全新的永磁调速方案，以期实现通过改变励磁磁场大小，完成对系统输出转速的控制[4]。但目前市场上并没有看到相关设计成功应用于项目现场，相关专利和论文所阐述的方案在工程上实现仍具有很大的难度，且同样面临与现有永磁调速技术相似的可靠性问题。

虽然现有主流永磁调速器的调速机构具有诸多可靠性问题，但从结构设计的角度去解决问题仍应作为提高调速机构精度和响应速度的首选方案。

2.2 深度优化电磁场效应，提高系统传扭特性

导体盘和永磁盘是永磁调速器的核心部件。在永磁调速器工作时，由于转差的存在，导体盘存在电涡流效应。正是对电涡流效应的利用，永磁调速器实现了诸多特有的传扭特性。基于对电涡流损耗的研究，有学者提出了齿槽盘式结构、双筒式结构等[5]。虽然诸多新设计并未最终实现工程应用，但不可否认，这些尝试为永磁调速器的磁优化设计提供了宝贵经验。

现阶段，永磁调速器的导体盘结构过于简单，且“失速”问题也并没有得到更合理的解决。对电涡流效应的研究、持续优化和创新导体盘结构、克服永磁调速器失速区间问题，应是永磁调速技术进一步发展所必须面对和攻克的课题。

2.3 优化永磁调速器轴向安装尺寸

过大的轴向尺寸不利于相关永磁调速器项目的落地和推广。努力缩小永磁调速器的轴向安装尺寸，应被视为永磁调速器技术迭代的重要方向。

2.4 永磁调速器输出特性参数化，并具有可控性

永磁调速器应具备与变频器类似的输出能力，主要包括恒转速输出、恒功率输出和恒扭矩输出3个模式，并在此基础上，持续优化相关参数指标。最终的产品形态应同时满足3种输出模式甚至更多的输出模式，并可自由切换。

该技术方向的落地，需要系统性地优化永磁调速器控制系统的软件和硬件，简化整个系统的I/O接口和交互逻辑，持续提高永磁调速器产品的机电一体化特性。

3 结语

针对过去永磁调速器故障频发的原因进行了分析和总结，指出过大的轴向力是影响永磁调速器可靠性问题的主要原因所在；同时，作为一种调速器，永磁调速器应具备响应速度快、控制精度高、系统输出特性可调等基本能力，并在上述基础上不断优化设计，提高参数精度。

本文所给出的永磁调速器技术路线，已经过较充分的设计论证和试验验证，对于永磁调速技术的进一步发展具有十分务实的指导意义。部分优化设计后的永磁调速器经测试，已初步具备了调节响应速度快、磁隙定位重复精度高、系统轴向安装尺寸短和输出特性可控的技术特点。有理由相信，在未来，具备新特性的永磁调速器将有更广的市场应用前景。