长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计

长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计摘 要长 输 管 道 无 损 内 检 测 爬 机 的 供 电 系 统 通 常 采 用 高 能 量 的 锂 电 池 组 ，并 专 门 安 放于 爬 机 的 电 池 舱 中 。因 爬 机 体 积 及 舱 体 节 数 所 限 ，锂 电 池 组 的 容 量 常 常 难 以 满 足 长距离检测的需要。本 文 对 现 行 长 输 管 道 无 损 检 测 爬 机 的 供 电 系 统 进 行 了 研 究 ，分 析 了 爬 机 的 机 械结 构 与 运 行 机 理 。设 计 了 推 动 发 电 机 运 转 的 转 矩 发 生 机 构 ，采 用 磁 耦 合 的 方 式 实 现爬 机 密 封 舱 内 外 转 矩 的 传 递 ，并 对 可 移 植 到 爬 机 自 发 电 系 统 的 汽 车 发 电 机 提 出 了 改造 的 方 案 ，用 永 磁 转 子 替 代 原 来 的 电 励 磁 转 子 ，可 更 大 限 度 地 节 省 供 电 系 统 的 能 耗 。设 计 了 发 电 机 输 出 的 三 相 交 流 电 的 整 流 、调 节 电 路 及 电 池 组 的 充 配 电 电 路 ，可 满 足对 爬 机 的 检 测 、计 算 机 等 单 元 供 电 及 对 电 池 组 充 电 的 要 求 。使 爬 机 完 成 长 距 离 检 测的任务。关 键 词 : 长输管道 爬机 自发电 电源 磁耦合I长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计AbstractThe power of the long-distance pipeline detected intelligent pig is usually suppliedby the high-octane Li-piles, which are specially emplaced in the battery cabin. Becauseof the limit of its bulk and the number of the cabin section, the capability of the Li-pilesgenerally cant meet the requirement of the long-distance detection.This study makes an empirical research on the power-supply system of the actualintelligent pig, analyzes the mechanism of the intelligent pig and examine-framework. Itdesigns the torque-generated framework, which drive the dynamotor work. By means ofthe magnetic coupling it brings to success the transfer of the torque between the insideand outside of the sealed cabin. Besides, it also brings forward a reconstructive projectof the motor generator, which is transplantable to the auto-generating electricity systemof the intelligent pig. Using the permanent magnet rotor instead of theelectricity-excitation rotor, it can farthest save the energy of the power supply. It devisesthe rectifying circuit, modulating circuit of the alternating current and the chargingcircuit of the pile. Thus this project can adequately meet the requirement of the detectingcell, the computer cell and the accumulators. Ultimately this system can make come truethe achievement of the long-distance detecting mission.Keywords: long-distance pipeline, intelligent pig, auto-generate, power supply,magnetic couplingII长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计目 录第一章 前 言 .11.1 长输管道无损内检测 的目的、意 义与课题来源 . 11.2 无损内检测爬机系统组 成及工作原理 . 11.3 自发电电源系统设计 意义及选题背景 . 31.3.1 设计意义. 31.3.2 选题背景. 31.4 设计的技术要求及预 期结果 . 31.4.1 技术要求. 31.4.2 预期结果. 4第二章 自发电电源系统基本结构及工作原理 .52.1 基本机构 . 52.2 工作原理 . 5第三章 自发电电源系统实现方案 .63.1 方案选择的原则 . 63.2 转矩传递方案的选择 . 63.3 发电机蓄电池充配 电方案的选择 . 73.4 总体框图 . 7第四章 转矩传递结构与磁路设计 .94.1 舱外主动部分设计 . 94.1.1 磁 性 材 料 的 选 择 . 94.1.2 磁路设计. 114.2 舱内从动部分设计 . 184.2.1 磁路设计. 184.2.2 变速装置. 18第五章 发电机选用及配置 .215.1 发电机的选用 . 215.2 发电机的改造设计方案 . 23第六章 蓄电池充配电电路设计 .25III长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计6.1 充电电路设计 . 256.1.1 蓄 电 池 充 电 方 法 . 256.1.2 蓄 电 池 充 电 电 路 设 计 . 266.2 配电电路设计 . 27第七章 结论与展望 .297.1 结论及技术经济分析 . 297.2 前景展望及待解决的问题 . 29参考文献 .30致 谢 .31附 录 1.32附 录 2.34声 明.36IV长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计第一章 前 言1.1 长输 管道无损内检测的目的、意义与课题来源长 输 管 道 在 输 送 液 体 的 过 程 中 ，其 内 壁 不 可 避 免 地 要 受 到 所 输 液 体 的 腐 蚀 ，因而 会 造 成 内 壁 各 种 各 样 的 缺 陷 。管 道 发 生 全 面 腐 蚀 后 ，表 现 为 整 个 壁 厚 减 薄 ，这 种减 薄 可 能 是 均 匀 的 ，也 可 能 是 非 均 匀 的 。当 发 生 局 部 腐 蚀 时 ，管 壁 局 部 位 置 壁 厚 减薄 。局 部 腐 蚀 常 常 造 成 管 道 穿 孔 泄 露 ，尤 其 是 对 一 些 年 久 的 管 道 更 为 严 重 。目 前 我国 的 长 输 管 道 大 部 分 已 服 役 了 二 十 多 年 ，管 道 因 腐 蚀 破 坏 造 成 的 穿 孔 频 繁 ，维 修 更新 率 比 较 高 。而 一 旦 发 生 泄 漏 ，不 只 是 经 济 上 的 巨 大 损 失 ，更 为 严 重 的 是 ，由 于 通常 长 输 管 道 都 深 埋 于 地 下 或 海 底 ，管 道 的 泄 漏 将 会 对 环 境 造 成 难 以 治 理 的 污 染 。因此 ，在 管 道 建 设 迅 速 发 展 的 同 时 ，如 何 保 证 管 道 的 安 全 运 行 也 成 为 越 来 越 重 要 的 问题，定期对管道内壁进行检测变得非常必要。无 损 内 检 测 通 过 各 种 检 测 方 法 ，针 对 管 道 壁 厚 的 变 化 来 进 行 测 量 分 析 ，进 而 确定 缺 陷 的 位 置 及 其 形 状 ，以 便 及 时 做 出 弥 补 措 施 ，防 患 于 未 然 ，才 符 合 可 持 续 发 展的战略思想。1.2 无 损内检测爬机系统组成及工作原理目前，在各种内腐蚀检测方法中，漏磁通检测法和超声检测法应用最为广泛。国 内 外 结 合 这 两 种 方 法 ，已 研 制 出 了 各 种 管 道 的 智 能 检 测 装 置 。随 着 爬 机 行 走 技 术的 逐 步 成 熟 ，爬 机 在 内 腐 蚀 检 测 中 已 经 成 为 主 流 装 置 ，是 对 输 油 管 道 进 行 在 役 检 测的 一 种 专 用 检 测 设 备 ，国 外 称 其 为 Intelligent Pig，是 一 种 无 缆 型 装 置 ，靠 管 道 内 的流体推动前进，主要由主机、数据处理系统和辅助设备组成 1 ，如 图 11 所示，图 11 智能检测爬机基本机构示意图1长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计目前，先进的管道智能检测系统全长 35 m，总 重 12 t ，在不停输送作业情 况 下 借 助 管 道 内 输 送 介 质 的 压 差 推 动 行 走 。借 助 于 高 精 度 的 漏 磁 或 超 声 传 感 器 阵列 ，先 进 的 信 号 处 理 和 数 据 存 储 系 统 ，配 以 精 密 的 机 械 结 构 使 它 可 以 检 测 出 管 道 内1mm 的 管 道 壁 厚 变 化 、腐 蚀 坑 、裂 纹 等 ，并 对 缺 陷 准 确 定 位 ，定 位 误 差 不 超 过 0.5m。利 用 地 面 解 释 、分 析 设 备 对 检 测 结 果 进 行 解 读 和 分 析 ，得 出 管 道 内 各 种 缺 陷和损伤状态参数的数据。（1）主 机 在 管 道 内 行 走 的 智 能 检 测 爬 机 部 分 为 主 机 。这 类 检 测 爬 机 是 一 个集机械、控制、检测于一体的高技术系统，通常机身为钢壳，外覆聚氨酯或橡胶，内部装有探头、电子仪器、动力装置等。爬 机 一 般 由 几 节 组 成 ，每 一 节 的 前 后 都 设 有 皮 碗 ，以 保 持 与 管 壁 之 间 的 恒 定 距离 和 密 封 。同 时 ，在 管 道 内 形 成 的 压 力 差 ，推 动 爬 机 在 管 道 内 前 进 。机 体 各 节 之 间用 万 向 轴 连 接 ，以 利 于 主 机 转 弯 。有 些 爬 机 外 部 还 带 有 叶 片 ，当 管 道 内 的 压 力 过 小时 ，可 张 开 叶 片 ，增 大 爬 机 推 力 ，使 爬 机 按 预 定 速 度 前 进 。有 些 爬 机 还 带 有 自 我 行走 机 构 ，整 机 可 在 管 道 内 做 竖 直 或 水 平 双 向 行 走 ，并 且 还 可 在 T 型管道内或阀门处行走。爬 机 的 第 一 部 分 为 电 池 舱 ，内 部 装 有 高 能 锂 电 池 ，主 要 对 爬 机 供 电 。其 前 端 还装 有 外 定 位 发 射 接 受 器 ，用 于 外 部 定 位 。第 二 部 分 为 计 算 机 舱 ，通 常 装 有 大 容 量 存储 器 ，可 以 对 检 测 器 实 施 自 动 控 制 ，对 数 据 进 行 传 输 、压 缩 和 记 录 。在 其 端 部 还 安装 有 三 个 里 程 轮 ，记 录 里 程 。第 三 部 分 由 电 子 仪 器 节 和 探 头 架 组 成 ，电 子 仪 器 节 是爬 机 的 发 生 器 室 ，内 装 有 超 声 波 发 生 器 、接 收 器 、测 量 单 元 和 微 处 理 器 等 ，主 要 向管 道 发 出 超 声 波 并 接 收 所 发 出 的 超 声 波 。探 头 架 是 检 测 爬 机 的 触 角 ，与 管 道 内 壁 直接吻合，上边装有超声探头或漏磁探头。（2）数 据 处 理 系 统 检 测 数 据 是 检 测 爬 机 工 作 的 核 心 内 容 ，它 包 括 管 壁 的 测厚 值 、管 内 油 温 值 、定 位 信 号 及 管 壁 的 变 形 量 等 ，爬 机 检 测 后 的 存 储 数 据 处 理 一 部分 由 爬 机 内 部 的 微 处 理 器 完 成 ，另 一 部 分 由 地 面 上 的 微 型 计 算 机 完 成 ，利 用 相 应 的系 统 软 件 可 以 对 检 测 到 的 数 据 进 行 处 理 解 析 ，并 生 成 图 形 ，以 便 确 定 缺 陷 的 位 置 及形状。（3）辅 助 设 备 超 声 检 测 系 统 辅 助 设 备 主 要 包 括 液 压 发 送 装 置 和 检 测 定 位 装置 。由 于 检 测 爬 机 尺 寸 长 、质 量 大 ，必 须 要 用 特 殊 的 液 压 发 送 装 置 才 能 将 停 放 在 托盘 中 的 爬 机 顶 入 发 球 筒 内 。检 测 定 位 系 统 由 内 定 位 和 外 定 位 组 成 2 。内 定 位 是 靠 爬2长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计机 的 里 程 轮 实 现 的 ，即 里 程 轮 每 旋 转 一 周 ，就 会 产 生 几 十 个 脉 冲 ，爬 机 的 内 定 位 装置 便 测 得 几 十 个 定 位 信 号 ，将 这 些 信 号 转 变 为 数 字 信 号 并 存 于 存 储 器 中 ，计 算 机 就可 以 根 据 这 些 脉 冲 数 计 算 出 里 程 轮 旋 转 的 周 数 ，进 而 确 定 爬 机 行 走 的 距 离 。外 定 位是 指 定 位 信 号 源 在 被 测 管 线 的 外 部 产 生 一 个 定 位 信 号 ，此 信 号 由 爬 机 接 受 并 作 为 标记 信 号 存 放 于 数 据 存 储 器 中 ，分 析 检 测 数 据 时 ，将 此 信 号 作 为 长 距 离 的 定 位 标 记 并对内定位进行校准。1.3 自 发电电源系统设计意义及选题背景1.3.1 设计意 义爬 机 的 电 池 仓 直 接 为 后 边 的 数 据 处 理 系 统 及 超 声 波 发 射 、接 收 装 置 供 电 ，是 爬机 正 常 工 作 的 前 提 条 件 ，其 供 电 的 持 久 性 和 稳 定 性 都 将 影 响 检 测 的 结 果 。目 前 主 要采 用 蓄 电 池 组 供 电 ，蓄 电 池 经 过 一 段 时 间 后 其 电 压 就 会 下 降 ，而 一 旦 蓄 电 池 的 电 压低 于 系 统 的 工 作 电 压 ，就 会 影 响 到 计 算 机 舱 和 电 子 仪 器 舱 的 正 常 工 作 ，因 而 会 给 测量 带 来 误 差 ，甚 至 停 止 工 作 。故 定 期 对 蓄 电 池 进 行 检 查 、充 电 非 常 必 要 ，这 对 于 长距离输送管道来说很不现实，也很不经济。如果在长输管道中运行的爬机可以自发电，这样就可以在蓄电池电压不足时，随 时 给 其 充 电 ，进 而 保 证 供 电 的 持 久 和 稳 定 。同 时 还 可 减 少 电 池 携 带 量 与 爬 机 体 积及 制 造 和 运 行 成 本 ，提 高 效 率 及 大 大 延 长 一 次 检 测 距 离 。有 关 这 项 研 究 到 目 前 为 止还未见报道。1.3.2 选题背景本 课 题 为 科 研 真 题 。为 中 国 石 油 化 工 集 团 公 司 长 输 管 道 无 损 检 测 系 统 预 研 究 子课题，课题经费 95 万。1.4 设计 的技术要求及预期结果1.4.1 技术要求（1） 舱内外用磁耦合方式传递转矩， 驱动发电机转子；（2） 发电机容量： 100VA；（3） 对蓄电池充 电电压：16V/DC，充电电流：5A/DC；（4） 蓄电池电 源三路输出： 14.8V/5A，12V/2A，5V/5A。3长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计1.4.2 预期结 果通 过 理 论 分 析 计 算 的 方 法 ，综 合 运 用 电 磁 学 、电 机 学 、机 械 传 动 及 电 力 电 子 变换 技 术 ，提 出 自 发 电 电 源 系 统 的 实 现 方 案 ，并 设 计 出 各 环 节 的 具 体 结 构 及 参 数 ，达到所要求的技术指标，解决爬机自发电的问题。4长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计第二章 自发电电源系统基本结构及工作原理2.1 基本机构爬 机 自 发 电 电 源 系 统 主 要 由 三 部 分 组 成 ：转 矩 传 递 部 分 、发 电 机 及 其 驱 动 部分、蓄电池充配电部分。转矩产生及传递部分 由 于 爬 机 舱 内 外 是 严 格 密 封 的 ，所 以 不 能 通 过 机 械 方 式传递转矩，这里采用磁耦合传递转矩的方式， 驱动发电机转子；发电机及其驱动部分 采 用 永 磁 交 流 发 电 机 ，容 量 为 100VA，通 过 齿 轮 变 速 器达到驱动发电机转子所需转速，给蓄电池充电，同 时为爬机供电；蓄电池充配电部分 为爬机提供稳定电源，三路输出。2.2 工作原理爬 机 在 管 道 内 受 到 流 体 压 力 的 作 用 ，将 以 一 定 的 速 度 行 进 ，可 以 推 动 转 矩 发 生传 递 装 置 产 生 转 矩 ，通 过 磁 耦 合 的 方 式 传 递 给 爬 机 舱 内 的 磁 耦 合 部 分 ，为 了 能 有 足够 的 力 矩 与 转 速 驱 动 发 电 机 转 子 ，在 此 设 置 几 级 增 速 ，使 转 速 达 到 一 定 值 。发 电 机发出的电经整流装置后为蓄电池充电，同时向爬机供电，蓄电池经过 DCDC 变换后三路输出，为计算机舱和电子仪器舱供电，达到自发电的目的。5长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计第三章 自发电电源系统实现方案3.1 方案 选择的原则方 案 选 择 要 遵 循 以 下 原 则 ：（1）科 学 ，合 理 。所 选 方 案 必 须 具 有 可 行 性 ，有 一定 的 理 论 依 据 ；（2）经 济 ，易 于 实 现 。在 能 实 现 同 一 功 能 的 前 提 下 ，优 先 选 用 经 济 ，比较容易实现的方案。3.2 转 矩传递方案的选择本 设 计 中 ，采 用 磁 耦 合 的 方 式 传 递 转 矩 3, 4 ，转 矩 传 递 方 案 有 圆 盘 式 和 圆 筒 式 。（1）圆盘式 爬机在 输送液体中行 进，有一定的速度，可以利用涡轮的结构，即 在 舱 内 外 安 装 相 同 形 状 的 圆 盘 ，并 且 在 舱 外 部 分 的 圆 盘 上 安 装 有 涡 轮 ，圆 盘 上 面按一定规则排列永磁体，内外相对，即内 盘的 N 极对外盘的 S 极。这样当爬机前进 时 ，外 盘 上 的 涡 轮 就 会 旋 转 ，带 动 外 盘 及 安 装 在 其 上 的 永 磁 体 也 在 旋 转 ，根 据 同性 相 斥 ，异 性 相 吸 的 原 理 ，内 盘 同 样 也 会 旋 转 ，为 了 能 达 到 理 想 的 转 速 输 出 给 发 电机 ，内 盘 后 安 装 几 级 齿 轮 加 速 器 ，以 便 把 转 速 提 高 到 一 定 的 值 ，然 后 输 出 给 发 电 机 ，完 成 转 矩 的 传 递 。这 种 方 案 可 操 作 性 强 ，易 于 实 现 ，传 递 转 矩 较 大 ，损 失 较 小 ，效率高，成本低。其简易示意图如图 31 所示图 3 1 圆盘式磁耦合传递转 矩示意图（2）圆 筒 式 5 即 在 爬 机 的 外 围 安 装 一 类 似 轴 承 的 部 件 ，带 动 与 其 连 带 的 外 筒6长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计转 矩 产 生传递装置 整流电路 充电电路计算机舱及电子 蓄电池 蓄电池组仪器舱 配电电路图 33 爬机自发电电源系统框图8长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计第四章 转矩传递结构与磁路设计4.1 舱 外主动部分设计4.1.1 磁性材料的 选择 6 , 7 1. 选 用 永 磁 材 料 时 的 注 意 事 项 ： 根 据 使 用 温 度 、腐 蚀 、振 动 、结 构 等 技 术及 环 境 条 件 ，选 用 不 同 的 磁 性 材 料 ，以 满 足 技 术 与 设 计 要 求 ； 研 究 磁 力 驱 动 设 备在 启 动 、运 转 等 特 性 状 态 ，考 虑 优 化 设 计 磁 路 和 选 材 以 及 使 用 过 程 中 的 可 靠 性 ；进行使用情况的技术分析，合理地选用永磁材料，做到成本低，既 经济又实用。2. 磁 性 材 料 性 能 的 优 劣 直 接 关 系 到 磁 力 驱 动 器 的 性 能 ，它 不 仅 决 定 磁 力 驱 动器 应 用 过 程 中 启 动 和 运 转 过 程 是 否 可 靠 ，而 且 也 是 评 价 磁 力 驱 动 装 置 整 体 性 能 的 关键所在，对于同一种磁路类型，相同的磁路尺寸，要得到最大的气隙磁感 应强度，就 需 要 选 择 最 适 宜 的 磁 性 材 料 。一 般 来 说 ，用 于 传 递 转 矩 的 永 磁 材 料 应 具 备 三 个 条件 ：一 是 要 有 高 的 剩 余 磁 感 应 强 度 B ，这 样 才 能 得 到 较 大 的 磁 力 和 转 矩 ；二 是 要r有高的矫顽力 H ，这 样 永 磁 材 料 才 不 易 退 磁 ，也 就 是 说 永磁材料应具有较高的磁c能 积 （BH）；三 是 要 有 良 好 的 温 度 稳 定 性 ，温 度 稳 定 性 是 指 永 磁 材 料 的 磁 性 随 着 使用 环 境 温 度 变 化 时 ，其 自 身 磁 性 变 化 应 较 小 ，在 一 定 温 度 范 围 内 磁 性 较 为 稳 定 的 一种 性 能 。因 此 对 有 温 度 要 求 的 装 置 应 重 点 考 虑 所 选 用 的 磁 性 材 料 的 温 度 稳 定 性 ，剩磁可逆温度系数要小。居 里 温 度 是 反 映 磁 性 材 料 性 能 的 一 特 征 参 数 ，它 是 物 质 从 铁 磁 性 转 变 为 顺 磁 性的 临 界 温 度 ，通 俗 地 说 ，达 到 居 里 温 度 的 永 磁 体 则 完 全 丧 失 磁 性 ，所 以 在 磁 路 设 计中 一 般 应 避 免 居 里 温 度 。在 低 于 居 里 温 度 时 ，剩 磁 随 温 度 上 升 呈 线 性 下 降 ，其 表 达式 8 为： t) 公式（4-1 ）Bn=Br(1+B r式中 Bn-工作温度下永磁体材料的表面剩磁，T；Br-常温下磁性材料的表面剩磁， T； -剩磁可逆温度系数，%/；B r t-温升，。 不同，温度每升高 100，铁氧体剩磁下降 18%，钐钴 SmCo5由于材料的B r剩磁下降 4%，钕铁硼剩磁下降 12%，钐钴 Sm2Co17 剩磁下降 3%，而传动转矩与9长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计2 成 正 比 ，故 可 计 算 出 每 当 温 度 升 高 100 ，上 述 材 料 的 传 动 转 矩 分 别 减 少 33%，Br8%，23%，6%。通 常 磁 性 材 料 样 本 中 的 数 据 是 在 常 温 下 测 定 的 ，设 计 时 必 须 考 虑工 作 温 度 的 影 响 ，以 保 证 传 动 的 可 靠 性 。铁 氧 体 的 工 作 温 度 在 85 以 下 ，Nd-Fe-B3，工 作 温 度 达 150 以 下 ；Sm2Co17的 Br 值 可 达 1.25T，磁 能 积 （BH）max280kJ/m的 工 作 温 度 可 达 300，但价格较昂贵。目 前 我 国 市 场 上 常 用 的 永 磁 材 料 有 铁 氧 体 ，钕 铁 硼 （Nd-Fe-B）,稀 土 钴（R2Co ），铝 镍 钴 (AlNiCo)和铁铬钴( FeCrCo )等 ，铝 镍 钴 剩 磁 Br 的温度系数绝17对 值 最 小 ，铁 氧 体 最 差 ，稀 土 钴 较 好 ；钕 铁 硼 的 最 大 磁 能 积 最 大 ，是 铁 氧 体 的 近10 倍 左 右 ；除 铁 氧 体 密 度 较 小 外 ，其 他 的 磁 性 材 料 密 度 都 比 较 高 ，钕 铁 硼 的 抗 弯强 度 比 铁 氧 体 和 稀 土 钴 高 一 倍 ，其 抗 压 强 度 也 比 稀 土 钴 高 ，热 膨 胀 系 数 最 小 ；价 格方 面 ，钕 铁 硼 （Nd-Fe-B）大 约 在 200300 元/kg 左右，铝镍钴(AlNiCo) 大 约 在 300元/kg 左 右 ，稀 土 钴 （R ）为 1000 元/kg 。综合 诸多性能，可以 评定钕铁硼及2Co17稀土钴是最优良的永磁材料，而铁氧体是这几种常用永磁材料中性能最差的。故本设计中选用钕铁硼作为传递转矩的永磁材料。3. 软磁材料 选择 4 在 磁 力 驱 动 器 中 ，软 磁 材 料 在 磁 路 中 起 着 很 重 要 的 作 用 ，软 磁 材 料 是 组 成 磁路 的 重 要 部 分 ，利 用 软 磁 材 料 做 成 的 磁 屏 蔽 ，防 止 外 磁 场 干 扰 的 影 响 ，改 变 磁 路 中的 磁 通 密 度 ，调 整 漏 磁 的 大 小 。表 征 软 磁 材 料 磁 性 能 的 特 性 参 数 为 磁 导 率 ，对 确 定的 材 料 而 言 ，其 磁 导 率 是 随 着 外 磁 场 的 变 化 而 变 化 的 ，磁 导 率 随 外 磁 场 变 化 的 曲线 见 图 41：图 41 磁导率与外磁场的关系一 般 要 求 软 磁 材 料 的 磁 导 率 越 大 越 好 ，矫 顽 力 越 小 越 好 ，饱 和 磁 化 强 度 越 大 越10长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计好 。几 种 常 用 的 软 磁 材 料 为 工 业 纯 铁 、硅 钢 、铁 镍 合 金 、铁 铝 合 金 、铁 钴 合 金 、恒导 磁 合 金 、磁 温 度 补 偿 合 金 以 及 软 磁 铁 氧 体 等 。由 于 磁 力 驱 动 器 中 的 磁 路 采 用 永 磁材 料 ，在 磁 路 中 不 存 在 变 化 磁 场 ，不 必 要 考 虑 磁 损 问 题 。所 以 采 用 与 工 业 纯 铁 磁 性能 十 分 相 近 的 低 碳 钢 来 取 代 工 业 纯 铁 既 容 易 加 工 ，价 格 又 比 较 便 宜 ，是 比 较 理 想 的一种选择。4.1.2 磁路设计 9111. 静磁能和 传动力当 条 形 磁 体 处 于 磁 场 中 时 ，就 会 受 到 磁 场 对 它 的 作 用 而 产 生 一 个 转 矩 ，如 下 图所 示 ，图 42 表示磁化物体处在磁场中时所受到的力。图 42 磁化物体处在磁场中时所受到的力可 见 ，在 磁 化 方 向 上 力 H 对 条 形 磁 体 不 产 生 转 矩 ，只 有 力1H 对 条 形 磁 体 产2生 转 矩 ，其 转 矩 T 可用下式表示T = HJ sin (N m) 公式（4-2）式中 H 磁 场 强 度 ，A/ m ；J 磁 体 的 磁 偶 转 矩 ，Wb m ； 两作用磁极的相对偏转角，度。要 使 磁 体 在 磁 场 中 转 动 就 需 要 反 抗 转 矩 做 功 ，并 以 静 磁 能 的 形 式 储 存 。将 转 矩对 积分，可以得到静磁能的一般表达式E H = HJ cos ( J ) 公式（4-3）当 =0 o 时 ，E H = jH ，此 时，静磁能最小； =90 o时 ，E H = 0 ；11长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计 =180 o时 ，E H = jH ，此时，静磁能最大。图 43 显示了这一变化过程，E图 43 E 随 变化曲线H2. 磁路形式 选择磁 路 的 形 式 主 要 有 间 隙 分 散 式 和 组 合 拉 推 式 两 种 ，前 者 永 磁 体 之 间 按 一 定 间 隔距离进行排列，后者两用磁体之间靠紧排列。 图 44 为旋转圆盘式两种不同磁路形式的对比，（a）紧密组合拉推式12长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计（b）间隙分散式图 44 旋转圆盘式两种不同磁路形式的对比图 44（a）为 紧 密 组 合 拉 推 式 磁 路 ，（b）为间隙分散式磁路。处于磁场中的永磁体所受到的力与磁场和永磁体之间的夹角有关 12 ，设二者之 间 的 夹 角 为 ，那 么 转 矩 与 的 关 系 见 图 45，图 45 T max 关系曲线图 46 为组合拉推式磁路转矩传递的原理图：13长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计图 46 组合拉推式磁路转矩传递原理图（ 为气隙）经 分 析 ，当 从 动 磁 转 子 的 磁 极 S 位 于 主 动 磁 转 子 N、S 两个极的中间位置时转矩最大（此时 = 90 ）。根 据 同 性 相 斥 ，异 性 相 吸 的 原 理 ，相 邻 两 磁 极 对 从 动 磁 极o的 作 用 力 在 旋 转 方 向 上 是 叠 加 的 ，这 有 助 于 获 得 高 传 动 转 矩 。同 时 ，从 图 中 还 可 以看 出 ，通 过 磁 场 力 的 作 用 ，可 以 减 轻 甚 至 抵 消 轴 向 作 用 力 ，对 支 撑 轴 承 的 寿 命 有 利 。同 时 ，由 于 靠 的 很 近 的 两 磁 极 产 生 的 轴 向 磁 场 相 互 抵 消 ，可 有 效 地 控 制 或 减 小 在 隔离 套 壁 厚 内 地 涡 流 损 失 ，也 有 效 地 控 制 或 减 少 了 因 涡 流 引 起 的 隔 离 套 发 热 ，所 以 这种 组 合 型 磁 路 的 磁 力 驱 动 器 具 有 较 好 的 磁 场 透 过 器 壁 传 递 能 量 的 效 果 ，不 近 适 用 于力或转矩的传递器件，还适用于磁力驱动密封结构的装置。综 上 所 述 ，本 设 计 中 采 用 紧 密 拉 推 式 磁 路 形 式 ，其 具 体 磁 路 如 图 47 所示，图 47 转矩传递环节示意图3. 磁极数的 优化 4 14长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计磁 极 数 与 转 矩 的 关 系 见 表 41：表 41 磁极数与转矩的关系m T/N.m 转 角 差 /度 m T/N.m 转 角 差 /度4 76.6 45 14 266.1 12.86 104.7 30 16 308.1 11.28 144.5 22.5 18 346.3 1010 185.2 18 20 322.4 912 225.6 15 24 380.6 7.5从 表 中 可 以 看 出 ，磁 极 数 的 多 少 对 转 矩 的 大 小 有 直 接 的 影 响 ，磁 极 数 不 能 太 少 ，由 静 磁 能 的 表 达 式 可 知 当 N、S 极 每 变 化 一 次 ，静 磁 能 的 储 存 便 增 加 一 次 ，这 样 磁极 数 多 有 利 于 静 磁 能 的 储 存 ，静 磁 能 最 终 被 转 化 为 动 能 而 被 释 放 ，所 以 说 磁 极 数 多 ，有 利 于 转 矩 的 传 递 。但 磁 极 数 也 不 能 太 多 ，否 则 ，不 同 磁 极 接 触 多 ，漏 磁 多 ，使 得气隙磁通密度减少，传递的转矩也会下降。表 42 列出了磁极数与永磁材料的关系表 42 磁极数与永磁材料的关系永 磁 材 料 m T/N.m 最 佳 磁 极 数6 140.18 189.410 233.512 270SmCo 14 308.1 18 极16 340.218 372.320 350.124 310.66 160.28 214.310 268.112 295.8NdFeB 14 337.9 18 极16 375.318 410.220 391.424 350.9可 见 ，磁 极 数 为 18 时效果最佳。15长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计4. 永磁体厚度的 设计磁 体 在 磁 路 中 提 供 磁 势 ，磁 路 中 气 隙 磁 密 越 大 ，转 矩 越 大 。在 保 证 轭 铁 不 饱 和的 情 况 下 ，多 组 不 同 永 磁 体 厚 度 的 转 矩 关 系 见 表 43：表 43 永 磁 体 厚 度 与 转 矩 的 关 系 （相 同 磁 极 数 及 结 构 尺 寸 ）在 一 定 范 围 内 ，随 永 磁 体 厚 度 的 增 加 ，转 矩 增 加 的 较 快 ，当 磁 体 厚 度 增 加 到 一定 厚 度 时 ，转 矩 增 加 的 较 慢 或 不 增 加 。这 是 因 为 永 磁 体 厚 度 的 增 加 ，一 方 面 磁 势 增加 ，而 另 一 方 面 磁 阻 、漏 磁 也 增 加 ，当 厚 度 增 加 到 一 定 值 后 ，所 增 加 的 磁 势 几 乎 全部 消 耗 在 增 加 的 磁 阻 和 漏 磁 上 ，而 对 外 磁 路 的 贡 献 很 小 。所 以 出 现 了 磁 体 厚 度 增 加很 多 ，而 转 矩 增 加 很 小 的 情 况 。所 以 ，为 了 提 高 永 磁 体 的 利 用 率 ，永 磁 体 的 厚 度不宜太厚。5. 气隙及其 优化从理论上讲，工作气隙越小，气隙的退磁作用就越小 13 ，永磁体剩磁与气隙的 关 系 曲 线 见 图 48图 48 永磁体剩磁与气隙的关系从 上 图 可 以 看 出 ，随 着 气 隙 宽 度 的 增 大 ，永 磁 体 的 工 作 点 的 剩 磁 逐 渐 减 小 。因16长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计此 永 磁 材 料 工 作 点 的 性 能 ，不 仅 与 其 自 身 的 特 性 有 关 ，而 且 还 与 磁 路 的 气 隙 有 很 大关 系 。气 隙 与 磁 体 中 的 磁 阻 要 比 软 糍 材 料 中 的 大 得 多 ，所 以 磁 势 主 要 消 耗 在 气 隙 与永 磁 体 上 ，气 隙 增 大 ，消 耗 在 气 隙 上 的 磁 通 密 度 显 然 增 大 ，气 隙 中 的 磁 通 密 度 势 必减 小 ，将 会 导 致 转 矩 的 减 小 。因 此 ，为 了 充 分 利 用 永 磁 材 料 ，应 尽 量 减 小 气 隙 宽 度 。然 而 气 隙 的 减 小 还 受 到 各 种 实 际 情 况 的 限 制 ，这 又 对 机 械 加 工 和 机 械 装 配 提 出 更 高的要求，从而提高了设备的成本。因此气隙大小的确定应全面考虑。气隙与最佳永磁体厚度的关系见下表：表 44 气隙（）与最佳永磁体厚度（t m）的关系从表中可以看出，气隙越大则磁极的厚度也越厚。6. 转矩的计 算这里采用高斯定理求解法，这种方法是采用高斯定理和永磁材料的 BH 曲线而 求 解 转 矩 的 ，是 工 程 上 较 为 实 用 的 方 法 。其 转 矩 T 的表达式为：公式（4-4）式 中 K 磁 路 系 数 ，各 种 不 同 磁 路 ，K 值 不 同 ，对 于 组 合 拉 推 磁 路 ，K =46.4；M 磁化强度， ，Gs；B 、H 工作点的磁感 应强度与磁场强度 ；m mH 外 磁 路 在 内 磁 体 处 产 生 的 磁 场 强 度 ，e ，N 极 面 形 状 的 经 验 系 数 ，扇 形 极 面 N =1.05，长 方 形 、正 方 形 极 面1N =1.24； 工作气隙宽度，c m；t 磁极弧长；017长输管道无损检测爬机自发电电源系统设计 磁体厚度系数；m 磁极的极数；S 磁极的极面积，cm 2 ；t 磁体厚度，c m；mR 作用到内磁极上磁力至转动中心的平均转动 半径， cm；c 表示工作时的位移角，度。4.2 舱 内从动部分设计4.2.1 磁路设计舱 内 部 分 与 舱 外 部 分 相 对 ，其 磁 路 形 式 见 图 49：图 49