磁力密封驱动器隔离套设计及涡流损失理论与实验技术研究

邱 英，谭定忠，王启明

（哈尔滨工程大学机电学院，黑龙江哈尔滨 150001）

随着海洋开发和军事技术要求的提高，潜器和水下作业装置的工作深度不断增加，深水电机作为水下装置的重要驱动元件，对其密封技术的要求也在不断地提高。水下电机的密封问题是影响水下装置下潜深度的一个关键性问题［1］。

1 磁力密封驱动器整体结构设计

磁力密封驱动器结构如图1所示，主动转子旋转时通过磁转子中的永磁体间产生的转矩实现两部件的同步转动。主动件和从动件之间装有隔离套，可以将主动件与电机封闭在工作容器内，实现无接触动力传递和绝对密封。圆筒式结构避免了构件因径向受力不均而产生振动的问题，保证了结构运动的稳定性。图1中永磁体材料选用钕铁硼（NTP－256H），软磁材料可采用工业纯铁或低碳钢。轭铁的材料为低碳结构钢（Q235），隔离套选用钛合金。磁力密封驱动器采用组合拉推式磁路结构［2－4］。

设计目标为：内磁转子联接轴轴径为20 mm，转速为100r／min，传递转矩为75N·m。经对各参数进行反复的调整和修正，最终确定的参数如下：K＝5，M＝915.6Gs，η＝0.85，m＝16，R1＝3.8cm，R2＝4.8 cm，R3＝6cm，R4＝7cm，磁场强度H ＝92.9×79.578A／m，bg＝1.2cm，磁极弧长L0＝2.12cm，磁极面积S＝542.6cm2，bh＝1cm，Rc＝5.4cm，Lb＝8cm，轭铁厚度为1.1cm，经计算得最大转矩Tmax＝79.75N·m，磁路机构尺寸代号见图2。

图1 磁力密封驱动器结构示意图

图2 圆筒形静态磁路机构尺寸代号

2 隔离套设计

隔离套是磁力密封驱动器中的密封器件，处在内、外转子之间，接触液体介质，隔离套的作用是保护主动转子、内部电机以及其他内部元件不受海水的侵蚀。内转子旋转时，带动隔离套与内转子之间的海水随之做旋转运动，旋转运动时具有一定线速度的海水会对隔离套造成冲击。这些情况导致在选用隔离套材料时除需考虑强度和耐腐蚀性能外，还要考虑一些其他的特殊要求，比如：不隔磁、磁损失小；足够的强度和韧性，在满足强度的基础上隔离套的壁厚越薄越好；抗冲击、耐冲刷和腐蚀性好。海水的运动还会导致材料出现电化学腐蚀、晶间腐蚀等腐蚀问题。钛合金强度高，机械性能好，韧性和抗蚀性能强，在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢，适合于深海工作环境中使用［5－8］。

隔离套的结构形式可分为3种，如图3所示。隔离套结构形式的选择与介质的状态、压力以及驱动器的结构形式、工作气隙的尺寸等因素有关。当金属隔离套工作在交变磁场中的时候，产生涡流损失的同时套壁的温度会快速上升，温度过高时会导致磁转子发生退磁以至于磁力密封驱动器无法正常工作［9］。因此，在隔离套的设计过程中需要考虑2个问题：一是减小壁厚以减少磁涡流热的产生；二是隔离套的散热问题。对于散热问题，一般是使用液体对流散热的方法，大致过程是通过隔离套内部液体的流动，将涡流产生的热量带走。由于上述原因，加工时，要求隔离套的内表面光滑，这样可以改善液体流动性；弯道处要求圆滑过渡以减少介质的流动阻力，尽量使内壁形成理想的流线型结构以保证液体介质流动顺畅［10－11］。磁力系数K 的取值由下式确定：

图3 隔离套结构形式示意图

式中：Dw为容筒外径，取110 mm；Dn为容筒内径，取107mm。

当K 值小于1.1时为薄壁容筒；当K 值大于1.1时为非薄壁容筒。

筒壁厚δt的设计由下式计算：

代入相关参数，经计算得δt＝1.95mm。

隔离套底板厚δD的设计由下式确定：

式中：Dn为容筒内径（mm）；p 为轴向载荷（MPa）。

计算得δD＝20.6mm。

3 隔离套导致的涡流损失

3.1 涡流损失的计算

3.1.1 基本模型与参数

磁场与隔离套的基本模型［12］如图4和图5所示，参数包括：隔离套轴向磁化长度L（mm）；隔离套壁厚度δ（mm）；内、外转子转角差φ（rad）。

图4 磁场基本模型图

图5 隔离套基本模型图

3.1.2 假设条件

（1）磁场B 沿r 取向，且在隔离套内随φ 坐标变化，即：

式中，B0为工作气隙中最大磁感应强度。隔离套相对内、外磁转子为逆时针旋转，由变化磁场产生的电流沿z向，电动势E 变化为［3，5］

式中，Ez为随φ变化的最大电动势。

（2）隔离套中位移电流相对于传导电流可以忽略。

（3）隔离套厚度δ 远小于轴向长度L，可以忽略端部效应，仅以横断面为研究对象。

3.2 涡流损失理论计算式的导出

按Maxwell方程式：

根据上述假设条件（1）和式（4）在其坐标下可得［3，5］：

对式（8）两边积分得

电流密度的计算式：

如图5所示，在单元面积dA＝rδdφ中的功率损失为

在整个隔离套中的涡流损失Pj的计算式为

式中：L 为磁化长度；r 为隔离套半径；δ 为隔离套壁厚；n为电机转速；B0为磁感应强度；g为电导率。

其中，L＝0.08m，r＝0.0535m，δ＝0.001 95m，n＝100r／min，B0＝1.25T，g＝0.625×103s／m ，由式（11）求得Pj＝8.02×10－3W。

4 仿真、实验及结果分析

将计算中使用的参数导入ANSYS中，对其进行仿真和分析、将分析得出的转矩结果与设计计算的结果相比较可以看出，理论计算的结果与有限元分析的结果比较接近；由于有限元分析中没有考虑涡流损失及水力摩擦损失，所以有限元分析所得转矩值比公式计算所得转矩值偏大。对研制的磁力密封驱动器样机进行测试，由于测试中的磁力密封驱动器没有安装隔离套，所以测得的传递转矩大于驱动器在实际工作状态下所能传递的转矩，减去涡流损失及水力摩擦损失消耗的功率后，磁力密封驱动器能够传递的有效功率为0.87kW，此时，驱动器的传递转矩为84N·m，结果接近且稍优于设计目标参数，达到了设计要求。设计目标为：内磁转子联接轴轴径为20mm，转速为100 r／min，传递转矩为75N·m。

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［1］文立辉，王庆春.磁力传动密封潜水电动机［J］.船电技术，2002（4）：14－16.

［2］李国坤，赵克忠.稀土钴磁力传动特性研究［C］／／第三届永磁合金学术会议论文集，1983：27－29.

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