立式高速泵中電磁軸承的應(yīng)用研究

劉磊

【摘 要】應(yīng)用了電磁軸承的高速泵可以有效克服傳統(tǒng)高速泵的缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)速低、噪大、壽命短等。電磁軸承可以避免高速泵出現(xiàn)軸承失效的情況，延長高速泵使用時(shí)間，將其應(yīng)用于高速泵中可以提高高速泵的運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性，提高揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速。文章簡單分析立式高速泵中電磁軸承的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】立式高速泵 電磁軸承 應(yīng)用實(shí)踐

電磁軸承具有傳統(tǒng)滑動軸承、滾珠軸承等不可比擬的優(yōu)勢，它利用磁力作用把轉(zhuǎn)子懸浮在空間中，轉(zhuǎn)子與定子間并無接觸的一種軸承。因?yàn)殡姶泡S承沒有機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會大大提高，使用壽命長、能耗較低、磨損量小、無油污染等優(yōu)勢，在超凈、真空及高速場合中尤為適用。本文從電磁軸承的安裝結(jié)構(gòu)以及性能上進(jìn)行分析。

1 電磁軸承的安裝結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 電磁軸承的安裝結(jié)構(gòu)

把立式高速泵中的傳統(tǒng)軸承改換為永磁混合電磁軸承，泵中的增速機(jī)也改為立式安裝，其結(jié)構(gòu)的形式是軸承兩極傳動，其中主軸使用電磁軸承。

1.2 安裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

立式高速泵中運(yùn)用電磁軸承解決了兩大問題：軸承密封性和軸承不會再限制高速泵轉(zhuǎn)速，防止軸承出現(xiàn)失效等問題。同時(shí)，立式高速泵的使用期限大大延長，有無摩擦、軸承無接觸、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)。

2 電磁軸承工作原理分析

在轉(zhuǎn)子無擾動的時(shí)候，磁鐵產(chǎn)生磁場吸力情況下，轉(zhuǎn)子懸浮在中間位置。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)具有對稱性，永磁磁通在轉(zhuǎn)子左右的氣隙也是對等的，所以轉(zhuǎn)子在磁極處的吸力是一樣的。右擾動干擾平衡位置中的轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)子會向右移動，軸承的氣隙出現(xiàn)變化，左右氣隙的磁通也發(fā)生了改變，此時(shí)傳感器能夠檢測出轉(zhuǎn)子發(fā)生的位移，位移信號也成了控制信號，控制信號在功率放大器作用下轉(zhuǎn)變成徑向和軸向控制線圈所產(chǎn)生的電流，電流控制繞組會在磁鐵貼心內(nèi)部產(chǎn)生磁通控制力，和用磁力相加，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定懸浮在空間中。

3 阻尼特性與剛度

由此可知，在閉環(huán)結(jié)構(gòu)下，位移和力之間的關(guān)系是動態(tài)變換的，表示為頻率函數(shù)，也關(guān)系到控制器參數(shù)。

4 電磁軸承在立式高速泵中的應(yīng)用分析

4.1 明確應(yīng)用范圍

為了進(jìn)一步證明電磁軸承的實(shí)際應(yīng)用性，以GL型立式高速泵為例，其揚(yáng)程是191m，流量是3m3/h，電機(jī)功率是15kW，轉(zhuǎn)速是6000/分，葉輪的出口寬度是0.015m，葉輪的直徑是0.14m，以此來研究電磁軸承設(shè)計(jì)參數(shù)。傳統(tǒng)開式葉輪的軸向力趨近于零，所以將研究重點(diǎn)放在徑向力上。按照徑向力公式可以得知F（剛度）=275N。立式高速泵的設(shè)計(jì)要求是Fxmax=Fymax=275N，磁感應(yīng)度B為1T，氣隙是0.4m，永久磁鐵以稀土永磁材料為原料，控制線圈使用漆包線，直徑確定為0.063mm。在電磁軸承設(shè)計(jì)時(shí)，Sxy≥550mm，以確保徑向電磁力充足。

4.2 氣蝕

氣蝕對高速泵的害處較大。高速泵出現(xiàn)氣蝕的時(shí)候，氣泡連續(xù)發(fā)生破裂，并伴隨著強(qiáng)烈的水擊，葉輪的速度被改變，腐蝕過流物件，降低高速泵使用性能，揚(yáng)程也隨之降低，噪聲以及振動加大。避免高速泵發(fā)生氣蝕的條件為：

式子中：P0代表低壓電壓力；ρg和Pva代表在相應(yīng)溫度情況下，輸送流體的蒸汽壓力；ρg代表輸送流體的密度；NPSHR代表氣蝕余量，由上述式子得知：高速泵不出現(xiàn)氣蝕情況，第一，提高可以使用的氣蝕余量；第二，降低必需氣蝕余量。氣蝕余量和環(huán)境、裝置有關(guān)，和轉(zhuǎn)速無關(guān)，提高高速泵的安裝高度或者減少吸入損失等方式均可以增加氣蝕余量。

4.3 轉(zhuǎn)速

電磁軸承安裝后，軸承將不會再限制轉(zhuǎn)速，改善了高速泵的使用效率，提高了轉(zhuǎn)速。但轉(zhuǎn)速提高之后，又產(chǎn)生了新的問題。轉(zhuǎn)速超過6000r/分時(shí)，增速機(jī)就會出現(xiàn)噪聲、振動等問題，影響其耐磨量以及使用壽命，所以高速泵的轉(zhuǎn)速超過合理范圍后，不但不能提高效率，反而會降低效率，這是因?yàn)槿~輪的磨損和侵蝕造成的，高速泵的性能出現(xiàn)惡化，需要改善葉輪現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。葉輪外圓速度決定了立式高速泵的揚(yáng)程，擴(kuò)散管喉部面積決定了流量，在特定條件下，流速可以決定流量。電磁軸承安裝之后，提高了泵轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程，增加了泵流量。

5 立式高速泵中電磁軸承的應(yīng)用問題

電磁軸承零部件多，控制系統(tǒng)復(fù)雜，要合理安排部件安裝過程，綜合考慮多種因素，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。當(dāng)前，電磁軸承承載力低，徑向力較大的高速泵中應(yīng)用電磁軸承，其穩(wěn)定性會大打折扣。當(dāng)電磁軸承處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，不平衡荷載以及瞬態(tài)沖擊的情況也會影響電磁軸承。

6 結(jié)語

安裝電磁軸承之后，進(jìn)一步彌補(bǔ)了高速泵的缺陷。電磁軸承克服了機(jī)械密封性頻繁出現(xiàn)故障、軸承失效、軸承磨損嚴(yán)重等問題，文章對電磁軸承的安裝結(jié)構(gòu)、阻尼特性、剛度特性進(jìn)行簡要分析，闡述了電磁軸承的應(yīng)用，所表現(xiàn)出來的穩(wěn)定性較好，揚(yáng)程較高。

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