摘要：對不同結(jié)構(gòu)的磁軸承渦輪流量傳感器進行了比較綜合 ,發(fā)現(xiàn)采用被動磁軸承結(jié)合機械約束 ,實現(xiàn)傳感器內(nèi)部可動部件葉輪的部分懸浮 ,是減小軸與軸承之間機械摩擦阻力、降低軸和軸承的磨損 ,從而提高傳感器的靈敏度 ,增加傳感器使用壽命的一條思路。提出了采用兩個軸向磁化的徑向磁軸承結(jié)合兩個球頭軸尖支撐的渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu) ,并進行了理論分析和參數(shù)計算。 對研制磁軸承渦輪流量傳感器過程中遇到的問題 ,進行了初步探討。

1、引言：渦輪流量傳感器具有精度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸出脈沖信號等優(yōu)點 ,已在多個領(lǐng)域得到廣泛應用。 由于軸承的磨損和軸承摩擦阻力的增大 ,將增大測量誤差 ,所以渦輪流量傳感器難以長期保持校準特性 ,需定期校驗 ,軸承大約一年應更換一次[1～ 4]。 對于無潤滑性液體 ,或液體中含有懸浮物,可能造成軸承磨損及卡住等問題 ,限制了其使用范圍[1～ 4]。小口徑 ( DN 0. 05m以下 )渦輪流量傳感器的范圍度為 6∶ 1或 5∶ 1,需要提高[4]。
  渦輪流量傳感器的長期穩(wěn)定性和可靠性 ,在一定程度上取決于軸和軸承在工作條件下的磨損情況和配合間隙 ,這是目前需要解決的一大問題 [2]。流量測量線性范圍的下限值 ,主要取決于軸承的摩擦阻力 [2]。軸承的摩擦阻力越大 ,下限流量值就越大 ,測量線性范圍就越小 [2]。實驗證明 ,軸承負載的變化會造成儀表系數(shù)的波動 ,從而造成千分之一到千分之幾的測量誤差 ,在小流量時 ,其影響更為顯著[ 2]。
  前 ,在測量液體的渦輪流量傳感器中廣泛使用硬質(zhì)合金滑動軸承[ 1 ],在測量氣體的渦輪流量傳感器中一般使用滾動軸承 ,并對軸承系統(tǒng)注入潤滑劑 [4]。 滑動軸承的摩擦阻力較大 ,對傳感器的始動流量、特性曲線非線性區(qū)的曲線形狀、線性區(qū)的寬度有很大影響 , 尤其是對小口徑渦輪流量傳感器。 軸承的磨損限制了傳感器的使用壽命和準確度 ,高準確度使用時 ,普遍要求每半年對傳感器進行一次檢定。為了減小軸的磨損 ,要求葉輪轉(zhuǎn)速不很高 ,這限制了傳感器分辨率的提高。
  采用完全或部分沒有機械摩擦的磁軸承 ,是減小機械摩擦阻力影響的一個途徑。 文中對不同結(jié)構(gòu)的磁軸承渦輪流量傳感器進行了比較和綜合 ,提出了采用兩個軸向磁化的徑向磁軸承結(jié)合兩個球頭軸尖支撐的渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu) , 并進行了理論分析和參數(shù)計算。 　

2、磁軸承的基本原理：
  磁軸承具有無接觸、無摩擦、無磨損、高速度、高精度、不需要潤滑和密封等優(yōu)點 ,改變了傳統(tǒng)的支撐形式 [5～ 7]。 磁軸承可分為采用電磁力結(jié)合主動控制的主動磁軸承和僅由永磁鐵構(gòu)成的被動磁軸承。 與主動磁軸承相比 ,被動磁軸承還具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、承載力高、零響應時間等突出優(yōu)點 [5]。
  主動磁軸承的結(jié)構(gòu)如圖 1所示[ 8]。 缺點主要是必須外加控制裝置 ,結(jié)構(gòu)復雜 ,成本高。 被動徑向磁軸承結(jié)構(gòu)如圖 2所示 [9]。 根據(jù) Earnshaw 理論 ,僅用永磁材料構(gòu)成的磁軸承 ,至少在一個自由度上是不穩(wěn)定的。圖2所示的徑向磁軸承 ,在軸向上是不穩(wěn)定的 ,需要增加適當?shù)募s束 ,以實現(xiàn)穩(wěn)定支撐。

圖 1　典型的主動磁軸承結(jié)構(gòu)圖 2　典型的被動徑向磁軸承結(jié)構(gòu)

3、磁軸承渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)：
3. 1、超導與電磁相結(jié)合的磁軸承渦輪流量傳感器：

圖 3　磁軸承渦輪流量傳感器
  A. Riv et ti[10]研制的磁軸承渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖 3所示。特點: 豎直安裝 ,流體自下而上流動; 依靠超導線圈和超導材料鈮制成的錐形帽子之間的作用力實現(xiàn)懸浮; 由電源模塊為線圈供電。 主要問題: 豎直安裝會降低其流量測量的范圍度 ; 超導線圈對使用環(huán)境的特殊要求 ,限制了其使用范圍; 超導線圈、超導材料鈮較為昂貴 ,造價很高; 必須由電源模塊為線圈供電 ,使其運行成本較高。

3. 2、永磁和電磁同時使用的磁軸承渦輪流量傳感器：

圖 4　磁軸承渦輪流量傳感器
  張茂青[ 11 ]研制的磁軸承渦輪流量傳感器樣機結(jié)構(gòu)如圖 4所示。特點: 葉片周邊的環(huán)形磁鐵與殼體外的電磁線圈構(gòu)成徑向主動磁軸承 ; 根據(jù)間隙傳感器的輸出信號調(diào)整線圈電流 ,控制軸承穩(wěn)定運行; 線圈由半導體功率模塊驅(qū)動 ;在軸兩端與整流器兩端裝有軸向被動磁軸承。 主要問題: 由間隙傳感器、電磁線圈和控制器構(gòu)成的伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復雜 ,不僅對研制和生產(chǎn)提出很高要求 ,而且造價也很高; 必須由半導體功率模塊為線圈供電 ,運行成本較高。

3. 3、僅使用永磁體的磁軸承渦輪流量傳感器：

圖 5　磁軸承渦輪流量傳感器
  查美生[ 12 ]提出的磁軸承渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖 5所示。特點: 在葉輪軸兩端各有一個由 4對徑向磁化的永磁環(huán)構(gòu)成的徑向磁軸承; 徑向磁軸承的動、靜磁環(huán) ,以斥力形式工作 ,相鄰的兩對永磁環(huán)也彼此相斥;在整流器的端面上和葉輪輪轂的端面上裝有彼此相斥的磁環(huán) ,構(gòu)成軸向被動磁軸承; 在葉輪軸的尾端裝有兩個鋼珠 ,使得葉輪在軸向上可以有小量竄動。 主要問題: 制造徑向磁化磁環(huán)難度非常大 ,目前 ,常用多片扇形磁體拼成環(huán)狀 ,裝配工藝較為復雜; 扇形磁體的磁化很難做到均勻 ,扇形磁體的拼裝精度對磁場也有很大影響 ,所以磁環(huán)四周的磁場很難做到均勻。

圖 6　磁軸承渦輪流量傳感器

圖 7　磁軸承渦輪流量計的結(jié)構(gòu)
  馬騰[ 13 ]提出的磁軸承渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖 6所示。特點: 采用環(huán)形渦輪體 ,葉片安裝在環(huán)的內(nèi)側(cè); 由環(huán)形渦輪磁體和環(huán)形磁扼磁體構(gòu)成被動磁軸承 ; 環(huán)形渦輪磁體和環(huán)形磁扼磁體均為軸向磁化 ,以斥力形式工作。 主要問題: 具有錐形工作表面的永磁體 ,加工工藝和磁化均有困難; 僅用永磁體 ,靠斜面之間的斥力工作 ,實現(xiàn)穩(wěn)定完全懸浮的可能性很小; 環(huán)形渦輪體的設(shè)計參數(shù) ,需要嚴格的理論計算和大量的實驗驗證才可能得到優(yōu)化。
  Ch ang[ 14]提出的磁軸承渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖7 所示。 特點: 葉輪與前整流器一點接觸 ; 動磁環(huán)和靜磁環(huán)在軸向上是不對齊的。主要問題: 在流量突然增大時 ,葉輪有可能從前整流器上脫落; 靜磁環(huán)的安裝位置不利于葉輪后面的整流; 葉輪的結(jié)構(gòu)使輪轂較為粗大 ,增加了葉輪的轉(zhuǎn)動慣量和流體的粘性阻力 ,對降低流量測量下限和提高靈敏度都不利。

4、軸尖支撐的磁軸承渦輪流量傳感器：
4. 1、軸尖支撐的磁軸承渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)：
  采用超導材料將限制傳感器的使用范圍 ,電磁力結(jié)合伺服控制的難度和造價又非常高 ,采用被動磁軸承結(jié)合機械約束實現(xiàn)渦輪的部分懸浮 ,就成為一個可選的方案。結(jié)合上述不同結(jié)構(gòu) ,提出了采用兩個軸向磁化的徑向磁軸承結(jié)合兩個球頭軸尖支撐的磁軸承渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu) ,如圖 8所示。
  由于制造軸向磁化永磁環(huán)的技術(shù)非常成熟 ,所以 ,采用軸向磁化的永磁環(huán)來構(gòu)建被動徑向磁軸承。另外 ,渦輪流量傳感器葉輪很輕 ,葉輪軸的載荷不很大 ,磁軸承可僅由一對永磁環(huán)構(gòu)成 ,如圖 9所示。理論和實驗證明 ,被動徑向磁軸承在軸向上是不穩(wěn)定的 ,動磁環(huán)不僅會產(chǎn)生軸向位移 ,而且會發(fā)生軸向翻轉(zhuǎn) ,如圖 10所示。所以 ,在軸的兩端采用球頭軸尖支撐 ,如圖 11所示。接觸面為小球面 ,并非很小的一點。球頭軸尖支撐可以約束軸的軸向位移 ,在一定程度上又能克服其軸向翻轉(zhuǎn)。

圖 8　磁軸承渦輪流量傳感器圖 9　軸向磁化被動磁軸承　圖 10　磁軸承的軸向翻轉(zhuǎn)

圖 11　球頭軸尖支撐
4. 2、被動磁軸承的特性計算：
  修世超[ 15 ]建立了軸向磁化徑向磁軸承的數(shù)值積分模型 ,如圖 12所示。 承載能力 Fr的數(shù)學模型為[ 15]Fr = F23+ F14- F13- F24=Br 1· Br 24π_0( S23+ S14 – S13 – S24 )( 1)式中: F23—— 外磁環(huán)的端面 3與內(nèi)磁環(huán)的端面 2之間作用力在徑向上的分量;　　 F13—— 外磁環(huán)的端面 3與內(nèi)磁環(huán)的端面 1之間作用力在徑向上的分量;　　 F24—— 外磁環(huán)的端面 4與內(nèi)磁環(huán)的端面 2之間作用力在徑向上的分量;　　 F14—— 外磁環(huán)的端面 4與內(nèi)磁環(huán)的端面 1之間作用力在徑向上的分量;　　 _0—— 真空磁導率;　　 Br1, Br2—— 內(nèi)、外永磁環(huán)的剩余磁感應強度。S23= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r2· r3( r3co s U- r2cos T- e ) dr2dr3 d Td U[x20+ ( r3co s U- r2cos T- e ) 2+ (r3sin U- r2sin T)2 ]3 /2S13= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r1· r3(r3 co s U- r1co s T- e ) dr1dr3d Td U[( L+ x 0 )2+ ( r3 cos U- r1cos T- e )2+ ( r3 sin U- r1sin T)2]3 / 2S14= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r1· r4( r4co s U- r1cos T- e ) dr1dr4 d Td U[x20+ ( r4co s U- r1cos T- e ) 2+ (r4sin U- r1sin T)2 ]3 /2S24= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r2· r4(r4 co s U- r2co s T- e ) dr2dr4d Td U[( L – x 0 )2+ ( r4 cos U- r2cos T- e )2+ ( r4sin U- r2sin T) 2 ]3 /2式中: r1,T—— 端面 1上任意一點的極坐標 ;r2 ,T—— 端面 2上任意一點的極坐標 ;r3 ,U—— 端面 3上任意一點的極坐標 ;r4 ,U—— 端面 4上任意一點的極坐標 ;e—— 內(nèi)環(huán)相對外環(huán)沿徑向的位移 ;x0—— 內(nèi)環(huán)相對外環(huán)的軸向位移。根據(jù)文獻中的建模方法[ 15],可建立軸向作用力 Fz的數(shù)學模型為:FZ = F′23+ F′14- F′13- F′24=Br 1· Br 24π_0( S′23+ S′14- S′13- S′24)( 2)式中:S′23= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r2· r3· x0dr2dr3 d Td U[x20+ ( r3co s U- r2cos T- e )2+ (r3 sin U- r2sin T)2]3 / 2S′13= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r1· r3( L+ x 0 ) dr1dr3 d Td U[( L+ x 0 )2+ ( r3 cos U- r1cos T- e )2+ ( r3sin U- r1sin T) 2 ]3 /2S′14= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r1· r4· x0dr1dr4 d Td US′24= ∫R2R1∫R4R3∫2c0∫2c0r2· r4( L – x 0 ) dr2dr4 d Td U[( L – x 0 )2+ ( r4co s U- r2cos T- e )2+ (r4 sin U- r2sin T)2]3/ 

圖 12　軸向磁化徑向磁軸承的數(shù)學模型
  以 DN0. 05m渦輪流量傳感器為例研制了樣機。 磁軸承采用 Nd Fe B材料 , R1、R2、 R3和 R4分別為 0. 004m、0. 006m、 0. 0063m 和 0. 0083m , L 為 0. 004m , Br1、 Br2均為 1. 2T。 按照高斯法求解多重積分[ 16～ 18],對數(shù)學模型編制了計算程序。在內(nèi)、外磁環(huán)軸向?qū)R時 ,徑向力 Fr、徑向剛度K r隨內(nèi)磁環(huán)徑向位移e的變化如表 1所示。 在內(nèi)、外磁環(huán)處于同軸狀態(tài)時,軸向力 Fz、軸向剛度 Kz隨內(nèi)磁環(huán)軸向位移 x0的變化如表 2所示。

表 1　徑向力隨內(nèi)磁環(huán)　　表 2　軸向力隨內(nèi)磁環(huán)軸徑向位移的變化 向位移的變化
　由表中數(shù)據(jù)看出 ,僅一個徑向磁軸承 ,在徑向位移為 0. 05mm時 ,所產(chǎn)生的徑向力就足以將 0. 02kg的葉輪托起 ;在一定范圍內(nèi) ,軸向力隨著軸向位移的增大而增大 ,所以 ,必須盡可能減小軸向位移。

5、討論：
  實現(xiàn)磁軸承渦輪流量傳感器的可靠運行 ,仍有許多問題需要解決 ,在此對傳感器整體結(jié)構(gòu)和永磁材料使用方面的問題作初步探討。
5. 1、傳感器整體結(jié)構(gòu)：
  構(gòu)成磁軸承的永磁環(huán) ,會吸附被測流體中的鐵磁性微粒 ,這將造成磁軸承工作狀態(tài)的改變。 所以 ,在傳感器的前端必須安裝磁過濾器。另外 ,可以采用磁屏蔽技術(shù)設(shè)計磁軸承 ,以減少磁場與流體的接觸。
  采用磁軸承后 ,整流器和葉輪的參數(shù)可以作適當改進。 一方面 ,除軸承部分外 ,應***大限度的維持原有的基本已經(jīng)優(yōu)化的參數(shù)。另一方面 ,在確實能夠進一步提高傳感器性能的方向上 ,對整流器和葉輪進行改進。   磁軸承對葉輪的支撐為彈性支撐 ,即使在被測流量穩(wěn)定的情況下 ,葉輪也會產(chǎn)生一定程度的抖動 ,這可能會影響傳感器的測量精度或線性范圍。所以 ,必須優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。從轉(zhuǎn)子動力學角度考慮 ,優(yōu)化的主要參數(shù)為轉(zhuǎn)子質(zhì)量M和磁軸承的徑向剛度Kr。流體對葉輪的軸向推力 ,將增大球頭軸尖和圓錐孔軸承之間的機械摩擦阻力 ,并加速其磨損。可以采用“反推式”渦輪結(jié)構(gòu) ,減小球頭軸尖和圓錐孔軸承之間的軸向力。徑向磁軸承在軸向上是不穩(wěn)定的 ,內(nèi)、外磁環(huán)在軸向上的相對位移 ,決定了軸向力的大小。所以 ,保證內(nèi)、外磁環(huán)在軸向上的嚴格對齊 ,非常重要。由于存在機械加工誤差 ,內(nèi)、外磁環(huán)在軸向上的相對位移不可能為零。 設(shè)置一個調(diào)節(jié)機構(gòu) ,使內(nèi)、外磁環(huán)之間的相對位移達到***小 ,是必要的?！?/p>

5. 2、永磁材料的使用：
  由于磁軸承需要長期浸泡在被測介質(zhì)中 ,所以 ,必須解決永磁材料的防腐問題。 例如 , N d Fe B 材料不能長期浸泡在水中,常采用給磁體增加保護膜的辦法進行解決。
  不同廠家或同一廠家不同批次的磁性元件之間 ,磁性能存在差異。 有必要通過高斯計等專用設(shè)備測定磁性元件的性能 ,盡可能保證一個傳感器中使用的元件具有相近的磁性。
  永磁材料的磁性受環(huán)境溫度影響較大 ,須解決磁路工作點隨著溫度變化而變化的問題。 所以要確定對所使用的永磁材料的磁性受溫度影響的程度 ,以在設(shè)計過程中作適當?shù)男拚?,留出足夠的裕量。 另外 ,在磁材料投入使用之前 ,可進行溫度處理 ,以使其具有更好的溫度適應能力。
  永磁材料的特性容易受到高溫、振動、機械沖擊和鐵磁性物質(zhì)的影響。在機械裝配過程中 ,環(huán)境溫度不應超過磁材料正常工作時的溫度 ,避免使用由鐵磁性材料制作的工具 ,避免對磁材料的敲擊或機械沖擊。

6、結(jié)論：
  經(jīng)過對不同結(jié)構(gòu)的磁軸承渦輪流量傳感器進行比較和綜合 ,發(fā)現(xiàn)采用被動磁軸承結(jié)合機械約束 ,實現(xiàn)傳感器內(nèi)部可動部件葉輪的部分懸浮 ,是減小軸與軸承之間機械摩擦阻力、降低軸和軸承的磨損 ,從而提高傳感器的靈敏度 ,增加傳感器使用壽命的一條思路。采用兩個軸向磁化的徑向磁軸承結(jié)合兩個球頭軸尖支撐的渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu) ,在理論上具有一定的合理性 ,但其可行性仍需試驗驗證。