軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的增強(qiáng)措施探討

陽國(guó)紅

（東富龍科技集團(tuán)股份有限公司，上海 201108）

磁力驅(qū)動(dòng)是以現(xiàn)代磁學(xué)的基本理論，應(yīng)用永磁材料所產(chǎn)生的磁力作用，來實(shí)現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩?zé)o接觸傳遞的一種新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的裝置稱為磁力驅(qū)動(dòng)裝置。在化工、食品和制藥等行業(yè)中，很多物料的毒性或腐蝕性極強(qiáng)，且有的物料不允許與外界有任何交叉污染風(fēng)險(xiǎn)的存在，這些物料的攪拌反應(yīng)過程就需要無磨損、零泄漏的磁力驅(qū)動(dòng)。隨著市場(chǎng)需求量的急劇增加，也就推動(dòng)了磁力驅(qū)動(dòng)裝置的快速發(fā)展。磁力驅(qū)動(dòng)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，從根本上消除了轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的磨損和泄漏等問題，但是也存在一些缺點(diǎn)，比如磁場(chǎng)的存在可干擾周圍環(huán)境，啟動(dòng)過程中易產(chǎn)生滯后，磁塊之間存在工作氣隙從而導(dǎo)致傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高，轉(zhuǎn)動(dòng)速度較高時(shí)，主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滑磁現(xiàn)象。

磁力驅(qū)動(dòng)裝置有軸向驅(qū)動(dòng)和徑向驅(qū)動(dòng)兩種主要形式，本文重點(diǎn)介紹影響軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要因素，并根據(jù)這些主要因素分析探討在不影響正常使用的情況下增強(qiáng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的一些方案措施，且對(duì)每種措施的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和比對(duì)。

軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置主要由主動(dòng)磁轉(zhuǎn)子、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子、固定托盤和定位隔離裝置等組成，如圖1 中所示是制藥行業(yè)中普遍應(yīng)用于一次性系統(tǒng)中的軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置，被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子及其固定托盤屬于一次性無菌攪拌袋中的攪拌裝置，固定托盤就是用于隔離被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子和主動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的隔離裝置。

圖1 軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the axial magnetic drive mechanism

1 軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

制藥行業(yè)中一次性生物反應(yīng)器的磁力攪拌裝置就是最典型的軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置，在特定的攪拌物料內(nèi)，根據(jù)所設(shè)定的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌器直徑，可以用理論計(jì)算出對(duì)應(yīng)所需的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩。以下參照某工程案例中已知的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

表1 中為某工程案例已知的有關(guān)攪拌的設(shè)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)表1 已知的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)攪拌所需的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，以下是詳細(xì)的計(jì)算過程。

表1 攪拌設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of the agitation

（1）雷諾數(shù)為：

（2）查圖表可得功率準(zhǔn)數(shù)為：

NP= 0.3

（3）攪拌葉輪線速度為：

（4）計(jì)算功率為：

（5）所需的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

如上計(jì)算所得為該攪拌裝置在給定的物料中能夠正常攪拌時(shí)所需的最小傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，若磁力驅(qū)動(dòng)所能傳遞的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于該最小傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則該攪拌裝置能正常平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)工作，反之則會(huì)由于滑磁而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表2 中為該工程案例已知的有關(guān)磁塊的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 磁塊設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of the magnetic patch

根據(jù)表2 中的設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)磁路概念給出的平面軸向磁力耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，以下是詳細(xì)的計(jì)算過程：

（1）主動(dòng)和被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子所有磁塊的總體積為：

（2）真空磁導(dǎo)率為：

（3）永磁體的平均軸向長(zhǎng)度為：

（4）傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

通過對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和比對(duì)，在理論情況下，當(dāng)剩磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.655 T 且工作總氣隙為1.03×10-4m 時(shí)，T0＜Tmin，即磁驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足所需的轉(zhuǎn)矩值，主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子會(huì)由于滑磁而無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，于是達(dá)不到理想的最高攪拌轉(zhuǎn)速。這種情況在實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)遇到，對(duì)于工程技術(shù)人員來說是一個(gè)非常棘手的問題。如何在外界條件有限的情況下有效地增強(qiáng)磁力驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩就顯得尤為重 要。

2 增強(qiáng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的措施

2.1 增大永磁體的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度

從以上傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式可以看出，增大永磁體的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度即可增加傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩。若將剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 由0.655 T 增大到0.71 T 時(shí)，則傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

由此計(jì)算結(jié)果可得，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩將增大約17%，此時(shí)T0＞Tmin，主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子便可以正常傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br是從磁性體的飽和狀態(tài)，把磁場(chǎng)沿飽和磁滯回線單調(diào)地減小到零時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。通俗地講就是將一個(gè)磁體在閉路環(huán)境下被外磁場(chǎng)充磁到技術(shù)飽和后撤銷外磁場(chǎng)，此時(shí)磁體表現(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱之為剩磁。它是磁性材料最基本的磁特性，表征了磁體所能提供的最大磁通值。釹鐵硼是現(xiàn)如今發(fā)現(xiàn)的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br最高的實(shí)用永磁材料，具有優(yōu)越的磁能積。但是在合理選用磁性材料時(shí)，也要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

2.2 減小主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的工作總氣隙

根據(jù)如上計(jì)算公式，若將工作總氣隙Lg由1.03×10-2m 減小到9.3×10-3m 時(shí)的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

由此計(jì)算結(jié)果可得，工作氣隙減小1 mm 后，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩將增大約17%，此時(shí)T0＞Tmin，主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子便可以正常傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可見對(duì)于磁力驅(qū)動(dòng)來說，這減小的1 mm 氣隙是多么關(guān)鍵，也進(jìn)一步證實(shí)了工作總氣隙對(duì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響是不可小視的，工作總氣隙越小，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩就越大。

很多時(shí)候需要提高磁力驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，也就是說需要較高的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)如果工作氣隙較大就很容易滑磁，從而無法正常進(jìn)行傳動(dòng)。故減小主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的工作氣隙是增強(qiáng)磁力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩最直接且最有效的措施。但是工作氣隙太小，肯定會(huì)給制造、安裝及使用帶來很多麻煩，比如主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子吸合后軸向吸力非常大，固定托盤會(huì)變形，磁轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)與靜止的固定托盤產(chǎn)生摩擦，從而導(dǎo)致無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

所以在不影響磁力驅(qū)動(dòng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下如何保證最小的工作氣隙就顯得尤為重要且關(guān)鍵，圖1 中的定位隔離裝置就是一個(gè)非常關(guān)鍵的零部件。以下對(duì)該定位隔離裝置進(jìn)行詳細(xì)地剖析和探討，定位隔離裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 定位隔離裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the positioned and shielded device

該裝置主要由定位桿、壓緊塊、平面軸承、深溝球軸承和緊固螺栓等組成，定位桿的上表面與靜止的固定托盤接觸，壓緊塊和深溝球軸承的外側(cè)面和底面與旋轉(zhuǎn)的磁轉(zhuǎn)子接觸。這樣通過兩組軸承的合理結(jié)合，內(nèi)外旋轉(zhuǎn)組件即可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)自由且平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)。主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子吸合后軸向吸力是非常大的，該裝置的初始結(jié)構(gòu)沒有平面軸承，由一開始的單深溝球軸承改進(jìn)為雙深溝球軸承，但是由于軸向力非常大，甚至在短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，軸承都被壓碎了。該裝置經(jīng)過多次改進(jìn)和迭代，最后改進(jìn)為平面軸承和深溝球軸承的組合。該裝置中平面軸承能承受較大的軸向力，深溝球軸承能承受較高的轉(zhuǎn)速，且可以有效地矯正主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的不平行度。兩種軸承相互結(jié)合后可以使裝置平穩(wěn)、高速且持久地運(yùn)轉(zhuǎn)。

綜合對(duì)比如上兩種增強(qiáng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的措施，不難發(fā)現(xiàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)選用剩磁感應(yīng)強(qiáng)度較高的磁性材料時(shí)可以增強(qiáng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但是如果需求量較大的話，成本經(jīng)濟(jì)性方面也是必須要考慮的。當(dāng)減小主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的工作氣隙時(shí)也能有效地增強(qiáng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但是工作氣隙減小到一定程度時(shí)，哪怕再減小1 mm 也是非常困難的，勢(shì)必會(huì)帶來很多連帶的問題。如上的定位隔離裝置就起到了非常關(guān)鍵的作用，在以上工程案例中，通過該裝置可以使被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的固定托盤與主動(dòng)磁轉(zhuǎn)子之間的表面間隙控制在0.5～0.8 mm 左右，該間隙已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了。

3 結(jié)束語

對(duì)于磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)，軸向磁力驅(qū)動(dòng)裝置的應(yīng)用非常普遍且常見，在化工、食品和制藥等行業(yè)中，有著非常廣泛的應(yīng)用，磁力攪拌、磁力驅(qū)動(dòng)泵以及磁力驅(qū)動(dòng)閥門等等都是很好的應(yīng)用實(shí)例。但是目前系統(tǒng)論述磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面的有關(guān)書籍確實(shí)很少，這方面就需要很多的技術(shù)研究人員進(jìn)行大量的理論分析計(jì)算和實(shí)踐論證，從而推動(dòng)該技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

在很多工程實(shí)例中經(jīng)常會(huì)遇到本文中提到的主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子滑磁的現(xiàn)象，于是在各個(gè)條件參數(shù)都不改變的情況下，只能被迫降低所需的最高轉(zhuǎn)速，從而很難達(dá)到攪拌工藝所需的效果。如上提到的定位隔離裝置是經(jīng)過很多很多次的理論分析計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終改進(jìn)并迭代而研發(fā)出的小裝置，該裝置已經(jīng)在眾多項(xiàng)目中得到了成功的驗(yàn)證。初始無該裝置時(shí)，主、被動(dòng)磁轉(zhuǎn)子吸合后，軸向吸力非常大，導(dǎo)致固定托盤變形，磁轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)與靜止的固定托盤產(chǎn)生摩擦，且最高攪拌轉(zhuǎn)速只能達(dá)到100 r/min。增加該研發(fā)裝置并多次改進(jìn)后，攪拌裝置便可以平穩(wěn)、高速且持久地運(yùn)轉(zhuǎn)，且最高攪拌轉(zhuǎn)速甚至可以達(dá)到120 r/min 左右。由此可見該定位隔離裝置在磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域有著不可估量的作用。

對(duì)于專業(yè)技術(shù)人員來說，不能被固有的思維所禁錮，在遇到難題時(shí)一定要大膽地嘗試各種方案措施，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證失敗后更不能輕易放棄，每一次小小的改進(jìn)終將會(huì)得到成功的反饋。