蒸發(fā)冷卻電機(jī)用磁脂密封的研究
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盧尚斌1，張禹2，李雙喜2，王 陽2，王驍2
（1．湘潭電機(jī)股份有限公司特種電氣事業(yè)部，湖南湘潭411101；2．北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）
[摘要]磁脂密封作為一種新型的密封形式，在蒸發(fā)冷卻電機(jī)中的應(yīng)用有著廣泛的前景和研究意義。本文研制了適合于蒸發(fā)冷卻工藝的電機(jī)磁脂密封裝置，對磁脂密封的承壓能力進(jìn)行理論研究和試驗驗證，證明了該裝置實際的密封效果，研究了與磁脂密封承壓能力密切相關(guān)的因素，并分析該結(jié)構(gòu)的功耗公式和溫升影響因素，從試驗角度驗證了軸轉(zhuǎn)速對溫升有較大的影響，轉(zhuǎn)速越高，磁脂溫升速度越快，最終穩(wěn)定下來的溫度也越高：根據(jù)以上工作，提出了一些減小磁脂溫升的方法。
[關(guān)鍵詞]磁脂；密封；蒸發(fā)冷卻電機(jī)
[中圖分類號] TM301 [文章編號]1000-3983(2016)03-0019-05
0 引言
對于石化行業(yè)用機(jī)械、塑料擠出、橡膠硫化機(jī)械以及船用機(jī)械等而言，所用電機(jī)一般尺寸較大，將蒸發(fā)冷卻工藝應(yīng)用于大型電機(jī)上，可以實現(xiàn)更為精簡的結(jié)構(gòu)體積、較少的制造成本和高效的工作效率。該技術(shù)的應(yīng)用對提高大型電機(jī)技術(shù)、實現(xiàn)裝備國產(chǎn)化有重大的意義。
氟碳化合物作為實現(xiàn)蒸發(fā)冷卻工藝中的冷卻液，具有揮發(fā)性強(qiáng)，極易泄漏等特點，因此對密封提出了較高的要求。各類傳統(tǒng)密封在電機(jī)中的應(yīng)用各有利弊：填料密封結(jié)構(gòu)簡單，但密封能力有限，使用壽命短，并且當(dāng)定期更換填料時，會引起裝配等一系列相關(guān)復(fù)雜問題；機(jī)械密封具備良好的密封性能，密封承壓能力高，但對于大直徑電機(jī)來說，機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)過于龐大，裝配關(guān)系十分復(fù)雜，裝配精度難以得到保證；刷式密封難以徹底解決泄露的問題。
而磁脂密封具有密封結(jié)構(gòu)簡單、密封功耗小、零泄漏、能應(yīng)用于較高轉(zhuǎn)速工況且相比傳統(tǒng)磁性流體密封具有耐高溫性以及高承壓性等優(yōu)點，因此對該密封形式在蒸發(fā)冷卻電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，具有較大的實際意義。
1 蒸發(fā)冷卻電機(jī)和磁脂密封的工作原理
液體介質(zhì)汽化會吸收熱量，與比熱容導(dǎo)熱相比，該方式可以成倍地提高傳熱效率，蒸發(fā)冷卻工藝正是基于這一理論實現(xiàn)工作的。冷卻液體進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，接觸電機(jī)導(dǎo)體部分，隨著冷卻液體不斷吸收導(dǎo)體熱量，其自身溫度也不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定溫度時，冷卻液體汽化并帶走熱量，冷卻電機(jī)。
磁流體密封基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由永磁體、磁極、聚磁結(jié)構(gòu)（又稱極靴）和轉(zhuǎn)軸組成。
其中永磁體為硬磁材料，磁極、極靴和轉(zhuǎn)軸為軟磁材料。磁極與轉(zhuǎn)軸之間的間隙稱為密封間隙，密封間隙內(nèi)充入磁脂。磁脂是一種對磁場十分敏感的膠狀磁性材料，由一定比例的基液、磁陛顆粒和表面活化劑組成。永磁體產(chǎn)生的磁場經(jīng)過磁極、極靴、密封間隙和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成磁回路，由于磁場作用，磁脂聚集在極靴下的密封間隙處，形成環(huán)狀液體實現(xiàn)密封。如圖2所示，在無密封介質(zhì)壓力時，磁脂沿著磁感應(yīng)線的方向聚集在磁場最強(qiáng)的位置；在磁脂密封正常工作過程中，受兩側(cè)壓差作用，截面形狀發(fā)生改變，磁脂偏離磁場強(qiáng)度最大處；隨著壓差增大達(dá)到一定程度，磁脂在密封介質(zhì)壓力作用下破裂，導(dǎo)致密封介質(zhì)泄漏。
2 蒸發(fā)冷卻電機(jī)用磁脂密封裝置
針對電機(jī)模型的殼體和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，考慮原有的安裝空間，在不改變殼體和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的情況下，提出了蒸發(fā)冷卻電機(jī)模型的磁脂密封結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，該結(jié)構(gòu)緊湊簡單，加工制造方便可行。通過實際的制造和安裝及在蒸發(fā)冷卻電機(jī)中的運轉(zhuǎn)，證明該結(jié)構(gòu)方案的可行性和實用性。同時該結(jié)構(gòu)也考慮了實際工況中的蒸發(fā)劑對磁脂的沖刷作用，并采用了封液板加排液孔的結(jié)構(gòu)防止液體對磁脂直接沖刷，提高了密封的可靠性。此外，為了防止磁脂的長期損耗或其他原因突然損失，密封裝置設(shè)置了補(bǔ)脂口以及相應(yīng)的補(bǔ)脂系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3磁脂密封承壓能力分析
與磁流體密封相似，磁流體密封的性能與其極限承壓能力、泄漏、使用壽命、功率損失、極限真空度和濺射特性等能力有關(guān)，而實際情況中，因磁脂蒸發(fā)、沉淀等原因造成密封失效的情況較少，主要破壞原因是密封壓差過高，沖破密封環(huán)的同時帶走大量磁脂，以致無法恢復(fù)承壓能力，從而造成磁脂密封的失效�？梢�，磁脂密封的承壓能力對磁脂密封的性能有至關(guān)重要的作用。
在不考慮基液密封能力和磁脂重力的情況下，旋轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)下的磁脂密封的承壓公式為：
簡化上式，右側(cè)第二項表示磁脂自身旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，對磁脂密封承壓能力影響較小，可以忽略；右側(cè)第三項與第一項相比非常小，也可以忽略；經(jīng)實際證明，可以用磁脂的飽和磁化強(qiáng)度M代替上面的磁化強(qiáng)度，因為密封結(jié)構(gòu)中的外加磁場很強(qiáng)，磁脂完全處于飽和磁化的狀態(tài)：
另外，再考慮磁脂基液自身的承壓能力，實際磁脂密封承壓公式為：
由理論公式可知，磁脂的飽和磁化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度差和基液承壓能力決定了磁脂密封的承壓能力。優(yōu)秀的制配方法可以提高磁脂的飽和磁化強(qiáng)度和基液承壓能力，并可以通過專門儀器進(jìn)行測量。磁脂密封結(jié)構(gòu)直接影響磁感應(yīng)強(qiáng)度差，但該值難以通過現(xiàn)有儀器測量得到。通過ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到較為準(zhǔn)確的不同結(jié)構(gòu)下的磁場情況。
按照ANSYS有限元分析方法，選用2D單元PLANE53建模，劃分網(wǎng)格并賦予材料屬性，包括永磁體、磁極、極靴、轉(zhuǎn)軸、磁脂和空氣。其中永磁體材料為汝鐵硼，矯頑力為8.76×105A/m，相對磁導(dǎo)率為1.05；磁極、極靴和轉(zhuǎn)軸材料為45號鋼，相應(yīng)的磁化曲線;磁脂的導(dǎo)磁率略高于空氣，但在分析時為了簡化處理，以空氣磁導(dǎo)率代替，相對磁導(dǎo)率為1。在求解器中對模型施加邊界條件并求解，模擬磁極、轉(zhuǎn)軸以及間隙的磁場情況，得到磁力線分布，磁場強(qiáng)度和磁通密度分布云圖。
由圖5可知，磁力線集中于極靴下的密封間隙處，磁力線的集中程度代表了結(jié)構(gòu)的密封能力大小。此外，密封間隙也是結(jié)構(gòu)中磁場強(qiáng)度和磁通密度的最強(qiáng)處，因此磁性流體可以吸附并充滿密封間隙，實現(xiàn)密封。
由于磁脂的失效主要發(fā)生在密封間隙，其作為磁脂密封結(jié)構(gòu)中除靜密封點以外的主要介質(zhì)泄漏通道，是影響密封性能的關(guān)鍵部位，也是磁回路磁阻的主要來源。密封間隙對磁脂密封裝置承壓能力有著重要的影響，因此需要研究不同密封間隙下的磁場分布。
經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，隨著密封間隙的減小，密封間隙處的磁通密度梯度逐漸增加，相應(yīng)的密封承壓能力越好。不同密封間隙對應(yīng)的磁通密度梯度見表1。
4 磁脂密封溫升分析
對溫度的控制是磁脂密封要解決的重點問題之一，在保證密封能力的前提條件下，控制轉(zhuǎn)軸工作溫度維持在允許范圍內(nèi)。同樣，磁脂密封的特點也決定了該種結(jié)構(gòu)的溫度不宜過高，溫度過高就會導(dǎo)致永磁體的退磁，磁脂在壓力作用下被吹破，造成泄露，密封失敗。
在電機(jī)運轉(zhuǎn)過程中，功率會在電機(jī)密封處發(fā)生損耗，進(jìn)而引起密封結(jié)構(gòu)的溫升。密封功耗產(chǎn)生的根本原因是磁脂的黏滯阻力產(chǎn)生的阻力矩。磁脂密封中的阻力矩與損耗可以分為兩部分，即基本阻力矩與損耗和附加阻力矩與損耗。由于磁脂自身粘度引起的粘滯阻力矩與粘滯損耗稱為磁脂密封的基本阻力矩與損耗。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，計算密封處的阻力矩T及功率損耗P。
此外，由于磁場力作用引起磁脂粘度增大，也會增加密封的阻力矩與損耗。這部分由于磁場力而產(chǎn)生的粘滯阻力矩與粘滯損耗稱為附加阻力矩與損耗�？梢酝ㄟ^試驗的手段，對上述理論計算公式進(jìn)行修正，得到更接近實際的功率損耗值。
利用ANSYS軟件，采用2D單元PLANE55建立磁脂密封裝置的二維傳熱模型，并劃分網(wǎng)格。其中永磁體材料為汝鐵硼，導(dǎo)熱系數(shù)8.95W/m.℃，比熱0.5J/kg，℃；磁極、極靴和轉(zhuǎn)軸材料為45號鋼，導(dǎo)熱系數(shù)47.5W/m．℃，比熱465J/kg．℃。將上面求得的實際功率損耗P除以轉(zhuǎn)軸與磁極之間的體積，作為傳熱模擬中的生熱率Q，施加其余對流和溫度邊界條件，最后對該模型進(jìn)行數(shù)值求解，獲得磁脂密封結(jié)構(gòu)的溫度分布。
由模擬可知，因為磁脂粘度高、生熱大，密封裝置需要冷卻，且在循環(huán)冷卻水的作用下，磁極的溫度明顯低于轉(zhuǎn)軸的溫度。
5磁脂密封試驗運行
為驗證理論分析和模擬結(jié)果，對磁脂密封進(jìn)行試驗驗證，試驗內(nèi)容包括磁脂密封的靜密封承壓能力和動密封承壓能力試驗，以及一系列磁脂密封溫升的對比試驗。
承壓能力試驗方面，其試驗結(jié)果均滿足承壓0.1MPa的要求，動密封承壓能力與靜密封承壓能力基本類似。承壓試驗證明，隨著密封間隙增大，裝置承壓能力下降，這與模擬情況吻合。具體數(shù)據(jù)見表2。
從理論和試驗兩方面都可以證明：首先，相同設(shè)備參數(shù)情況下，磁脂密封的密封能力要優(yōu)于普通磁流體密封。其次，密封間隙增大時，磁脂密封的密封能力降低程度遠(yuǎn)小于普通磁流體密封，所以磁脂密封更適用于轉(zhuǎn)軸徑向跳動量大的情況，其應(yīng)用范圍也較普通磁流體密封更廣泛。由于磁脂具有高粘度，其摩擦產(chǎn)熱會更大，會對磁脂的正常使用產(chǎn)生一定程度的影響，但可以通過冷卻結(jié)構(gòu)對產(chǎn)熱問題進(jìn)行有效控制。
溫升試驗方面，繪制磁脂在不同轉(zhuǎn)速下的溫升曲線，如圖11和圖12所示。試驗中設(shè)定轉(zhuǎn)軸密封部位線速度為30m/s和37.5m/s，對不同速度參數(shù)下溫度變化曲線進(jìn)行對比。
試驗表明：隨試驗的進(jìn)行，磁脂的溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到一定溫度后，磨擦熱與通過結(jié)構(gòu)散出的熱量達(dá)到平衡，溫度不再變化。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速越高，磁脂溫升速度越快，運轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定程度時磁脂的溫度也越高，與理論分析相吻合。
從試驗和理論分析可以得知，磁脂的溫升與磁脂粘度、轉(zhuǎn)軸直徑和轉(zhuǎn)速、密封間隙及密封件的軸向長度等因素有關(guān)。因此，可以從以上幾個方面來控制磁脂的溫升，保證磁脂的密封性能和使用壽命。例如，在滿足密封承壓要求的前提下，選用粘度低的液體作為磁脂的基液，適當(dāng)減少密封的級數(shù)，適當(dāng)增大間隙等。
6結(jié)語
(1)磁脂密封具有很好的密封能力，能滿足蒸發(fā)冷卻電機(jī)的要求，且可以實現(xiàn)較大的徑向間隙。
(2)磁脂密封承壓能力與磁脂的飽和磁化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度差和基液的承壓能力有關(guān)。磁脂密封能力好于普通磁流體密封。
(3)磁脂溫升與磁脂的粘度、轉(zhuǎn)軸直徑和轉(zhuǎn)速、密封間隙及密封件的軸向長度等因素有關(guān)。
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