摘要：對不同結構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合兩個球頭軸尖支撐的渦輪流量傳感器結構 ,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、結構簡單、輸出脈沖信號等優(yōu)點 ,已在多個領域得到廣泛應用。 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。 文中對不同結構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合兩個球頭軸尖支撐的渦輪流量傳感器結構 , 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合主動控制的主動磁軸承和僅由永磁鐵構成的被動磁軸承。 與主動磁軸承相比 ,被動磁軸承還具有結構簡單、價格低廉、承載力高、零響應時間等突出優(yōu)點 [5]。
  主動磁軸承的結構如圖 1所示[ 8]。 缺點主要是必須外加控制裝置 ,結構復雜 ,成本高。 被動徑向磁軸承結構如圖 2所示 [9]。 根據(jù) Earnshaw 理論 ,僅用永磁材料構成的磁軸承 ,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構圖 2　典型的被動徑向磁軸承結構

3、磁軸承渦輪流量傳感器的結構：
3. 1、超導與電磁相結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構如圖 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構如圖 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成的伺服控制系統(tǒng)結構非常復雜 ,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構如圖 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構
  馬騰[ 13 ]提出的磁軸承渦輪流量傳感器結構如圖 6所示。特點: 采用環(huán)形渦輪體 ,葉片安裝在環(huán)的內(nèi)側; 由環(huán)形渦輪磁體和環(huán)形磁扼磁體構成被動磁軸承 ; 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構如圖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; 葉輪的結構使輪轂較為粗大 ,增加了葉輪的轉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構：
  采用超導材料將限制傳感器的使用范圍 ,電磁力結合伺服控制的難度和造價又非常高 ,采用被動磁軸承結合機械約束實現(xiàn)渦輪的部分懸浮 ,就成為一個可選的方案。結合上述不同結構 ,提出了采用兩個軸向磁化的徑向磁軸承結合兩個球頭軸尖支撐的磁軸承渦輪流量傳感器結構 ,如圖 8所示。
  由于制造軸向磁化永磁環(huán)的技術非常成熟 ,所以 ,采用軸向磁化的永磁環(huán)來構建被動徑向磁軸承。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 ,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。

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

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構和永磁材料使用方面的問題作初步探討。
5. 1、傳感器整體結構：
  構成磁軸承的永磁環(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設計磁軸承 ,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)結構參數(shù)。從轉子動力學角度考慮 ,優(yōu)化的主要參數(shù)為轉子質(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”渦輪結構 ,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。 設置一個調(diào)節(jié)機構 ,使內(nèi)、外磁環(huán)之間的相對位移達到***小 ,是必要的。　

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、結論：
  經(jīng)過對不同結構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合兩個球頭軸尖支撐的渦輪流量傳感器結構 ,在理論上具有一定的合理性 ,但其可行性仍需試驗驗證。