卧式永磁调速器的缺陷及解决方案

2023-12-21崔新房尤德峰马占峰竞剑锋钱惠明

冶金动力 2023年6期

关键词：离心力给水泵调速器

崔新房，尤德峰，马占峰，竞剑锋，钱惠明

（宁波钢铁有限公司，浙江宁波 315807）

前言

某钢铁企业余热锅炉中压给水泵在生产运行中，常年处于变负荷状态。为了降低能耗，采用增加永磁调速器的方法对中压水泵进行技术改造，使中压水泵随着负荷的变化而改变电动机的转速，实现节能的目的，调速器的安装示意图见图1。

图1 调速器的安装示意图

1 永磁调速器的工作原理

永磁调速器主要由两部分组成：一是连接在电动机输出轴的导体盘，二是连接负载的永磁转子。导体盘与永磁转子之间有一定长度的气隙，没有传递扭矩的机械连接。电动机与工作机之间形成磁连接，通过调节气隙的大小来实现工作机轴扭矩、转速的变化，永磁调速器转矩传递结构图见图2。

图2 永磁调速器结构图

在运行过程中，电动机通过传动轴带动导体盘旋转，永磁转子与导体盘的相对运动产生了涡电流，进而产生了感应磁场。在磁场力的作用下带动永磁转子旋转，永磁转子通过从动轴带动负载水泵旋转［1］。

为了满足变工况的生产要求，永磁调速器上设置了一套调速机构，调速机构根据负载负荷的要求，调节永磁转子叶片1 和叶片2 沿轴向运动。通过改变永磁转子与导体盘之间的气隙来调节感应磁场力的数值，从而相应改变磁场输出旋转扭矩的数值，使永磁调速器产生一个可控的、变化的输出转速来满足给水泵输出量的变化。

2 存在的问题

根据《电气装置安装工程旋转电机施工及验收标准》（GB 50170-2018）的技术要求，电动机的最大允许振动值为2.8 mm/s，而设备安装完成后，实测的振动值严重超标，具体数值见表1。

表1 电动机的实测振动值 mm/s

针对该问题，现场首先对电动机、水泵及永磁调速器进行了多次重新找正安装，在排除安装误差超标的可能性后，由设备厂家技术人员对调速器本体设备相关部件的安装精度进行重新调整。调整完成后再次进行安装调试，电动机的振动值仍无法达到技术要求。

为了进一步分析振动产生的原因，现场通过降低电动机转速观察振动值变化，结果发现电动机的振动值随转速的降低出现明显下降。电动机的额定转速为2 980 r/min，但当转速降低到1 500 r/min时，振动值降到电动机允许范围内。经过对现场调试情况进一步分析研究后，初步认为该永磁调速器的结构可能存在问题，不适合高速旋转的场合。

3 原因分析及解决方案

原设计中压给水泵与电动机通过联轴器直接连接，联轴器的质量较小，由电动机输出轴和给水泵的输入轴共同承担，在高速旋转的过程中，所产生的离心力和由离心力所引起的振动值很小，能够保证电动机和给水泵的平稳运行。

改造后，在给水泵与电动机之间增加了一套卧式永磁调速器，永磁调速器的永磁转子通过底座固定安装在基础上，具有固定支撑点，永磁转子的固定支撑点能够克服永磁转子在高速旋转时由永磁转子离心力所引起的振动，所以，在高速旋转时，由永磁转子所引起的振动值较小，不会引起给水泵的振动值超标。而永磁调速器的导体盘直接悬臂安装在电动机的输出轴上，导体盘的质量全部由电动机的输出轴承担。所选用的电动机在设计时只考虑了联轴器的质量，没有考虑调速器导体盘的质量，且导体盘的质量远大于联轴器的质量，导体盘的附加质量载荷使电动机输出轴产生位移变量，在高速旋转时所产生的离心力急剧增加，引起电动机的振动值急剧增加［2］。

该永磁调速器的型号为WF-TM470，调速器的转子直径为470 mm，传动功率185 kW，根据设备随机安装资料《空冷型永磁调速器安装与使用手册》，调速器附加在电动机上的静载荷为432 kg，动载荷为520 kg，导体盘所产生的离心力计算见公式（1）。

式中：F——导体盘所产生的离心力，N；

m——导体盘的质量，kg；

r——导体盘旋转时质量中心的偏移半径，m；

ω——导体盘旋转角速度，rad/s；

n——导体盘的瞬时转速，r/s。

由于导体盘的质量远大于联轴器的质量，所以，由导体盘所产生的离心力远大于由联轴器所产生的离心力。同时，在导体盘质量不变的情况下，电动机的转速从1 500 r/min 增加到3 000 r/min，离心力将增加到原值的4 倍，振动值也会随着离心力的增加而急剧增大，进而引发电动机振动严重超标。

考虑到电动机的振动主要是由于悬臂安装在电动机输出轴上的导体盘质量在高速旋转时产生的巨大离心力引起的，经过分析论证后决定在导体盘侧再增加一个支撑点，对永磁调速器采用双支撑的结构形式（即对导体盘和永磁转子各设置一个支撑底座）。导体盘支撑在自身的底座上，再通过联轴器连接到电动机的输出轴上，消除导体盘因自身的重力作用引起的偏心，降低离心力引起的剧烈振动。改造后的永磁调速器安装示意图见图4。

改造后电动机的振动值明显减小，达到了设计要求，实现了电动机平稳运行的目的。电动机的实测振动值见表2。