磁傳動(dòng)化工泵用耦合器的設(shè)計(jì)

劉永昌 李銀銀

（1.竹山縣深河鄉(xiāng)中心學(xué)校，湖北 竹山 442200；2.長江大學(xué)，湖北 荊州 434023）

石油化工生產(chǎn)過程中，流體大都具有可燃性、腐蝕性、毒性，或是流體為貴重液體。在流體的輸送過程中，一旦發(fā)生泄露，必然造成了原料與能源的浪費(fèi)，甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)、爆炸、環(huán)境污染與人身傷亡等重大事故[1]。流體的泄露主要來自泵、閥門與管道，其中泵的密封為動(dòng)密封，密封十分困難。魏龍[2]等人在《石油化工泵用機(jī)械密封的可靠性參數(shù)估計(jì)》一文中對(duì)泵的機(jī)械密封的可靠性參數(shù)估計(jì)進(jìn)行了分析。王耀紅[3]等人對(duì)IFW型無泄漏化工泵進(jìn)行了研究。劉建瑞、王世永[4]等人對(duì)化工泵的磁力耦合傳動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，介紹了化工泵磁力耦合傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)原，以及磁性材料的選擇、磁鋼形式與磁力矩的計(jì)算等，對(duì)磁力耦合傳動(dòng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。在化工泵的耦合器選擇中，人們一般選擇稀土永磁體。稀土永磁體價(jià)格相對(duì)較貴，研究各尺寸參數(shù)對(duì)耦合器磁力矩的影響，對(duì)耦合器的優(yōu)化具有重要意義。耦合器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，本文運(yùn)用有限元方法對(duì)磁傳動(dòng)化工泵用耦合器進(jìn)行三維模擬計(jì)算。

1 磁傳動(dòng)裝置的原理及構(gòu)成

磁傳動(dòng)化工泵由泵、磁耦合器、電動(dòng)機(jī)等三部分組成。關(guān)鍵部件磁力耦合器一般由外磁轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和隔離套組成。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場能穿透空氣間隙和非磁性物質(zhì)，帶動(dòng)與葉輪軸相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子做同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的無接觸傳遞，將化工泵的動(dòng)密封轉(zhuǎn)為靜密封。由于泵軸和內(nèi)磁轉(zhuǎn)子被泵體和隔離套完全封閉，從而徹底解決了泄露問題，消除了煉油化工等行業(yè)易燃、易爆、有毒、有害或貴重液體通過泵軸泄露的隱患。

圖1 磁傳動(dòng)化工泵示意圖

隔離套位于內(nèi)、外磁體間，將內(nèi)、外磁鋼完全隔開，隔離套的厚度與工作壓力和使用溫度有關(guān)，太厚，則增加內(nèi)、外磁鋼的間隙尺寸，從而影響磁傳動(dòng)效率；太薄，則影響強(qiáng)度。在耦合器旋轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)磁場隨耦合器一起旋轉(zhuǎn)，如果隔離套采用金屬材料，便會(huì)產(chǎn)生渦流，使耦合器效率變差，故一般在滿足強(qiáng)度要求的前提下，一般采用聚四氟乙烯，氧化鋁陶瓷等非金屬材料。假定隔離套厚度為10mm，內(nèi)外磁體與隔離套間的間隙為2mm，分析磁耦合器的尺寸參數(shù)對(duì)耦合器磁力矩的影響。

當(dāng)主動(dòng)磁極以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)磁極也跟著運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)磁極對(duì)從動(dòng)磁極的磁力作用在運(yùn)動(dòng)方向上的分量是相疊加，而在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的分量則是相互抵消的。從動(dòng)磁極主動(dòng)磁極的磁力作用下逐漸加速到穩(wěn)定后以速度v同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，主從動(dòng)磁體之間交錯(cuò)的位移保持恒定。

圖2 磁力耦合器的的示意圖

2 磁耦合器的有限元計(jì)算

化工泵所需磁力較大，所用永磁體須有足夠大的磁能積。近年來汝鐵硼永磁體發(fā)展迅速，價(jià)格相對(duì)便宜，采用汝鐵硼永磁體是磁力傳動(dòng)的首選材料。在計(jì)算耦合器傳遞的力矩時(shí)，我們作以下假設(shè)：準(zhǔn)靜態(tài)的磁場相互作用；完全線性的去磁曲線。在以上的假設(shè)下，磁場服從退化的麥克斯韋方程[5]：

式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場強(qiáng)度，JS為電流密度，μ0是真空中的磁導(dǎo)率，μr是相對(duì)磁導(dǎo)率，M為磁化強(qiáng)度。

對(duì)于上述的麥克斯韋方程，考慮在所研究的區(qū)域內(nèi)沒有宏觀電流，即▽×H＝0，磁場為無旋場，我們可以采用標(biāo)量磁勢來進(jìn)行分析。

磁體之間的作用力考慮采用虛位移計(jì)算法，磁場力為：

式中，Wm為磁場的能量，?g為虛位移。

在文中涉及的問題中，磁場所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T用下式計(jì)算：

式中的fx和fy分別是磁體表面微元dS所受的力在x和y坐標(biāo)軸方向的分量，x和y分別是微元dS的坐標(biāo)值。[6]

磁力耦合器的的示意圖如圖2，運(yùn)用ansys對(duì)磁耦合器的各尺寸參數(shù)對(duì)磁力矩的影響進(jìn)行分析。在耦合器的設(shè)計(jì)中內(nèi)磁體外半徑為50mm，外磁體內(nèi)半徑為60mm。內(nèi)外磁體的間隙對(duì)磁力矩的影響較大,在間隙一定時(shí)影響磁力矩的尺寸因素主要有磁體的數(shù)目,內(nèi)外磁體厚度，磁體的軸向長度。

磁力矩隨磁體的數(shù)目增多而增大，如圖3所示。但數(shù)目增多到一定程度后，磁力矩增加緩慢，每塊磁體的強(qiáng)度降低。故一般選擇6到8塊為宜。

磁力矩隨磁體厚度增大而增大，如圖4所示。但當(dāng)磁體厚度增多到一定程度后磁力矩趨于穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)選擇合適磁體厚度使磁體可以提供足夠的磁力矩并避免浪費(fèi)。在圖4中以內(nèi)此題為例，外磁體效果與上圖基本相同。

圖4 磁力矩與磁體厚度關(guān)系

軸向長度越長，磁體兩端的端部效應(yīng)對(duì)磁力矩的影響越小，但當(dāng)磁體的塊數(shù)和厚度都為最優(yōu)時(shí)，若要磁力矩足夠大且磁體最省時(shí)，軸向長度須是一個(gè)自變量，由磁力矩的大小決定。

3 總結(jié)

在設(shè)計(jì)磁耦合器時(shí)，首先根據(jù)要求確定出內(nèi)磁體外徑和外磁體內(nèi)經(jīng)，然后根據(jù)以上計(jì)算方法確定出耦合器合理的磁體塊數(shù)和內(nèi)外磁體的厚度，然后可以根據(jù)磁力矩的大小確定出磁體的軸向長度便可使耦合器即可達(dá)到磁力要求，又可節(jié)省費(fèi)用，達(dá)到優(yōu)化的目的。

［1］王玉良，王喆，高興軍.永磁傳動(dòng)在密封領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].磁性材料及器件,2008,40(1):1-5.

［2］魏龍，顧伯勤，孫見君.石油化工泵用機(jī)械密封的可靠性參數(shù)估計(jì)[J].流體機(jī)械,2008,36(2):27-30.

［3］王耀紅,楊光.IFW型無泄漏化工泵的研究與應(yīng)用[J].流體機(jī)械,2003,31(10):36-38.

［4］劉建瑞.化工泵磁力藕合傳動(dòng)的設(shè)計(jì)[J].流體機(jī)械,2001,29(12):36-38.

［5］孫敏，孫親錫，葉齊政.工程電磁場基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2001:192-230.

［6］周志宏.動(dòng)失水儀的矩形磁體磁藕合器設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械,2003,31(9):25-27.