屏蔽电泵用永磁测速装置的设计与试验验证

屏蔽电泵用永磁测速装置的设计与试验验证
张志莉;郭小佳;连长龙
【摘要】主要介绍一种新型全封闭永磁测速装置,应用在某核用高温高压屏蔽电泵上作为测速元件.它采用磁电式测量原理,磁体转动在线圈中产生感应信号,利用感应信号频率与转速良好线性关系,通过测量感应信号的频率得到转速;同时,根据其使用环境的特殊性,对其应用环境下的技术难点进行攻关,包括结构设计,关键技术,试验验证等.
【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2011(000)005
【总页数】3页(P15-16,18)
【关键词】高温高压;全封闭;永磁测速
【作者】张志莉;郭小佳;连长龙
【作者单位】佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002;佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002;佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002【正文语种】中文
【中图分类】TH78
0 引言
本文介绍的核用高温高压屏蔽电泵转子腔环境为高温、高压，带有辐射去离子水，额定温度150℃，额定压力15 MPa，为了保证电泵运转的可靠性，特选择永磁测
速发电机进行实时监测电泵转速。

目前，应用较为普遍的测速装置为测速发电机和光电编码器，但是主要应用在普通环境场所，不适合在高温高压等特殊环境中使用。

此次开发设计的全封闭永磁测速发电机转子要求与屏蔽电机转子轴相连接并同步旋转，实时监测屏蔽电机的转速，为我公司新研制项目，并已经成功申报国家专利。

以下主要介绍我公司新研制核级高温高压屏蔽泵用永磁测速装置的结构设计，关键技术，试验验证等。

1 设计
1.1 设计原理
全封闭永磁测速装置用于实时监测高温高压屏蔽电泵转速，提高电泵运转的可靠性。

它采用磁电式测量原理，磁体转动在线圈中产生感应信号，利用感应信号频率与转速良好线性关系，通过测量感应信号的频率得到转速。

输出信号关系：Ua=f(n)。

1.2 结构设计[1]
图1 测速装置结构图1-转子；2-上盖；3-有绕组定子铁心；4-带屏蔽套法兰顶盖；5-电连接器
1）结构描述。

测速发电机总体结构主要包括：转子、有绕组定子铁心、电连接器三部分。

其中测速电机转子轴与被测试屏蔽电动机转子轴伸采用锥面过盈连接、螺母锁紧结构；有绕组定子铁心装配在屏蔽电动机上盖腔内，并用一带屏蔽套法兰顶盖与上盖进行焊接密封，构成一次压力边界；电连接器与带屏蔽套法兰顶盖采用螺栓连接，金属铜平垫密封，构成二次压力边界。

测速装置结构，见图1。

2）关键技术。

为了保证测速装置能够在上述环境要求中正常工作，需要从以下几个关键技术进行攻关：（1）环境耐用材料选择。

测速发电机用永磁体内嵌实心转子体内，两侧用转子屏板焊接密封，以此保证永磁体与高温高压去离子水隔离。

正常工况下去离子水最高温度约150℃，电机事故工况下最高温度350℃；因此，
在选择永磁体材料时主要考虑永磁材料具有高温下抗退磁能力高及稳定性强的特性
[2]。

表1 4种永磁材料性能指标对比表永磁材料剩磁Br/T矫顽力bHc/(kA/m)内禀矫顽力iHc/（kA/m）最大磁能积（BH）max/（kJ/m3）温度系数αBr（20～100℃）/（%/℃）居里温度/℃钕铁硼钐钴铝镍钴铁氧体1.26 1.10 1.08 0.41
967 746 120 300 955 1600—325 310 240 85 32-0.12-0.03-0.02-0.18 350 850 850 450
通过表1对铁氧体永磁、铝镍钴永磁、钕铁硼稀土永磁、钐钴稀土永磁主要性能
指标的对比，我们选择了钐钴稀土永磁作为此次研制的首选材料。

（2）保证压力边界的密封无泄漏：要保证系统的可靠性，必须保证压力边界密封无泄漏。

带屏蔽套法兰为法兰与0.5 mm屏蔽套一体结构，屏蔽套与上盖采用氩弧焊焊接密封，
焊后进行氦质谱检漏、荧光无损检测及21.5 MPa水压试验合格，确保一次压力边界无泄漏。

为了保证二次压力边界无泄漏，在假设一次压力边界泄漏的事故状态下，必须保证电连接器内部能够承受事故工况350℃高温及15 MPa高压带辐射去离
子水的能力；必须保证外部铜垫密封的可靠性及螺栓的预紧能力。

对螺栓强度进行了校核，并对密封结构进行了26 MPa水压试验。

保证二次压力边界无泄漏。

（3）降低温度变化对输出特性的影响。

实际上，测速发电机的输出特性不是严格的呈线性特性，实际特性与要求的线性特性间存在一定的误差。

作为高温高压屏蔽电泵的测速装置，首先要考虑温度变化对输出特性的影响要小。

直流测速发电机Ua=f(n)为线性关系的条件之一就是励磁磁通为常数。

电机周围环境温度的变化以及电机本身发热都会引起电机电阻的变化。

当温度升高时，励磁绕组电阻增大，励磁电流减小，磁通也随之减小，输出电压就降低。

反之，当温度下降时，输出电压就升高。

为了减小温度变化对输出特性的影响，采取措施之一就是将测速电机的磁路设计的比较饱和。

因为磁路饱和后，励磁电流变化对磁通变化较小[3]。

（4）提高测速装置可靠性。

为了保证测速装置输出信号可靠性，我们对定子绕组铁芯设计了相互独
立的三组线圈，并与三个电连接器分别连接，能够独立输出电压信号。

这样电泵在运行过程中，一组线圈输出信号，另外两组备用，能够充分保证输出测速信号的能力，从而保证电泵的可靠性。

2 试验验证
现永磁测速装置已经进行了各项测试试验及输出信号测试。

2.1 试验设备及仪器
高温高压屏蔽电泵（包括测速电机部分）、500 V兆欧表、功率仪、变频器（变频范围0～100 Hz）、转速仪（测量范围不小于3 600 r/min）。

2.2 主要试验项目及结论
1）屏蔽电泵21.5 MPa水压试验。

主要测试上盖带屏蔽套法兰与顶盖焊缝承压能力，保证一次压力边界密封无泄漏，试验合格。

2）测速发电机绝缘电阻测试。

水压试验前后检测三相线圈对地及机壳绝缘电阻大于100 MΩ，测试合格。

3）输出信号电压幅值及波形测试。

此项试验为该全封闭永磁测速发电机的考核试验，要求三组线圈能够独立输出稳定的电压波形，并且在电动机额定频率50 Hz时，输出
电压峰峰值≥35 V。

试验中应用功率仪输出电压波形信号，转速仪实时监测实际转速，利用变频器调节屏蔽电动机频率以改变转速。

其中一组线圈实测数据，见表2，输出电压波形，见图2～图5。

电压有效值-频率曲线，见图6、转速-频率曲线，
见图7。

表2 输出信号实测数据电源输出频率/Hz实测转速/（r/min）电压有效值/V电压峰峰值/V波形图60 50 40 31.5 25 20 15 12.5 10 8 6 5 3 598 2 999 2 399 1 889 1 499 1 199 899 749 599 479 359 299 30.6 25.6 20.4 16.1 12.8 10.3 7.8 6.1 5.3 4.3 3.4 2.9 86.6图2 72.4图3 57.6图4 45.6图5 36.2—29.2—22—17.2—15—12.2—9.6—8.2—
图2 60Hz电压波形
图3 50Hz电压波形
图4 40 Hz电压波形
图5 31.5 Hz电压波形
图6 W1-W2电压有效值-频率曲线
图7W1-W2转速-频率曲线
3 结束语
本文设计的全封闭永磁测速发电机能够满足耐高温高压核用环境要求；具有三个独立信号通道、具有可靠稳定的输出和准确的测量转速的特性，并且三个通道均独立准确输出，互不干扰；被测试屏蔽电动机额定运转时输出电压信号的峰值大于30 V，可以满足测速电机的设计要求。

参考文献
【相关文献】
[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].第3版.北京：机械工业出版社，2004.
[2]张文海，徐丽.直流低速测速发电机纹波系数测试讨论[J].微特电机，2007（5）：55-59.
[3]辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社,2001.。