屏蔽部分回转电动装置设计及控制研究

杨松 谭术洋

摘要：现有部分回转阀门的开关力矩由供电电压决定，在开关过程中电动装置输出的转矩为一个定值。当阀门关到位或开到位后，根据位置传感器的信号来断开阀门电装供电，阀门动作停止。在阀门多次动作后，阀瓣的阻力矩会变小。在关阀时，有可能出现电机输出的力矩较大，导致阀门卡滞，无法连续可靠动作。本文针对DN125屏蔽电动球阀电动装置开展了电磁方案研究，完成了结构参数设计和电磁参数设计。利用ANSOFT软件对电动装置的起动性能进行了计算。根据阀门阻力矩完成了减速器的选型计算。为了能够在规定的时间内完成阀门的开关，同时避免出现过转矩导致的阀门卡滞，本文提出了采用变频器控制电动装置转速的控制方法。

关键词：部分回转；屏蔽电动装置；变频器

引言

现有部分回转阀门主要是通过位置传感器来控制阀门电装的正转和反转来实现开关。阀门电装的开关力矩由供电电压决定，在开关过程中电装输出的转矩为一个定值。当阀门关到位或开到位后，根据位置传感器的信号来断开阀门电装供电，阀门动作停止。在阀门多次动作后，阀瓣的阻力矩会变小。在关阀时，有可能出现电动装置输出的力矩较大，导致阀门卡滞，无法连续可靠动作。本文通过变频的形式，改变电动装置的输出转速，从而控制阀门在开关过程中实现启动、加速、减速、停止四个过程的平滑过渡，特别是保证在停止过程能使阀门从一个较低的速度缓慢停止。

本文研究對象为ACP100模块化小型堆非能动堆芯冷却系统DN125屏蔽电动球阀。

1电动装置结构方案

DN125屏蔽电动装置由三相异步屏蔽电机、减速器、传感器、止动盘、旋转盘、键、销及螺钉等组成。屏蔽电机有定子、转子、定子屏蔽套、接线盒、深沟球轴承构成，减速器有固定齿轮、输出齿轮、双联齿轮、深沟球轴承构成。电机为减速器提供扭矩动力，定子屏蔽套的作用是将系统介质与定子绕组隔离，保证电机正常运行。减速器采用少齿差行星齿轮传动，固定齿轮和输出齿轮与电机为同心，双联齿轮与电机存在偏心，减速器将电机的高转速降低为要求的低转速，将电机的扭矩传递给旋转盘，再通过传感器的控制，达到控制阀门开启和关闭的目的，结构图如图1所示。

2 电动装置电磁设计

2.1 技术要求

DN125屏蔽电动球阀对电动装置的技术要求如下：

1）屏蔽电机功率：≤300W

2）阀门阻力转矩：600N·m

3）堵转转矩倍数：≥1.6

4）90°行程时间：≤10s

2.2 主要尺寸设计

定子铁芯内径Di1和有效长度lef是电机的主要尺寸，主要尺寸比λ的表达式[1]为：

λ=lef/τ （1）

其中，τ为极距，τ=πDi1/2p，p为极对数。

在电机的功率P、转速n、线负荷A、气隙磁密B确定后，有如下关系式[1]：

KP/ABn=常数 （2）

式中，K为电机设计常数。

DN125电传动装置额定功率为300W，电机为4极（2p=2），线负荷A及气隙磁密B参考相近功率电机选择。经计算，Di1=181mm，lef=168mm。

2.3定子屏蔽套结构设计

由于定子屏蔽套处于定子和转子之间会产生涡流损耗，损耗愈大，电机效率越低，而涡流损耗与定子屏蔽套的厚度成反比，因此为了提高电机效率，处于定子和转子之间的一段壁厚必须尽量薄。根据工程经验，屏蔽套厚度取0.5mm，材料为06Cr19Ni10。

定子屏蔽套与工作介质直接接触，直接承受着系统内压，为了减小定子屏蔽套的径向受力，用电机自身的定子铁心与定子屏蔽套接触段对定子屏蔽套薄壁段进行强度的加强，结构图如图2所示。

2.4 起动性能计算

为了能够在短时间内完成阀门的开关过程，在开、关的瞬间应尽量增大电动装置的起动转矩以缩短起动时间。对于屏蔽电动装置而言，起动转矩与供电电压的平方成正比，与电机转子的电阻成正比[2]。在供电电压一定的条件下，增大转子电阻成为提高起动转矩的最直接手段。为了最大程度提高转子电阻，本文转子采用实心笼型转子，即实心转子表面开槽嵌入高电阻的铜条。

除此之外，在电磁设计过程中还采取了如下措施：

1）定子绕组均采用双层叠绕式，可通过分布、短距措施，大大消弱磁场中高次谐波；

2）增加气隙长度，削弱了附加力矩；

3）选取较小的定子槽口宽度，减小由于槽口气隙磁导变化较大引起的齿谐波，大大地削弱齿谐波磁场及其产生的同步附加力矩。

根据已经确定的电磁参数，在Ansoft RMxprt模块中进行建模。由于屏蔽套为非导磁材料，磁导率与空气相同，在建模时为了简化模型，将屏蔽套尺寸全部计算在气隙长度中。电动装置的机械特性曲线如图3所示。

从图3可以看出，电机的起动转矩已经十分接近最大转矩，说明电机的起动性能得到了充分的发挥。经计算，电机的起动转矩倍数为2.58，大于1.6倍的要求值。

3 减速器设计

减速器结构如图4所示，固定齿轮连接在定子上，不能旋转，电机轴驱动双联齿轮旋转，双联齿轮的一个齿轮会与固定齿轮啮合，由于固定齿轮不转动导致双联齿轮转速降低，同时双联齿轮的另一个齿轮还会和输出齿轮啮合，由于输出齿轮齿数多于双联齿轮齿数，转速再次被降低，从而达到减速目的。

根据技术要求，电机额定功率不超过300W，按额定功率P=300W，采用四极电机，同步转速1500r/min，无法估算电机转速，电机转速暂按同步转速计算，可得到电机额定输出转矩T1为：

T1=9550P/n=1.91 Nm （3）

根据技术要求，电传额定输出扭矩不小于600Nm，为充分保证扭矩，按电传额定输出扭矩T=650Nm计算，可得传动比i为：

i= T/T1=340.3 （4）

选择互相啮合的两个齿轮齿数差zd=z2-z1=z3-z4=4，双联齿轮的两个外齿轮齿数差ze=z1-z4=2，则固定齿轮齿数z2为：

（5）

经计算z2=55.1，z2取56。则与固定齿轮啮合的双联齿轮齿数为z1=z2-zd=52；与输出齿轮啮合的双联齿轮齿数为z=z1-ze=50；输出齿轮齿数为z3=z4+zd=54。最终传动比为：

i=z1z3/（z1z3-z2z4）=351 （6）

输出转矩为：

T=T1×i=670.41N·m>600 N·m （7）

4. 控制设计

4.1 控制系统构成

为了能够在规定的时间内完成阀门的开关，同时避免出现过转矩导致的阀门卡滞，本文采用变频器结合位置传感器的控制方法对阀门的开关过程中的速度进行控制。控制系统的主接线图如图5所示。

在部分回转阀门的开关行程上，布置若干个位置传感器。位置传感器检测到阀门的转动位置后，将位置信号反馈到变频器控制模块（PLC模块），变频器控制模块根据位置信号向电装输出设定好的频率，从而控制电装在阀门各个行程过程中的转速。位置传感器的布置如图6所示。

位置传感器采用电感式接近开关。接近开关有三部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致震荡衰减，以致停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测目的。

4.2 控制原理

接近开关安装在电传动装置的定子屏蔽套上，当电传动装置接通电源时，电机开始起动，旋转盘也会随之转动，此时第一个接近开关不起作用。旋转盘会转到第二个接近开关位置，接近开关感应到旋转盘后，会将感应到的信号传递给控制系统的PLC，PLC会通过变频器提高电机的输入频率，达到增速的目的。当旋转盘继续转到第三个接近开关时，接近开关在感应到旋转盘后，会将感应到的信号传递给控制系统的PLC，PLC会通过变频器降低电机的输入频率，达到减速的目的。当旋转盘继续转到第四个接近开关时，接近开关在感应到旋转盘后，会将感应到的信号传递给控制系统的PLC，PLC会切断电源，达到停止的目的，这时完成开阀或关阀的整个过程。

由90?回转时间10s可知，由此旋转盘输出转速n2為1.5 r/min。减速器传动比为351，所以电机转速n1为526.5 r/min。由于电机输出转速与电机输入频率成正比，额定50Hz时电机设计额定转速1450r/min，因此电机要输出转速526.5r/min需要输入的频率为18.2 Hz。根据上述计算结果，初选各段频率为19Hz。

最终变频器在起动—加速—减速每段输出频率的确定，还取决于几个传感器之间的夹角，即每段的行程。因此，实际操作中应根据起动时间要求，结合传感器的布置位置，在参考初选频率的情况下确定最终的输出频率。DN125电动球阀电传动装置在各段的输出频率计算结果如表1所示，在90°行程内电动装置的动作时间为8.4s，满足小于10s的要求。

5. 结论

本文开展了DN125屏蔽电动球阀电动装置的结构方案设计，完成了电动装置电磁结构设计和起动性能计算，起动转矩倍数满足技术要求。完成了减速器所用齿轮的选型和减速比的计算，电动装置额定输出力矩大于阀门阻力矩。为了避免出现电动装置输出力矩较大导致的阀门卡滞现象，本文提出了采用变频器结合位置传感器，对阀门在90°开关过程中的转速进行调节的控制方法。利用该方法，对DN125屏蔽电动球阀电动装置的开关时间进行了计算，结果满足阀门动作要求。

参考文献：

[1] 陈世坤. 电机设计（第2版）. 北京：机械工业出版社，2000：10-12.

[2] 汤蕴璆 史乃. 电机学（第2版）. 北京：机械工业出版社，2005：196-197.

作者简介：

杨松，1985，男，辽宁省锦州人，硕士研究生，工程师，研究方向为核动力装置泵阀设计