磁力泵的設(shè)計與研發(fā)

任曉峰

摘要：現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，石化和天然氣工業(yè)以及制造業(yè)的突飛猛進，必然帶來全球環(huán)境的污染和破壞。為此一款節(jié)能、環(huán)保的工業(yè)用泵急需開拓。磁力泵是一款無密封、無泄漏、對環(huán)境零污染的產(chǎn)品，響應(yīng)了國家提倡環(huán)保的號召，深受廣大客戶的信賴。

關(guān)鍵詞：磁力泵;磁驅(qū)設(shè)計

中圖分類號：XXX ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：xxxx-xxxx（xxxx）xx-xxxx-xx

1引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境污染、破壞越來越嚴重，磁力泵以無密封、無泄漏、對環(huán)境零污染的優(yōu)勢深受石化行業(yè)、造紙等制造業(yè)的認可。本文就多晶硅?？嫌袡C硅項目展開磁力泵的論述。本例輸送介質(zhì)名稱是硅油，性能參數(shù)H=37m，Q=5m3/H，t=常溫，比重γ=1000kg/m3。

1水力設(shè)計

為了此泵的拓展，把設(shè)計參數(shù)改為Q=6m3/h，H=55m工況設(shè)計。

1.1）比轉(zhuǎn)數(shù)計算

根據(jù)性能參數(shù)計算

1.2）效率計算

1.2.1）水力效率

=1+0.0835x

1.2.2）容積效率

1.2.3）機械效率

1.2.4）總效率η

1.3）理論軸功率P

2.02kW

電機功率系數(shù)選取1.25，考慮到大流量點7.2m3/h，軸功率為3.2 kW，功率為1.25x3.2=4kW，加上磁損耗1.66kW，所以電機選取7.5kW。目的就是保證大流量點不要超電機功率。

1.4）初步確定葉輪只要尺寸

1.4.1）進口當量直徑D0

=37.2mm

葉輪進口直徑 取50mm

1.4.2）葉輪出口寬度b2

出口寬度系數(shù) =0.18

出口寬度

取5mm

1.4.3）葉輪外徑D2

166 mm取169 mm

1.4.4）葉輪出口角β2

取35度

1.4.5）葉片數(shù) Z

6.18 取6

=47 mm

精算葉輪外徑（第一次）

理論揚程Ht

m

修正系數(shù)ψ

葉片軸面投影圖中線對軸的靜距S，近似認為ds=dR，則上式變?yōu)?/p>

有限葉片數(shù)修正系數(shù)P

無窮葉片數(shù)理論揚程

葉片出口排擠系數(shù)

出口軸面速度

0.757 m/s

出口圓周速度

30.28 m/s

出口直徑

與假定不符，進行第二次計算，取D2=196 mm

葉片出口排擠系數(shù)

出口軸面速度

0.64 m/s

出口圓周速度

30.19 m/s

出口直徑

與假定值接近，不再重新計算。實際葉輪直徑取198mm。

2磁驅(qū)設(shè)計與計算

磁力泵主要包括外磁轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和隔離套三大部件組成。

外磁轉(zhuǎn)子跟電機相聯(lián)，并處在大氣中，用能被磁化的普通鋼材制造，在外磁座的內(nèi)圓柱面上，也在平行軸線方向安裝8～28塊磁塊，為防腐在磁塊上涂耐腐蝕涂層。

內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與泵軸連成一體，整個轉(zhuǎn)子被包容在泵殼和隔離套內(nèi)并浸沒在輸送介質(zhì)中，具有全封閉特點，在內(nèi)磁座外圓柱面上裝有能被磁化的普通鋼材制造的導磁體，在導磁體上平行軸向方向安裝8～28塊磁塊，然后外圈加一層不銹鋼保護層，用氬弧焊焊接，不允許有泄露、氣孔。

磁力耦合器是構(gòu)成磁力泵實現(xiàn)無接觸動力傳遞的關(guān)鍵部件，從結(jié)構(gòu)形式上看，現(xiàn)較為廣泛采用的是圓筒形內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)，既有磁鋼組合成兩個圓筒形的磁轉(zhuǎn)子。內(nèi)、外磁鋼在同一軸線上，其充磁方向為圓筒形的直徑方向。磁鋼利用率高，在相同磁路參數(shù)下單位磁體積能夠產(chǎn)生較大的磁力矩，尤其適用于大功率場合。

2.1 磁路設(shè)計

（1）磁轉(zhuǎn)子長徑比的選擇

對磁轉(zhuǎn)子的基本要求是能夠滿足力矩要求，同時具有較低的渦流損失和較好的成本效益。從增大力矩和降低成本考慮，應(yīng)該增大外徑，但是會增加內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的摩擦損失和金屬隔離套在交變磁場中產(chǎn)生的渦流損失。由于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子在充滿液體的轉(zhuǎn)子室中高速旋轉(zhuǎn)，相互摩擦會產(chǎn)生很大的功率損失，一是與直徑的四次方成正比的圓柱面的摩擦損失，另一是與直徑的五次方成正比的圓盤摩擦損失。所以，外徑越大，摩擦損失就越大。并且渦流損失也與直徑的平方成正比。當然，磁轉(zhuǎn)子的直徑也不能過小，否則在保證扭矩時磁轉(zhuǎn)子就要加長，造成磁鋼用量增大，磁鋼的利用率降低，支撐不好解決，安裝也不方便。據(jù)專家們的理論研究和試驗研究，最大磁能積在300N·m時，磁轉(zhuǎn)子的長徑比選0.2～1;300N·m～500N·m時，取1～2;500N·m以上時，取2～3。轉(zhuǎn)速低、壓力小時取小值，轉(zhuǎn)速高、壓力大時取大值。

（2）磁路工作間隙的選擇

磁路工作間隙的選擇應(yīng)以磁傳動力矩一定時滿足磁耦合的實際需要為基礎(chǔ)，根據(jù)磁體的性能、幾何尺寸和隔離套的厚度來確定，其總間隙一般控制在5～8mm之間。

（3）磁鋼及導磁體厚度的選擇

磁體的厚度應(yīng)根據(jù)永磁材料的磁性能參數(shù)、磁路結(jié)構(gòu)以及最大靜磁力矩來確定，一般為4～8mm。導磁體，導磁體的厚度，為了形成磁斷路，防止漏磁，一般應(yīng)等于或者大于磁鋼厚度。

2.2磁路計算

磁路計算的目的是精確的計算出磁傳動力矩的大小，使其與原動機功率相匹配。但是由于磁性能參數(shù)之間的非線性關(guān)系，磁體內(nèi)部磁場分布的不均勻性，使得磁路的計算十分復雜。在精確的磁力計算中，一般直接采用磁場環(huán)路定律和磁性材料的B—H曲線來求解。一般來說，當磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計確定后，磁體的幾何尺寸、極數(shù)、工作間隙等參數(shù)均為已知，因此計算磁傳動力矩并不難。

在內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子上密布著N、S極相間排列的永磁體，當電機順時針方向旋轉(zhuǎn)，即當外磁轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過φ角時，如圖2所示。則磁極S1對N2的吸力F2和磁極S1對S2的斥力F3在內(nèi)磁轉(zhuǎn)子上的切向分力方向相同，并形成一個順時針方向的力矩?？梢哉J為，力矩T的大小與轉(zhuǎn)角φ之間的函數(shù)關(guān)系是正弦曲線。顯然，當轉(zhuǎn)角φ為每個磁塊中心角α的一半時，在整個內(nèi)磁轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的力矩為最大值。

最大磁傳動力矩Tmax的具體計算，不少學者在這方面作過詳細的推導，但由于其中影響因素較多，往往使理論計算值與實測值不能完全相符。因此，根據(jù)我們的理論分析和實驗驗證，提出下列經(jīng)驗公式

式中 —最大磁能積（MGs·Oe）

—磁路工作間隙（cm）

R—內(nèi)磁轉(zhuǎn)子半徑（cm）

a—磁塊長度（cm）

h—磁塊厚度（cm）

m—磁極數(shù)，一般取12～20

2.3隔離套設(shè)計

隔離套是磁力傳動密封的關(guān)鍵部件，安裝在內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子之間，當內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)動時，隔離套就處于近乎正弦變化的交變磁場中，并承受內(nèi)壓。因此，隔離套的設(shè)計除了要能承受足夠的內(nèi)壓之外，還要具有較低的渦流損失。所以，隔離套應(yīng)該選用電阻率大、機械強度高、耐腐蝕性好的非導磁材料制作。小型磁力泵可以采用非金屬材質(zhì)的隔離套，如高強度的工程塑料，因為非金屬材料不會產(chǎn)生渦流損失，其壁厚可以取2.5～4mm。為了提高隔離套的強度，也可以在非金屬隔離套中間放置網(wǎng)格型的加強筋。而當輸送介質(zhì)的壓力很高以至于必須采用金屬隔離套時，則選用316L或者鈦合金等不銹鋼。其中鈦合金不僅電阻率高，而且強度也高，故最為理想。金屬隔離套的厚度根據(jù)壓力的大小一般取0.8～2mm之間。

2.4磁塊設(shè)計

磁塊是磁力傳動的主要部件，目前常用的材料是釤鈷和釹鐵硼。評價磁性材料性能指標的主要參數(shù)為：

1.最大磁能積（BH）max磁能積是磁感應(yīng)強度和矯頑力的乘積，磁能積高，在相同尺寸下傳遞的功率大。

2. 磁感應(yīng)矯頑力（Hc）矯頑力高則退磁率小。

3. 剩余磁感應(yīng)強度（Br）磁感應(yīng)強度高，則傳遞功率大。

4. 居里點居里點高則使用溫度高。

本例介質(zhì)溫度是常溫，選用釹鐵硼磁塊。

選用N38SH型，（BH）max=38（MGs·Oe）

計算出 74.9 N·m，

渦流損失力矩：

=5.36（N·m）

式中 —最大扭矩（N·m）

—轉(zhuǎn)速（r/min）

r1—隔離套內(nèi)徑（m）

—隔離套厚度（m）

—電阻率（Ω）

隔離套材質(zhì)選用304，厚度1mm，電阻率為0.73x10-6Ω，渦流損失力矩：為1.66KW。

3軸承設(shè)計

磁力泵的可靠性和使用壽命在很大程度上取決于軸承和推力環(huán)這一對摩擦副。因此，軸承的優(yōu)化設(shè)計和軸承材料的選擇十分重要。

磁力泵通常采用滑動軸承，它應(yīng)具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、自潤滑性和足夠的支承強度，以保證泵的平穩(wěn)、可靠地運行。根據(jù)磁力泵的結(jié)構(gòu)特點，一般宜采用滑動軸承，軸承內(nèi)徑和止推面上應(yīng)開有滿足潤滑與冷卻的溝槽，形狀有螺旋形和直線形，溝槽的布置應(yīng)不影響軸承的正常工作和使用壽命。軸承的長徑比一般在1～2.5之間選取，兩軸承之間的距離通常取2～3倍的軸承直徑，軸承徑向壁厚應(yīng)保證轉(zhuǎn)軸的支承強度。

軸承材料的選擇，普遍采用的是摩擦系數(shù)小的碳化硅材料，在很高的線速度（100m/s）下和腐蝕介質(zhì)里，都能很好的自潤滑，長期穩(wěn)定的工作。

4結(jié)束語

磁力泵具有的全密封、無泄漏的特點，是其他機械傳動泵無法比擬的，。本人自行設(shè)計的磁力泵已在很多項目當中應(yīng)用。本研究成果實用、可靠，為從事泵專業(yè)設(shè)計人員提供理論參考，從而為進一步合理設(shè)計高性能的磁力泵提供依據(jù)。

參考文獻：

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