臥式永磁調速器的缺陷及解決方案

崔新房，尤德峰，馬占峰，競劍鋒，錢惠明

（寧波鋼鐵有限公司，浙江寧波 315807）

前言

某鋼鐵企業余熱鍋爐中壓給水泵在生產運行中，常年處于變負荷狀態。為了降低能耗，采用增加永磁調速器的方法對中壓水泵進行技術改造，使中壓水泵隨著負荷的變化而改變電動機的轉速，實現節能的目的，調速器的安裝示意圖見圖1。

圖1 調速器的安裝示意圖

1 永磁調速器的工作原理

永磁調速器主要由兩部分組成：一是連接在電動機輸出軸的導體盤，二是連接負載的永磁轉子。導體盤與永磁轉子之間有一定長度的氣隙，沒有傳遞扭矩的機械連接。電動機與工作機之間形成磁連接，通過調節氣隙的大小來實現工作機軸扭矩、轉速的變化，永磁調速器轉矩傳遞結構圖見圖2。

圖2 永磁調速器結構圖

在運行過程中，電動機通過傳動軸帶動導體盤旋轉，永磁轉子與導體盤的相對運動產生了渦電流，進而產生了感應磁場。在磁場力的作用下帶動永磁轉子旋轉，永磁轉子通過從動軸帶動負載水泵旋轉［1］。

為了滿足變工況的生產要求，永磁調速器上設置了一套調速機構，調速機構根據負載負荷的要求，調節永磁轉子葉片1 和葉片2 沿軸向運動。通過改變永磁轉子與導體盤之間的氣隙來調節感應磁場力的數值，從而相應改變磁場輸出旋轉扭矩的數值，使永磁調速器產生一個可控的、變化的輸出轉速來滿足給水泵輸出量的變化。

2 存在的問題

根據《電氣裝置安裝工程旋轉電機施工及驗收標準》（GB 50170-2018）的技術要求，電動機的最大允許振動值為2.8 mm/s，而設備安裝完成后，實測的振動值嚴重超標，具體數值見表1。

表1 電動機的實測振動值 mm/s

針對該問題，現場首先對電動機、水泵及永磁調速器進行了多次重新找正安裝，在排除安裝誤差超標的可能性后，由設備廠家技術人員對調速器本體設備相關部件的安裝精度進行重新調整。調整完成后再次進行安裝調試，電動機的振動值仍無法達到技術要求。

為了進一步分析振動產生的原因，現場通過降低電動機轉速觀察振動值變化，結果發現電動機的振動值隨轉速的降低出現明顯下降。電動機的額定轉速為2 980 r/min，但當轉速降低到1 500 r/min時，振動值降到電動機允許范圍內。經過對現場調試情況進一步分析研究后，初步認為該永磁調速器的結構可能存在問題，不適合高速旋轉的場合。

3 原因分析及解決方案

原設計中壓給水泵與電動機通過聯軸器直接連接，聯軸器的質量較小，由電動機輸出軸和給水泵的輸入軸共同承擔，在高速旋轉的過程中，所產生的離心力和由離心力所引起的振動值很小，能夠保證電動機和給水泵的平穩運行。

改造后，在給水泵與電動機之間增加了一套臥式永磁調速器，永磁調速器的永磁轉子通過底座固定安裝在基礎上，具有固定支撐點，永磁轉子的固定支撐點能夠克服永磁轉子在高速旋轉時由永磁轉子離心力所引起的振動，所以，在高速旋轉時，由永磁轉子所引起的振動值較小，不會引起給水泵的振動值超標。而永磁調速器的導體盤直接懸臂安裝在電動機的輸出軸上，導體盤的質量全部由電動機的輸出軸承擔。所選用的電動機在設計時只考慮了聯軸器的質量，沒有考慮調速器導體盤的質量，且導體盤的質量遠大于聯軸器的質量，導體盤的附加質量載荷使電動機輸出軸產生位移變量，在高速旋轉時所產生的離心力急劇增加，引起電動機的振動值急劇增加［2］。

該永磁調速器的型號為WF-TM470，調速器的轉子直徑為470 mm，傳動功率185 kW，根據設備隨機安裝資料《空冷型永磁調速器安裝與使用手冊》，調速器附加在電動機上的靜載荷為432 kg，動載荷為520 kg，導體盤所產生的離心力計算見公式（1）。

式中：F——導體盤所產生的離心力，N；

m——導體盤的質量，kg；

r——導體盤旋轉時質量中心的偏移半徑，m；

ω——導體盤旋轉角速度，rad/s；

n——導體盤的瞬時轉速，r/s。

由于導體盤的質量遠大于聯軸器的質量，所以，由導體盤所產生的離心力遠大于由聯軸器所產生的離心力。同時，在導體盤質量不變的情況下，電動機的轉速從1 500 r/min 增加到3 000 r/min，離心力將增加到原值的4 倍，振動值也會隨著離心力的增加而急劇增大，進而引發電動機振動嚴重超標。

考慮到電動機的振動主要是由于懸臂安裝在電動機輸出軸上的導體盤質量在高速旋轉時產生的巨大離心力引起的，經過分析論證后決定在導體盤側再增加一個支撐點，對永磁調速器采用雙支撐的結構形式（即對導體盤和永磁轉子各設置一個支撐底座）。導體盤支撐在自身的底座上，再通過聯軸器連接到電動機的輸出軸上，消除導體盤因自身的重力作用引起的偏心，降低離心力引起的劇烈振動。改造后的永磁調速器安裝示意圖見圖4。

改造后電動機的振動值明顯減小，達到了設計要求，實現了電動機平穩運行的目的。電動機的實測振動值見表2。

表2 改造后電動機的振動實測值 mm/s

圖3 改造后的安裝示意圖

4 結語

通過對永磁調速器電動機振動超標的原因分析，可知常規的臥式永磁調速器僅適用于轉速低于1 500 r/min 的低速場合，在高速運轉設備上使用時必須采用雙支撐的調速器。