天然存在的液体与磁场的相互作用很弱。然而，利用磁场来控制它们的能力对于解决各种技术问题颇具吸引力。为此，50 年前，人们研制出了人工强磁性液体介质——磁流体（MF）[1]。它们是高分散铁磁性材料在载体液体中的胶体溶液。
最初是为了在零重力条件下为太空火箭制造磁控燃料而开发的，这些努力造就了一种新的有前景的材料。磁流体首次被用于密封美国宇航员在登月时所穿太空服上可自由旋转的头盔[2]。时至今日，全球涉及磁流体的大部分工作都与磁流体密封（MFS）有关。
这是因为磁流体密封相对于传统的密封设计具有若干优势。这些优势包括：在规定的操作条件下几乎不会泄漏被密封的介质，由于在运动部件和固定部件之间的间隙中只有液态摩擦，磨损极小，无需润滑，功率损耗低，阻力扭矩小，可修复性强，易于维护。磁流体密封（MFS）的缺点包括适用温度范围有限以及磁流体与密封介质之间的兼容性问题。总体而言，MFS 的最大运行参数低于某些传统密封类型，如端面密封。然而，在低压力（高达数个大气压）、温度（高达 100°C）和线速度（高达 25 米/秒）的范围内，MFS 在效率和可靠性方面往往显著优于传统密封。这一点得到了从事磁流体装置实施公司的长期活动的证实，其中包括研发企业“铁磁流体动力学”。经过 30 多年的磁流体密封开发、生产和应用，“铁磁流体动力学”积累了丰富的磁流体密封运行经验，目前其产品已在乌克兰、俄罗斯、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、白俄罗斯、波兰、摩尔多瓦、爱沙尼亚等国的近 200 家企业中使用，其中包括许多炼油厂。
MFS在密封真空、蒸汽和气体、保护轴承组件免受液滴和细小水分、灰尘和污垢（包括细研磨介质）的影响，以及防止油蒸气和液滴从液体润滑轴承组件泄漏方面特别有效。
本文旨在分析前苏联企业磁流体密封的运行经验，并回顾浙江特种电机有限公司生产的电机密封设计。
磁性流体密封的工作原理
一般来说，MFS的设计非常简单。磁性流体密封件（图1）由围绕轴7的环形磁芯（磁极尖端）2、放置在磁芯之间的永磁体4和将这些部件集成到单个结构中的外壳1组成。
1-外壳，2-磁极尖端，3-间隔环，4-磁铁，5-盖子，6-磁性流体，7-轴，8-紧固螺钉。
磁场通过轴和磁极尖端与轴之间的间隙闭合，将磁性流体吸入这些间隙。这层磁性流体充当液体密封，完全填充间隙，提供密封效果并保持MFS两侧的压差。
在约2-2.5T的磁场感应下，磁性流体作为铁磁材料纳米颗粒的均匀悬浮液存在，平均粒径约为8nm[3,4]。图2显示了由“铁流体动力学”生产的基于甘油和真空油VM-3的磁性流体中粒度分布的直方图。为了防止颗粒在磁场的影响下结块，在磁性流体中添加了表面活性剂。
图2.基于a-甘油的磁性流体中纳米粒子尺寸分布直方图；b–真空油VM-3。
铁磁颗粒的尺寸远小于机械组件中摩擦表面的粗糙度，消除了它们的研磨作用。总体而言，磁性流体表现出高润滑性能，通常超过其基础流体[5]。
由于所有液体都会蒸发（磁性流体的蒸发速度明显慢于其基础液体），因此有必要定期补充间隙中的磁性流体。根据具体的设计、磁性流体和操作条件，重新填充之间的间隔通常在0.5到2年之间。
在实践中，由于打算使用MFS的密封组件的复杂操作条件，这种纯形式的设计并不总是可行的。正如操作经验和对比试验所表明的那样，由磁性流体密封和传统密封组成的组合密封可以成功地用于保护此类组件。这种组合相互增强了每种密封件的优点，并弥补了其缺点。这种组合式MFS被容纳在一个单元中，被称为磁流体密封复合体（MFSC）。
除了极少数例外情况，MFS和MFSC的开发是为了匹配标准密封件的尺寸和安装尺寸，而不需要对其预期的组件进行任何修改。
因此，对于企业的维护服务来说，用更可靠的磁性流体密封件替换性能不佳的标准密封件相对简单，本质上归结为更换轴承箱盖。在安装MFS代替标准密封件时，必须遵守的唯一条件是严格遵守MFS磁芯和轴之间的工作间隙（0.2-0.3 mm）及其均匀性。
多个领域展示了MFS的特别有效实施。
MFS用于防护飞沫和细微湿气
磁流体密封（MFS）已被广泛安装在冷却塔和空冷式换热器（ACHE）中运行的各种型号电动机（主要是立轴电机）上。通常，安装 MFS 是为了替换电动机上轴承组件中性能不佳的标准密封件（盘根密封、唇形密封或迷宫密封），以防止飞沫和细微湿气、水雾及其他污染物侵入 [6]。
这些电动机的运行条件极为严苛：冷却塔中充满大量飞溅的水花、细微湿气和水雾，而各种工艺装置中的空冷式换热器单元则会受到强烈且通常持续或频繁的喷水影响。这些电动机运行中的最薄弱环节是上轴承组件的密封，其作用是防止水分进入电机。长期运行经验表明，在这类条件下（无论夏季还是冬季），这些类型的密封件可靠性不足。而 MFS 的使用显著降低了这些电动机的运行成本。
相较于盘根密封和橡胶唇形密封，MFS 的优势显而易见：耐用性更强、密封性能更优、与轴无物理接触，且大幅延长了维修间隔时间 [7]。
MFS 的可靠性能可通过以下事实证明：在某些工厂中，维护人员此前不得不拆卸电动机来干燥绕组，而如今，尽管制造商建议每 1 至 2 年更换润滑剂并检查轴承，但他们仍努力让绕组干燥且绝缘电阻正常的电动机尽可能长时间运行。
多年来，“铁流体动力学” 已生产超过 3500 个此类密封件。MFS 不仅适用于已停产的电动机，也适用于独联体国家当前生产的电动机，几乎覆盖了目前运行的所有电动机型号（VASO、VASV、ASVO、DASO）。此外，还为日本、捷克、法国等国外制造的空冷式换热器风扇生产了 MFS。
配备磁流体密封件（MFS）的电动机设计已被纳入乌克兰和俄罗斯五家电机制造工厂的产品目录和问卷中。
图 3 展示了适用于最常见电动机（如 2ASVO15-23-34 和 VASO4-37-24 型号）的磁流体密封件（MFS）设计。图 4 描绘了安装有 MFS 的 VASV16-20-40 和 VASO2-37-14 电动机，而图 5 则展示了适用于法国 JSNF/MJUL180 电动机（安装在戈尔洛夫卡的 “康采恩斯蒂罗尔” 开放式股份公司）、捷克 ENGV-250 和 AWM-7110 电动机（安装在基里希的 “Kinef” 有限责任公司）的 MFS，以及一台安装了 MFS 的 ENGV 电动机。
图 3.
a) 适用于 2ASVO 710 电动机的磁流体密封件（MFS）；
b) 适用于 VASO 4-37-24 电动机的磁流体密封件（MFS）；
1.
2.
1 – 整体外观，2 – 纵截面。
图 4
a) 安装有磁流体密封件（MFS）的 VASV 16-20-40 电动机；
b) 安装有磁流体密封件（MFS）的 VASO 2-37-14 电动机。
图 5.
a) 适用于 JSNF/MJUL 180 电动机的 18 型磁流体密封件（MFS）；
b) 适用于 ENGV-250（左）和 AWM-7110（右）电动机的磁流体密封件（MFS）；
c) 安装有磁流体密封件（MFS）的 ENGV-250 电动机。
大型电机轴承单元用磁流体密封件
“NPVP 铁流体动力学”有限责任公司生产的产品中，很大一部分是用于带滑动轴承的大型电动机轴承单元的密封件。
通常，这类设备在高速条件下运行（电动机转子的转速通常在750 至 3000 转 / 分钟之间，密封区域的轴径为 140 至 300 毫米或更大）。轴承单元上安装有各种设计的非接触式密封件。
轴表面的高线速度决定了所需密封件的类型，以确保轴承单元内的温度在可接受范围内。这些电动机的设计差异很大——有带独立滑动轴承的电动机、滑动轴承位于轴承端盖中心的整体式设计，以及带外部轴承的整体式设计。用作密封装置的非接触式密封件的主要缺点是无法为被保护单元提供完全密封。
因此，在电动机运行过程中，油必然会从滑动轴承通过密封件泄漏（程度不同）。此外，在车间、压缩机房和泵房等场所，若多台此类电动机连接到集中润滑系统，常可见到非运行电动机的密封件与轴之间的间隙中逸出雾状物质——细小的空气(油混合物)。
这种分散在空气中的油会被电动机的通风系统随空气吸入定子，并沉积在电动机绕组上，降低绝缘的介电性能。此外，来自电刷的细小石墨粉尘和其他空气中的灰尘也会被吸入电动机并附着在其结构部件上，影响冷却效果。这可能导致绝缘击穿、短路等问题。此类紧急情况在各企业中时有发生。因此，维护人员希望为这类电动机的轴承单元提供尽可能高（理想情况下为完全）密封的密封件，这一点不难理解。
虽然可以实施几种技术解决方案来提高非接触式密封件的性能（挡油环、轴表面上的环形槽、密封壳体内的多个腔室，每个腔室都有有效的排油），但实现完全密封仍然是不可能的。
为了确保密封性，可以在非接触式密封的外侧安装磁性流体密封。由于轴和MFS磁极尖端之间的工作间隙中磁性流体的纯液体摩擦，这种密封装置中的热量产生将最小化[8]。
MFS在密封气体、蒸汽和气溶胶时表现出色。然而，当密封液体介质时，特别是在高轴速下，密封介质和磁性流体可能会发生流体动力学混合，导致密封失效。因此，为了确保MFS的正常和长期运行，必须采取措施尽量减少油和磁性流体之间的接触。该功能可以通过安装在MFS和轴承腔之间的开发良好的多级非接触式密封来实现，每个阶段都有有效的排油。与密封件本身一样，MFS应分开，两半应固定以防止位移。最好的解决方案是将两个密封元件——非接触式密封和MFS——组合成一个设计，安装在一个单元中，形成磁性流体密封复合体（MFSC）。通过单独处理每种情况，可以设计多个集油室，MFS可以集成到现有标准密封件的尺寸中。
用于保护同步电动机中滑动轴承装置的组合式MFS已在乌克兰、俄罗斯和白俄罗斯的许多企业成功运行。它们已安装在各种驱动泵和压缩机的大型电机上。
通过消除过度的绕组加热并保持绝缘质量，维修间隔时间至少增加了一倍。在安装电机的生产设施进行全面检修时，如果电机仍在进行维修，维修成本将降低2到4倍，从而带来巨大的经济效益。
这就是为什么制造商JSC“Zavod Krupnykh Elektricheskikh Mashin”（Nova Kakhovka）批准在所有类型的同步电机上安装磁性流体密封件以保护轴承单元的原因，该公司在其产品目录和问卷中包括了配备MFS的设计。
图6.SDN2-15-39电动机的MFS。
图7. STD-1600和STM-1500电动机的MFS示意图。
a） STD-1600-23UKhL电动机的MFS：
1-电机，2-安装螺栓，3,6-磁芯，4-填充螺钉，5-磁铁；
b） STM-1500电动机的MFS。
技术和经济影响
对VASO、VASV和ASVO系列电动机磁流体密封（MFS）性能的长期监测表明，上轴承单元的使用寿命延长了4到5倍，大修次数至少减少了2倍。
JSC“Severodonetsk Association Azot”的一个大型统计样本很好地说明了这一点，在高峰年份，164台电动机仅用于驱动冷却塔风扇。
最初，Severodonetsk“Azot”在1993年接受了NPVP“铁流体动力学”的提议，谨慎实施磁流体密封，尽管事实上MFS已经在乌克兰的几家化工和冶金厂证明是有效的。在向已经使用MFS的企业派遣专家后，Severodonetsk“Azot”购买了10个磁流体密封件，并通过其循环水供应和集中电气设备维修车间对拟议的方法进行了为期两年的工业试验。 直到1997年，他们才批准大规模实施MFS。鉴于冷却塔电机数量众多，Severodonetsk“Azot”每年分批购买约30台MFS。对移动金融系统性能的监测始于20世纪90年代中期的试点阶段，一直持续到今天。对每台配备MFS的VASO电机的运行情况进行了跟踪，直到2014年工厂停工，为冷却塔风扇的性能提供了宝贵的统计见解。
图8显示了1988年至2002年VASO电机轴承采购的趋势。系数k表示在给定年份购买的轴承与当年运行的电机数量的比率。2002年后，k值落在统计误差范围内，因此不包括在图7中。
图8. VASO电机近年来轴承采购情况图
在2000年为所有VASO电机配备MFS后，每年平均购买40-50个轴承，而20世纪80年代末为200-250个轴承。这表明，在潮湿的环境中，上轴承单元仅在其潜在寿命的20-25%下运行。轴承寿命的延长与电机使用寿命的延长直接相关。电机维修频率随时间的变化趋势如图8所示。维修间隔时间至少增加2倍，可以节省大量成本。
在2000年代中期，我们询问了最常见的VASO 15-23-34和2ASVO 710电机的大修成本。正如预期的那样，不同企业的维修成本差异很大，从1500美元到8000美元不等。由承包商或专业维修公司进行的维修平均要贵15-20%。制造商工厂的维修费用甚至更高。目前，维修成本已经上升，因为新电机的价格在这些年里几乎翻了两番[9]。
一般来说，JSC“Hydroaero中心”（莫斯科州茹科夫斯基）的数据可以被认为是可靠的：VASO或ASVO电机的大修成本不能低于新电机价格的15%，在某些情况下可以达到70%。此外，JSC“Hydroaero中心”估计，安装和拆卸成本至少占新电机价格的20%。
磁性流体密封使电动机的成本增加了不到10%，同时将昂贵和巨大的运营成本降低了至少200%[10,11]。
总之，值得注意的是，轴在MFS下无磨损运行，导致能量和摩擦损失最小。简单的摩擦技术计算表明，在一年的运行中，带有填料或唇形密封的电机因摩擦而损失约500千瓦时。MFS的摩擦损失低两个数量级。
浙江特种电机有限公司电机磁流体密封设计的发展
第一个磁流体密封是为YE3-180М-2型三相异步电动机开发的，额定功率为22 kW，轴速为2960 rpm。
YE3系列电机是通用工业电机。它们用于各种行业，包括冶金、采矿、机械工程、纺织等。因此，这些电机经常在恶劣的条件下运行。
MFS中发生的过程的复杂性往往使得很难获得所提问题的精确性和答案。在特定情况下获得的解决方案往往是本地化的，造成了支离破碎的理解，使对问题的整体理解变得复杂。
MFS中解决方案的模糊性和物理过程的复杂性可以解释如下：
-磁流体是一种新材料，其特性尚未完全被理解。
-磁性流体生产技术的复杂性、多样性和不完善性导致某些参数的不确定性，以及其特性和性质的广泛变化。
-MFS是一个复杂的系统，在运行过程中结合了各种物理现象。MFS中产生的磁场、热场和机械场同时共存并相互作用。
-相互关联的物理过程（电磁、热和机械）的综合表现最终塑造了MFS的操作特性，并决定了其功能适用性。
不同性质的物理过程（磁、流体力学、电学等）的相互联系是MFS的一个显著特征。如果不全面考虑这些物理过程，就不可能对设备进行全面和系统的理解，彻底调查MFS工作区发生的复杂过程，或获得可靠的定性和定量特征。
因此，基于多物理场仿真的数学模型被用于开发MFS设计。该模型由LLC“科学和生产实施企业‘铁流体动力学’”和乌克兰国家科学院电动力学研究所联合开发[12]。
图9显示了密封工作区中力线和磁感应的分布。从图中可以看出，极面上齿形结构的存在会产生高度不均匀的磁场，从而在活动区产生不均匀的力分布。
图9-密封工作区力线和磁感应的分布
MFS如图10所示。
图10-磁流体密封件照片
在MFS的设计过程中，解决了几个挑战：
-将磁钢安装到密封件的空间中尤其具有挑战性。为了解决这个问题，选择了尺寸为5x5x5 mm的永磁体。
-由于空间限制，填充通道在组装过程中使用技术销钉直接形成。
关于MFS性能的主要测试和结论由外部组织——上海电气设备试验研究所有限公司进行。在其结论中，该研究所确定YE3-180М-2电机的防护等级符合IP66要求。
图11显示了安装了MFS的电机的照片。
图11-装有MFS的电动机
接下来，为YE3-280-4电动机开发了磁流体密封（MFS）。该电机的额定功率为75 kW。MFS设计的其他重要特征包括1480 rpm的轴速和IP54的防护等级。
该电机是YE3系列的一部分，但与之前为YE3-180М-2电机开发的MFS有几个显著差异。在这种情况下，MFS安装点的轴直径增加到85毫米，盖子的设计也不同。因此，YE3-280-4电机MFS的开发代表了新的科学、技术和实验设计挑战。
这可以用MFS是一种高科技、知识密集型产品的事实来解释。任何新产品的设计都涉及磁系统、磁场分布、制造工艺、磁性流体的合成和选择等因素。
在MFS的设计过程中，再次使用了多物理场数学模型。磁场分布是使用有限元法计算的，该方法考虑了所用材料的非线性磁性，并精确地再现了不同介质之间的边界。
图12显示了密封件工作间隙中的磁场分布。
图12.工作间隙中的磁场分布
内部磁芯的自由空间允许创建多齿区。如图12所示，磁场高度不均匀。此外，通过优化磁流体的流动，提高了外磁芯的整体可靠性。
图13显示了磁流体中产生的涡流结构，由速度的径向和方位角分量形成。如图所示，涡流速度最高的结构出现在最右侧区域，这是由于流体存在较大的自由边界。通过增加内部磁芯的长度来解决这个问题。涡流结构也出现在外磁芯的另外两个凹槽区域，但由于磁芯附近壁对流体的强烈制动，它们的速度相对较低。
图13.磁流体中的涡旋结构
图14显示了安装了密封件的YE3-280-4电机的照片。该电机也在上海成功通过了测试。
图14. YE3-280-4安装有磁性流体密封的电动机
结 论
如上所述，磁性流体密封（MFS）在经济上可行，可以保护在恶劣条件下运行的昂贵或关键设备，在这些条件下，实现完全、百分百的密封性是正常运行的必要条件。在这种情况下，MFS相对于传统密封的主要优势：完全消除泄漏得到了充分利用。不幸的是，MFS没有非常广泛的应用领域。然而，在上述应用领域，磁性流体密封通过延长设备的寿命和可靠性，迅速收回成本，并被证明比以前使用的更便宜的传统密封更经济有效。
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作者：
亚历山大·拉迪奥诺夫（浙江特种电机有限公司海外专家）