石油化工裝置磁力泵磁力聯(lián)軸器的設(shè)計與傳動特性分析

趙巖，朱英斌，劉欣朋，姜海礁，毛遠(yuǎn)光

（1.中國石油云南石化有限公司，云南昆明650300）

（2.中國石油大港油田石油工程研究院，天津 300280）

（3.中國石油吉林石化公司煉油廠，吉林吉林132001）

（4.中國石油吉林石化公司，吉林吉林 132001）

磁力泵是一種采用永磁聯(lián)軸工作原理將原動機(jī)與工作機(jī)聯(lián)接起來的離心泵，其核心部件為磁力聯(lián)軸器。磁力聯(lián)軸器采用全密封結(jié)構(gòu)，利用磁稠合特性使內(nèi)轉(zhuǎn)子隨著外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，避免了磁力泵在高危、高污行業(yè)中流體外泄，從而實(shí)現(xiàn)了輸送流體的零泄漏，因而在高危、高污流體輸送領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。此外，磁力聯(lián)軸器由于結(jié)構(gòu)簡單，具有過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，安裝要求低，減震效果好，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，具有很高的實(shí)用價值。目前，學(xué)者們對磁力泵的應(yīng)用研究較多，但對于其傳動性能的影響因素的研究還處于初級階段。針對目前在磁力傳動研究方面的不足，本文在現(xiàn)有高速“濕式”磁力傳動試驗(yàn)臺基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計并加工了一對圓筒型磁力聯(lián)軸器，以此展開傳動性能影響因素分析研究。

1 磁力泵磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

圓筒型磁力泵是最為常見的磁力泵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中磁力聯(lián)軸器由主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子隔離套三部分構(gòu)成，在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時，外轉(zhuǎn)子通過主動軸與原動機(jī)連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過從動軸與工作機(jī)連接，隔離套將內(nèi)外轉(zhuǎn)子隔離開來，外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間無直接接觸。運(yùn)轉(zhuǎn)時，外轉(zhuǎn)子由電機(jī)驅(qū)動，內(nèi)轉(zhuǎn)子在磁稠合作用下隨著外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，通過從動軸將旋轉(zhuǎn)傳遞給工作機(jī)。整個結(jié)構(gòu)無動密封，只有靜密封，完全做到了無泄漏，有效提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于對環(huán)保與密封要求高的石油化工行業(yè)。

圖1 磁力泵結(jié)構(gòu)圖

2 磁力聯(lián)軸器的設(shè)計

本文設(shè)計的磁力聯(lián)軸器磁設(shè)計圖和實(shí)物圖如圖2所示。整個結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外為內(nèi)導(dǎo)磁體材、內(nèi)磁鋼、隔離套、外磁鋼、外導(dǎo)磁體構(gòu)成。材料料選擇上，選用釹鐵硼N38SH作為磁鋼材料，選用A3鋼(Q235)作為導(dǎo)磁體材料，選用304不銹鋼為隔離材料，同時在內(nèi)磁轉(zhuǎn)子體外包覆一層抗腐蝕的高分子材料以防在流體對內(nèi)磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生銹蝕。每個導(dǎo)磁體內(nèi)都有16對級50mm瓦形磁鋼，充磁方式為徑向充磁，以貼嵌方式放置入導(dǎo)磁體中。

圖2 磁力聯(lián)軸器的設(shè)計圖與實(shí)物圖

3 磁力聯(lián)軸器傳動影響因素分析

3.1 磁極對數(shù)對傳動的影響探究

為了研究磁極對數(shù)量對傳輸?shù)挠绊?，使用有限元分析軟件進(jìn)行了瞬態(tài)場分析。圖3是沿軸向方向的不同磁極對的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量圖。從圖中可以看出，當(dāng)磁極對數(shù)較少時，在內(nèi)外電磁鋼之間形成的磁路更清晰，產(chǎn)生的磁路數(shù)與磁極對數(shù)一致。隨著磁極對的數(shù)量增加，磁勢回路逐漸變得混亂并且難以區(qū)分。這是因?yàn)閱蝹€磁塊的寬度變小，而磁極對的數(shù)量顯著增加，導(dǎo)致電磁鋼的體積減小。在磁體和相對相鄰的磁體之間可能會產(chǎn)生幾對相互吸引和排斥的力，這會削弱總力，并使可在磁體之間形成的磁環(huán)的密度降低，從而使變速箱旋轉(zhuǎn)。力矩值減小。對于幾個電磁鋼的對數(shù)，單個電磁鋼的體積相對較大，并且它與相對的電磁鋼之間的相互作用力受其他電磁鋼的力的影響較小，因此由它形成的磁勢環(huán)將是更明顯。

圖3 不同磁極對數(shù)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

3.2 工作轉(zhuǎn)速對傳動的影響探究

圖4顯示了轉(zhuǎn)矩峰值與速度的關(guān)系圖。從圖中的轉(zhuǎn)矩變化趨勢可以看出，磁轉(zhuǎn)矩隨著速度的增加而逐漸減小，但是減小的范圍很小，分別約為0.7%和0.5%。造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是由于在內(nèi)部和外部磁轉(zhuǎn)子的相對運(yùn)動過程中，金屬隔離套產(chǎn)生的感應(yīng)磁場引起的原始磁場減弱。隨著速度的增加，隔離套的電磁感應(yīng)線的切割頻率越來越快，其削弱作用越來越強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低。但是將感應(yīng)磁場的磁場強(qiáng)度與原始磁場的磁場強(qiáng)度進(jìn)行比較，感應(yīng)磁場強(qiáng)度很小，因此總體轉(zhuǎn)矩降低很小。

圖4 扭矩峰值隨轉(zhuǎn)速變化圖

3.3 工作溫度對傳動的影響探究

工作溫度將影響磁性材料的磁導(dǎo)率，從而導(dǎo)致磁轉(zhuǎn)子的傳輸效率低下并浪費(fèi)資源。通常，磁性材料的磁導(dǎo)率會隨著溫度的升高而降低。當(dāng)溫度升高超過材料的居里溫度時，將導(dǎo)致電磁鋼永久退磁，從而導(dǎo)致機(jī)器的破壞性損失。因此，有必要探索在不同的工作溫度下磁轉(zhuǎn)子可傳遞磁轉(zhuǎn)矩的大小。為了具體了解溫度對電磁轉(zhuǎn)子傳輸性能的影響程度，本節(jié)基于磁耦合制造商在6種不同溫度（20℃，60℃，80℃，100℃，120℃，150℃）下提供的NdFeB材料的磁性能測試報告，以探討磁性能變化對磁轉(zhuǎn)子傳動性能的影響。測試報告如圖5所示?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，磁性材料的主要性能參數(shù)（例如剩磁，磁感應(yīng)矯頑力，固有矯頑力和最大磁能積）均降低。

圖5 釹鐵硼材料在不同溫度下磁性能的測試

4 結(jié)語

本文分析了磁力聯(lián)軸器的工作原理，并制作了一款圓筒型磁力泵。通過多種分析方法，以磁轉(zhuǎn)矩和磁渦流損耗為評價指標(biāo)，分析了影響磁耦合傳動性能的因素。從磁極對的數(shù)量，工作速度和工作溫度這三個方面發(fā)展而來。結(jié)果表明：

（1）磁體對數(shù)對傳輸性能的影響：隨著磁體對數(shù)的增加，磁轉(zhuǎn)矩和磁渦流呈現(xiàn)出先增大后減小然后穩(wěn)定的趨勢。因此，存在最佳數(shù)量的磁極對以使磁轉(zhuǎn)矩和磁渦流損耗達(dá)到最佳值。進(jìn)一步分析了磁極對數(shù)的選擇，并引入電磁鋼材料利用率的概念對模型進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化計算。最終，比較表明，當(dāng)磁極對數(shù)為16對時，可得到模型產(chǎn)生的磁矩和磁渦流損耗。這是一個相對最佳的解決方案。

（2）工作速度對傳動性能的影響：速度的變化主要影響磁渦流的損失。隨著速度的增加，磁渦流損耗成倍增加。速度對磁轉(zhuǎn)矩的影響分析表明，其影響很小。這可能是由于速度變化產(chǎn)生的感應(yīng)磁場在一定程度上削弱了一次磁場的磁場強(qiáng)度，但與一次磁場相比，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場強(qiáng)度很小，因此速度會影響磁轉(zhuǎn)矩，但是很小。

（3）工作溫度對傳動性能的影響：溫度主要影響電磁鋼的導(dǎo)磁率，導(dǎo)致磁轉(zhuǎn)子的傳動性能減弱。通過分析電磁鋼在不同溫度下產(chǎn)生的最大磁轉(zhuǎn)矩和磁渦流損耗，可以看出溫度越高，電磁鋼可以傳遞的轉(zhuǎn)矩和磁鋼產(chǎn)生的磁渦流損耗就越大。下降的趨勢，并且下降的幅度非常大。根據(jù)磁轉(zhuǎn)矩的變化，對20°C時磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，在60°C時磁轉(zhuǎn)矩降低了2%，在150°C時磁轉(zhuǎn)矩降低了35%。 可以看出，高溫對磁轉(zhuǎn)子的傳遞有很大的影響。建議磁耦合系統(tǒng)的工作溫度不應(yīng)超過60°C。