一种水泵节能技术
——新型屏蔽套筒永磁调速器

李 超，杜阿秋，杨志刚

（水利部机电研究所，天津 301900）

在中国水利水电科学研究院“自供电智能装置及永磁调速水泵研发”项目的安排下，水利部机电研究所进行永磁调速水泵产品的开发。

据有关部门统计，全国水泵耗电量约占全国发电量的30%，目前很多运行时间长的系统中，压力、流量变化幅度较大，水泵的运行工况点偏离高效区，水泵以变流量调速运行（即水泵调速）替代原有的闸阀节流而获得显著的节能效益，引起人们的极大关注，因此，水泵必然成为全国调速节能的重点对象。

永磁调速器自2009年进入中国以来，发展速度并不快，以美国Magna技术为代表的产品虽然在一些水泵节能改造上获得了良好的效果，但在国内尚未得到普及应用。永磁调速器不能广泛推广使用主要是下面几个原因：①产品价格高；②改造过程复杂，不能实现批量的配套；③产品结构复杂，机械问题多；④产品没有实现标准化。

1 调节气隙盘式永磁调速器

目前市场上永磁调速器的主流产品为盘式永磁调节方式。盘式调节永磁转子安装在负载侧，导体转子安装在电机侧，导体转子与电机转速一致。如图1所示。

其工作原理是导体转子和磁转子可以自由地独立旋转，导体转子旋转时，导体转子与磁转子产生相对运动，交变磁场通过气隙在铜转子上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与永磁磁场相互作用，从而带动磁转子沿着与导体转子相同的方向旋转，结果在负载侧输出轴上产生扭矩，从而带动负载做旋转运动。通过调节磁转子和导体转子之间的气隙就可以控制传递扭矩的大小，从而获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速，实现负载转速的调节。产品的主要结构如图2所示。

1电机 2导体转子 3永磁转子 4轴承5气隙调节装置 6轴承支架 7联轴器 8负载

从结构的特点可看出，此结构需要将电机移动,使电机轴端距离负载轴端的距离增加至L,在电机和负载中间安装永磁调速器的零部件，包括导体转子、永磁转子和气隙调节装置。

电机连接的导体转子是一个笼状的旋转部件，悬出安装在电机轴上，电机在高速旋转情况下，对动平衡要求更高，永磁转子和气隙调节装置安装在靠近电机侧的轴承支座上，较重的永磁转子等部件悬出轴承支座一段距离，轴承支座的两个轴承的距离由于结构的原因，不能制造的很大，悬臂所产生的较大弯矩，作用在轴承支座的两个轴承上，因此轴承受力很大，另外永磁传动依靠的是导体转子和永磁转子之间气隙调节来传动的，导体转子和磁转子之间存在强大的磁场吸力，永磁转子和导体转子按照两组对称安装的，产生大小一样，力量相反的磁场力，调节装置需要克服这两个磁场力才能进行调节气隙，实现调速。

气隙调节的盘式永磁调速器的基本结构是由调速原理所决定的，采用这种结构设计后，一些制造商对设计细节、工艺要求和安装要求要点等很难完全掌握，导致在实际使用中造成了一些运行不稳定的现象发生。有些在高速运行下(通常1 500 r/min）导体转子和永磁转子严重不平衡，甚至“飞车”。图3～5是某厂水泵采用后的情况照片。

图3 永磁调整器飞出后电机轴弯曲

图4 永磁调整器飞出

图5 永磁调整器飞出后水泵轴的损坏

调节装置采用的螺旋凸轮的结构，导体转子和永磁转子的轴向力产生对凸轮和轴承影响，这部分零部件寿命短，出现了损坏。

图6 螺旋套筒内轴承的损坏

2 屏蔽套筒永磁调速器

为在水泵节能技术上推广使用永磁调速器，克服盘式永磁调速器的弊端，水利部机电研究所与天津吉玄节能技术有限公司共同开发一种新型屏蔽套筒永磁调速器。

屏蔽套筒永磁调速器是由有导体转子、永磁转子、磁屏蔽套及调节机构组成，其原理如下：

导体转子与永磁转子始终固定不动，调节机构与磁屏蔽套连接，通过调整磁屏蔽套遮盖永磁体面积大小控制磁场强弱，从而获得相应的传输扭矩和负载转速。如图7所示。

产品的主要结构如图8所示，导体转子安装在电机轴上，铜导体环是筒状结构，永磁转子直接与套在轴上的固定套相连，固定套上安装上位移调节机构，位移调节机构采用螺旋运动机构，螺杆转动带动了螺母和屏蔽套筒的移动。图9为屏蔽套筒完全不对永磁转子屏蔽，图10为屏蔽套筒部分对永磁转子屏蔽。图11为屏蔽套筒完全对永磁转子屏蔽状态。

图8

图9

图10

图11

产品在应用上的特点如下：

（1）安装永磁调速器可不移动电机，实现换下联轴器，直接安装永磁调速器。在设备改造方面为水泵设计人员和施工人员提供了方便。

（2）永磁转子和屏蔽套筒之间产生了磁场力，磁场力是这两个部件之间的内力，对负载轴和电机轴没有任何影响。

（3）屏蔽套筒采用的螺旋传动，相对运动速度极低，因此设计上没有轴承。避免了轴承可能产生的损坏。

（4）永磁转子和导体转子安装在负载轴和电机轴上，几乎没有悬臂部件，与联轴器安装基本形同。不会对负载和电机产生较大的弯矩，运转时没有过大的悬臂所产生的震动，进而发生事故。

（5）使用的转速可高于3 000 r/min，应用范围更广。

（6）产品可实现系列化、标准化和通用化。

（7）产品的零部件较少，易于维护保养。

3 总结

永磁调速器原理上采用不同技术，就会有不同的结构方案。调节气隙盘式永磁调速器，必然要求永磁转子这一较重的零部件悬出轴外很大一个距离，对轴承支座等要求更严酷承载能力，增加了设计、制造的难度，增大了设备在使用中出现安全问题的几率，不能实现本质安全。调节气隙盘式永磁调速器由于必须针对每个设备的具体情况进行设计，这样就无法实现永磁调速器的标准化、规范化，从而无法形成通用产品。

屏蔽套筒调节永磁调速器，永磁转子和导体转子不需要悬出轴外，这样可不需要电机和负载之间有相对较大的距离，只要换下原先连接采用的联轴器，即可安装这种新型的永磁调速器，调节屏蔽套筒不产生对负载和电机轴向力，这样就不需增加轴承支座，简化了设计，提升了本质安全的可靠性。由于固定了电机和负载相对位置，产品完全可以实现标准化、系列化、通用化。这种全新概念永磁调速技术具有带动永磁调速产业发展的主要条件，推广前景广阔。