卢尚斌1，张禹2，李双喜2，王  阳2，王骁2

（1．湘潭电机股份有限公司特种电气事业部，湖南湘潭411101；2．北京化工大学机电工程学院，北京100029）

[摘要]磁脂密封作为一种新型的密封形式，在蒸发冷却电机中的应用有着广泛的前景和研究意义。本文研制了适合于蒸发冷却工艺的电机磁脂密封装置，对磁脂密封的承压能力进行理论研究和试验验证，证明了该装置实际的密封效果，研究了与磁脂密封承压能力密切相关的因素，并分析该结构的功耗公式和温升影响因素，从试验角度验证了轴转速对温升有较大的影响，转速越高，磁脂温升速度越快，最终稳定下来的温度也越高：根据以上工作，提出了一些减小磁脂温升的方法。

[关键词]磁脂；密封；蒸发冷却电机

[中图分类号] TM301 [文章编号]1000-3983(2016)03-0019-05

0  引言

  对于石化行业用机械、塑料挤出、橡胶硫化机械以及船用机械等而言，所用电机一般尺寸较大，将蒸发冷却工艺应用于大型电机上，可以实现更为精简的结构体积、较少的制造成本和高效的工作效率。该技术的应用对提高大型电机技术、实现装备国产化有重大的意义。

  氟碳化合物作为实现蒸发冷却工艺中的冷却液，具有挥发性强，极易泄漏等特点，因此对密封提出了较高的要求。各类传统密封在电机中的应用各有利弊：填料密封结构简单，但密封能力有限，使用寿命短，并且当定期更换填料时，会引起装配等一系列相关复杂问题；机械密封具备良好的密封性能，密封承压能力高，但对于大直径电机来说，机械密封装置结构过于庞大，装配关系十分复杂，装配精度难以得到保证；刷式密封难以彻底解决泄露的问题。

  而磁脂密封具有密封结构简单、密封功耗小、零泄漏、能应用于较高转速工况且相比传统磁性流体密封具有耐高温性以及高承压性等优点，因此对该密封形式在蒸发冷却电机中的应用进行深入研究，具有较大的实际意义。

1  蒸发冷却电机和磁脂密封的工作原理

  液体介质汽化会吸收热量，与比热容导热相比，该方式可以成倍地提高传热效率，蒸发冷却工艺正是基于这一理论实现工作的。冷却液体进入电机内部，接触电机导体部分，随着冷却液体不断吸收导体热量，其自身温度也不断升高，当达到一定温度时，冷却液体汽化并带走热量，冷却电机。

  磁流体密封基本结构如图1所示，主要由永磁体、磁极、聚磁结构（又称极靴）和转轴组成。

 其中永磁体为硬磁材料，磁极、极靴和转轴为软磁材料。磁极与转轴之间的间隙称为密封间隙，密封间隙内充入磁脂。磁脂是一种对磁场十分敏感的胶状磁性材料，由一定比例的基液、磁陛颗粒和表面活化剂组成。永磁体产生的磁场经过磁极、极靴、密封间隙和转轴构成磁回路，由于磁场作用，磁脂聚集在极靴下的密封间隙处，形成环状液体实现密封。如图2所示，在无密封介质压力时，磁脂沿着磁感应线的方向聚集在磁场最强的位置；在磁脂密封正常工作过程中，受两侧压差作用，截面形状发生改变，磁脂偏离磁场强度最大处；随着压差增大达到一定程度，磁脂在密封介质压力作用下破裂，导致密封介质泄漏。

2  蒸发冷却电机用磁脂密封装置

 针对电机模型的壳体和转轴结构，考虑原有的安装空间，在不改变壳体和转轴结构的情况下，提出了蒸发冷却电机模型的磁脂密封结构。

 如图3所示，该结构紧凑简单，加工制造方便可行。通过实际的制造和安装及在蒸发冷却电机中的运转，证明该结构方案的可行性和实用性。同时该结构也考虑了实际工况中的蒸发剂对磁脂的冲刷作用，并采用了封液板加排液孔的结构防止液体对磁脂直接冲刷，提高了密封的可靠性。此外，为了防止磁脂的长期损耗或其他原因突然损失，密封装置设置了补脂口以及相应的补脂系统。结构如图4所示。

3磁脂密封承压能力分析

 与磁流体密封相似，磁流体密封的性能与其极限承压能力、泄漏、使用寿命、功率损失、极限真空度和溅射特性等能力有关，而实际情况中，因磁脂蒸发、沉淀等原因造成密封失效的情况较少，主要破坏原因是密封压差过高，冲破密封环的同时带走大量磁脂，以致无法恢复承压能力，从而造成磁脂密封的失效。可见，磁脂密封的承压能力对磁脂密封的性能有至关重要的作用。

  在不考虑基液密封能力和磁脂重力的情况下，旋转平衡状态下的磁脂密封的承压公式为：

简化上式，右侧第二项表示磁脂自身旋转所产生的离心力，对磁脂密封承压能力影响较小，可以忽略；右侧第三项与第一项相比非常小，也可以忽略；经实际证明，可以用磁脂的饱和磁化强度M代替上面的磁化强度，因为密封结构中的外加磁场很强，磁脂完全处于饱和磁化的状态：

  另外，再考虑磁脂基液自身的承压能力，实际磁脂密封承压公式为：

  由理论公式可知，磁脂的饱和磁化强度、磁感应强度差和基液承压能力决定了磁脂密封的承压能力。优秀的制配方法可以提高磁脂的饱和磁化强度和基液承压能力，并可以通过专门仪器进行测量。磁脂密封结构直接影响磁感应强度差，但该值难以通过现有仪器测量得到。通过ANSYS有限元软件进行数值模拟，可以得到较为准确的不同结构下的磁场情况。

 按照ANSYS有限元分析方法，选用2D单元PLANE53建模，划分网格并赋予材料属性，包括永磁体、磁极、极靴、转轴、磁脂和空气。其中永磁体材料为汝铁硼，矫顽力为8.76×105A/m，相对磁导率为1.05；磁极、极靴和转轴材料为45号钢，相应的磁化曲线;磁脂的导磁率略高于空气，但在分析时为了简化处理，以空气磁导率代替，相对磁导率为1。在求解器中对模型施加边界条件并求解，模拟磁极、转轴以及间隙的磁场情况，得到磁力线分布，磁场强度和磁通密度分布云图。

 由图5可知，磁力线集中于极靴下的密封间隙处，磁力线的集中程度代表了结构的密封能力大小。此外，密封间隙也是结构中磁场强度和磁通密度的最强处，因此磁性流体可以吸附并充满密封间隙，实现密封。

 由于磁脂的失效主要发生在密封间隙，其作为磁脂密封结构中除静密封点以外的主要介质泄漏通道，是影响密封性能的关键部位，也是磁回路磁阻的主要来源。密封间隙对磁脂密封装置承压能力有着重要的影响，因此需要研究不同密封间隙下的磁场分布。

  经模拟发现，随着密封间隙的减小，密封间隙处的磁通密度梯度逐渐增加，相应的密封承压能力越好。不同密封间隙对应的磁通密度梯度见表1。

4  磁脂密封温升分析

  对温度的控制是磁脂密封要解决的重点问题之一，在保证密封能力的前提条件下，控制转轴工作温度维持在允许范围内。同样，磁脂密封的特点也决定了该种结构的温度不宜过高，温度过高就会导致永磁体的退磁，磁脂在压力作用下被吹破，造成泄露，密封失败。

 在电机运转过程中，功率会在电机密封处发生损耗，进而引起密封结构的温升。密封功耗产生的根本原因是磁脂的黏滞阻力产生的阻力矩。磁脂密封中的阻力矩与损耗可以分为两部分，即基本阻力矩与损耗和附加阻力矩与损耗。由于磁脂自身粘度引起的粘滞阻力矩与粘滞损耗称为磁脂密封的基本阻力矩与损耗。根据牛顿内摩擦定律，计算密封处的阻力矩T及功率损耗P。

  此外，由于磁场力作用引起磁脂粘度增大，也会增加密封的阻力矩与损耗。这部分由于磁场力而产生的粘滞阻力矩与粘滞损耗称为附加阻力矩与损耗。可以通过试验的手段，对上述理论计算公式进行修正，得到更接近实际的功率损耗值。

 利用ANSYS软件，采用2D单元PLANE55建立磁脂密封装置的二维传热模型，并划分网格。其中永磁体材料为汝铁硼，导热系数8.95W/m.℃，比热0.5J/kg，℃；磁极、极靴和转轴材料为45号钢，导热系数47.5W/m．℃，比热465J/kg．℃。将上面求得的实际功率损耗P除以转轴与磁极之间的体积，作为传热模拟中的生热率Q，施加其余对流和温度边界条件，最后对该模型进行数值求解，获得磁脂密封结构的温度分布。

 由模拟可知，因为磁脂粘度高、生热大，密封装置需要冷却，且在循环冷却水的作用下，磁极的温度明显低于转轴的温度。

5磁脂密封试验运行

 为验证理论分析和模拟结果，对磁脂密封进行试验验证，试验内容包括磁脂密封的静密封承压能力和动密封承压能力试验，以及一系列磁脂密封温升的对比试验。

 承压能力试验方面，其试验结果均满足承压0.1MPa的要求，动密封承压能力与静密封承压能力基本类似。承压试验证明，随着密封间隙增大，装置承压能力下降，这与模拟情况吻合。具体数据见表2。

 从理论和试验两方面都可以证明：首先，相同设备参数情况下，磁脂密封的密封能力要优于普通磁流体密封。其次，密封间隙增大时，磁脂密封的密封能力降低程度远小于普通磁流体密封，所以磁脂密封更适用于转轴径向跳动量大的情况，其应用范围也较普通磁流体密封更广泛。由于磁脂具有高粘度，其摩擦产热会更大，会对磁脂的正常使用产生一定程度的影响，但可以通过冷却结构对产热问题进行有效控制。

  温升试验方面，绘制磁脂在不同转速下的温升曲线，如图11和图12所示。试验中设定转轴密封部位线速度为30m/s和37.5m/s，对不同速度参数下温度变化曲线进行对比。

  试验表明：随试验的进行，磁脂的温度逐渐升高，当达到一定温度后，磨擦热与通过结构散出的热量达到平衡，温度不再变化。转轴转速越高，磁脂温升速度越快，运转达到稳定程度时磁脂的温度也越高，与理论分析相吻合。

  从试验和理论分析可以得知，磁脂的温升与磁脂粘度、转轴直径和转速、密封间隙及密封件的轴向长度等因素有关。因此，可以从以上几个方面来控制磁脂的温升，保证磁脂的密封性能和使用寿命。例如，在满足密封承压要求的前提下，选用粘度低的液体作为磁脂的基液，适当减少密封的级数，适当增大间隙等。

6结语

 (1)磁脂密封具有很好的密封能力，能满足蒸发冷却电机的要求，且可以实现较大的径向间隙。

 (2)磁脂密封承压能力与磁脂的饱和磁化强度、磁感应强度差和基液的承压能力有关。磁脂密封能力好于普通磁流体密封。

 (3)磁脂温升与磁脂的粘度、转轴直径和转速、密封间隙及密封件的轴向长度等因素有关。