磁傳動化工泵用耦合器的設計

劉永昌 李銀銀

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

石油化工生產過程中，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，一旦發生泄露，必然造成了原料與能源的浪費，甚至會發生火災、爆炸、環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，其中泵的密封為動密封，密封十分困難。魏龍[2]等人在《石油化工泵用機械密封的可靠性參數估計》一文中對泵的機械密封的可靠性參數估計進行了分析。王耀紅[3]等人對IFW型無泄漏化工泵進行了研究。劉建瑞、王世永[4]等人對化工泵的磁力耦合傳動進行了設計，介紹了化工泵磁力耦合傳動的結構原，以及磁性材料的選擇、磁鋼形式與磁力矩的計算等，對磁力耦合傳動的設計有一定的指導意義。在化工泵的耦合器選擇中，人們一般選擇稀土永磁體。稀土永磁體價格相對較貴，研究各尺寸參數對耦合器磁力矩的影響，對耦合器的優化具有重要意義。耦合器結構相對復雜，本文運用有限元方法對磁傳動化工泵用耦合器進行三維模擬計算。

1 磁傳動裝置的原理及構成

磁傳動化工泵由泵、磁耦合器、電動機等三部分組成。關鍵部件磁力耦合器一般由外磁轉子、內磁轉子和隔離套組成。當電機帶動外磁轉子旋轉時，磁場能穿透空氣間隙和非磁性物質，帶動與葉輪軸相連的內磁轉子做同步旋轉，實現動力的無接觸傳遞，將化工泵的動密封轉為靜密封。由于泵軸和內磁轉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 磁傳動化工泵示意圖

隔離套位于內、外磁體間，將內、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，太厚，則增加內、外磁鋼的間隙尺寸，從而影響磁傳動效率；太薄，則影響強度。在耦合器旋轉時，整個磁場隨耦合器一起旋轉，如果隔離套采用金屬材料，便會產生渦流，使耦合器效率變差，故一般在滿足強度要求的前提下，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，內外磁體與隔離套間的間隙為2mm，分析磁耦合器的尺寸參數對耦合器磁力矩的影響。

當主動磁極以速度v運動時，從動磁極也跟著運動，主動磁極對從動磁極的磁力作用在運動方向上的分量是相疊加，而在垂直于運動方向上的分量則是相互抵消的。從動磁極主動磁極的磁力作用下逐漸加速到穩定后以速度v同步運動，實現了運動和力的傳遞。在運動狀態達到穩定時，主從動磁體之間交錯的位移保持恒定。

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展迅速，價格相對便宜，采用汝鐵硼永磁體是磁力傳動的首選材料。在計算耦合器傳遞的力矩時，我們作以下假設：準靜態的磁場相互作用；完全線性的去磁曲線。在以上的假設下，磁場服從退化的麥克斯韋方程[5]：

式中，B為磁感應強度，H為磁場強度，JS為電流密度，μ0是真空中的磁導率，μr是相對磁導率，M為磁化強度。

對于上述的麥克斯韋方程，考慮在所研究的區域內沒有宏觀電流，即▽×H＝0，磁場為無旋場，我們可以采用標量磁勢來進行分析。

磁體之間的作用力考慮采用虛位移計算法，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，磁場所產生轉矩T用下式計算：

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

磁力耦合器的的示意圖如圖2，運用ansys對磁耦合器的各尺寸參數對磁力矩的影響進行分析。在耦合器的設計中內磁體外半徑為50mm，外磁體內半徑為60mm。內外磁體的間隙對磁力矩的影響較大,在間隙一定時影響磁力矩的尺寸因素主要有磁體的數目,內外磁體厚度，磁體的軸向長度。

磁力矩隨磁體的數目增多而增大，如圖3所示。但數目增多到一定程度后，磁力矩增加緩慢，每塊磁體的強度降低。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。但當磁體厚度增多到一定程度后磁力矩趨于穩定，應當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。在圖4中以內此題為例，外磁體效果與上圖基本相同。

圖4 磁力矩與磁體厚度關系

軸向長度越長，磁體兩端的端部效應對磁力矩的影響越小，但當磁體的塊數和厚度都為最優時，若要磁力矩足夠大且磁體最省時，軸向長度須是一個自變量，由磁力矩的大小決定。

3 總結

在設計磁耦合器時，首先根據要求確定出內磁體外徑和外磁體內經，然后根據以上計算方法確定出耦合器合理的磁體塊數和內外磁體的厚度，然后可以根據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到磁力要求，又可節省費用，達到優化的目的。

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

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

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

［4］劉建瑞.化工泵磁力藕合傳動的設計[J].流體機械,2001,29(12):36-38.

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

［6］周志宏.動失水儀的矩形磁體磁藕合器設計[J].石油機械,2003,31(9):25-27.