小型螺旋电磁泵的设计

刘林顶

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.110

摘 要：电磁泵是利用磁场和导电流体中电流的相互作用，使流体受电磁力作用而产生压力梯度，从而推动流体运动的一种装置。该文针对某小型钠电磁泵（流量10 m3/h，扬程0.5 MPa）的技術要求，选择了三相交流螺旋感应泵的技术路线，采用公式法进行了计算，依据计算结果选定了关键参数和主要结构尺寸，由此确定了初步的设计方案。

关键词：电磁泵 设计 计算

中图分类号：TH35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0110-02

电磁泵是利用磁场和导电流体中电流的相互作用，使流体受电磁力作用而产生压力梯度，从而推动流体运动的一种装置。与机械泵相比，电磁泵具有无转动部件、无需动密封、结构简单、操作控制方便等优势，因此，电磁泵多用于液态金属回路的驱动。电磁泵广泛应用于冶金、铸造、化工和核电等领域。

1 主要技术要求

某小型钠电磁泵的主要技术要求见表1。

2 基本方案

2.1 技术路线的选择

按泵沟形式可将电磁泵划分为平面型、螺旋型和圆柱型。平面型泵沟截面呈矩形平面，感应器上下双面布置也可单面布置，感应器可拆分布置。由于泵沟呈线性，电磁分析相对容易，因此是研究分析其他泵沟形式的基础。同时，由于结构和制造工艺简单，平面泵得到了广泛应用。但由于叠制铁芯不封闭，导致磁场开路，会产生边缘效应（导致磁通密度下降、附加损耗增加等）。有文献指出，利用平面泵压送碱金属时，其效率在25%～40%。扬程高和流量小时，效率较低[1]。

圆柱型泵沟截面呈环形，感应器布置在外圆筒壁上，内圆筒放有内置铁芯，感应器为一整体。圆柱泵的主要优点有：感应器绕组没有端部，从而铜损较小；没有横向边缘效应；泵沟的水力损失较小。圆柱型泵的硅钢片沿轴线方向叠制，这种铁芯的叠制方法在结构上有很大困难，而感应器和中间铁芯的固定方法更是复杂，且散热条件也较差。为了克服这些困难，不得不增大铁芯直径，因而不能满意地制造小流量的圆柱型泵。通常意义上来讲，圆柱泵适用于低扬程、大流量的场合。

螺旋型泵沟呈螺线形布置在薄壁圆柱体上，外面布置有感应器，圆筒内布置有铁芯，感应器可拆分布置。由于螺旋泵的泵沟是多圈的，因此可用于高扬程（几兆帕）的场合。螺旋泵由于液体在磁场中的轴向运行产生了附加损耗，因此水力损失比较大。通常意义上来讲，螺旋泵适用于高扬程、小流量的场合。

通过上述分析，结合某小型钠电磁泵的使用特点和技术要求，该方案采用三相交流螺旋感应泵，依靠空气自然冷却，感应器可拆分。

2.2 材料选取

从与钠的相容性和在高温下的使用环境方面考虑，泵沟应选用耐高温的奥氏体不锈钢材料。另外，泵沟壁是构成大的电流损失的所在，因此泵沟壁厚应在按强度考虑所允许的范围内尽可能薄，泵沟材料选用316H。

为了保证电磁泵能够长期稳定运行，散热问题显得尤为重要，提高线圈绝缘的耐温是解决散热问题的途径之一，普通漆包线的绝缘漆耐温只有一两百摄氏度，目前耐温等级高的漆包线为聚酰亚胺漆包线，其耐温为220 ℃，因此选用的这种漆包线。

另外，泵的支撑部件、法兰采用Q235，线槽（外壳）的绝缘使用云母片，铁芯采用0.5 mm厚相互绝缘的硅钢片叠制而成，绕组的接线采用镀镍的铜合金。

2.3 设计要点

2.3.1 线圈布置

该方案采用4极24槽三相式绕组[2]，为了满足绕组线圈的可拆卸性，将绕组沿轴线方向划分为两半，即1～12槽作为一个整体，13～24槽作为一个整体。其中，U相绕组的相带U1包含导体1、2、13、14，U2包含导体7、8、19、20；V相绕组的相带V1包含导体5、6、17、18，V2包含导体11、12、23、24；W相绕组的相带W1包含导体9、10、21、22，W2包含导体3、4、15、16。

2.3.2 绕组接法

三相线圈之间的接法有两种，分别是星型接法和三角形接法。在电源输出功率一定的情况下，三角形接法的相电流为星型接法的，这样就能有效保证绕组线圈电流值相对较小，从而使绕组散热较小。因此，该方案中三相线圈选择三角形接法。

2.3.3 散热设计

对于电磁泵来说，为了保证电磁泵能够长期稳定运行，对其散热的考虑至关重要。电磁泵的热量主要有两个来源：（1）线圈导线本身通电所产生的焦耳热，这在电磁泵的发热量中比重最大；（2）由高温泵沟通过保温层传导到电磁泵绕组的热量。针对这两个热量主要来源，解决的途径也主要集中在以下两点：（1）使用耐温尽可能高的材料。为了保证电磁泵的使用寿命，就必须确保电磁泵的各个部件都工作在其最高耐温之下。电磁泵的部件中，泵沟、结构以及支撑部件等都使用的金属材料，耐温较高；而绕组线圈的绝缘耐温最为薄弱，该方案选用耐温220 ℃的聚酰亚胺漆包线。（2）在泵沟外加保温层。增加了保温层会减少泵沟向绕组的传热，对降低绕组线圈的温度是有利的，但增加了保温层会增大气隙间隙，从而会影响作用到液态金属上的磁场强度。因此，存在一个最佳保温厚度，要通过大量试验得到合适的保温厚度，但可以肯定的是应使用导热系数尽可能小的保温材料，这样在同样的绝热效果下会使保温层的厚度减小。

3 设计计算

3.1 计算依据

电磁泵的初步计算应给定以下数据：（1）压差；（2）流量Q；（3）工作温度t；（4）电源电压U；（5）电源频率f；（6）工作温度下液态金属钠的密度ρ；（7）工作温度下液态金属钠的电导率σf；（8）工作温度下液态金属钠的运动粘性系数ν；（9）泵沟壁材料（316H）的电导率σw。其中，（6）～8）由《载热质物性计算程序及数据手册》[3]查取。

为了电磁泵的初步计算，应选定以下数据：（1）磁极对数p；（2）泵沟外径D；（3）泵沟通道宽度2b；（4）泵沟通道高度2a；（5）泵沟壁厚αw；（6）铁芯长度；（7）磁场铁芯间气隙2δ；（8）半波内每相占槽数q。

设计计算参照《液态金属电磁泵》[4]进行，同时参考了《异步电动机设计手册》[5]中有关直线异步电动机设计相关章节的内容。该设计以平面型感应电磁泵的电磁学方法进行设计计算，同时根据螺旋泵几何上的特点，对有些公式中的某些参数进行了调整。根据给定和选定的参数，进行电磁学方面的计算，校核齿和铁芯磁轭的磁感应强度不超过饱和值，校核通过后算出有功功率、视在功率和水力效率等参数。

3.2 关键参数的确定

根据初步计算结果和技术要求，该方案所确定的关键参数见表2，其主要的结构尺寸见表3。

3.3 计算结果分析

如前所述，该设计为了计算和分析上的简单，使用了平面泵的电磁学设计计算方法，在这里有必要讨论一下这种处理方式的合理性。螺旋泵和平面泵的工作过程基本上是一样的，由于螺旋泵磁场间的气隙和所处的半径相比较总是很小的，而且螺旋角较大，所以形式上流体虽然是在圆柱面上流动，而分析上却可以把它看作平面流动，且误差较小，但这样可以使分析计算大为简化。

螺旋型泵沟结构上比平面泵复杂，但工作过程却简单得多，特别是由于电磁回路没有纵向端部效应，使问题大为简化。螺旋泵一般不单独安装短路环，它的作用就由进出口集流环内的液态金属来充当[1]。在该设计计算中，就是按照有短路条、液态金属中感生出的电流能顺利导通来计算的。

按照绕组和铁芯布置的不同，平面泵主要有双面铁芯双面绕组和双面铁芯单面绕组两种形式。螺旋泵外部感应器的铁芯具有绕组，而其泵沟内部仅布置有铁芯，螺旋形泵沟内置铁芯具有一定的加强磁场的作用，但最主要的磁场还是来自于泵沟外部的感应器铁芯。在计算时就应将其按照双面铁芯单面绕组处理。

4 结语

该文简述了某小型（流量10 m3/h）钠电磁泵的初步设计，拟采用螺旋型感应泵，采用三相380 V电源供电，依靠空气自然冷却，流量和扬程由变频器调节，感应器可拆分。对拟采用方案进行了初步电磁学计算，根据计算结果以及技术任务书的要求确定了关键参数和主要结构尺寸。

該方案仅是电磁泵的初步设计方案，特别是关键参数和结构尺寸的计算，有些系数的选取是偏于保守，某些系数的确定更是没有准确的依据（在范围内任取了某一值），但这些计算结果还是具有重要的参考意义和指导价值的。更细致的设计有待今后利用专业的电磁计算分析软件进行，同时能及时进行相关试验，通过大量的试验对设计不断进行完善和优化。

参考文献

[1] N.A.丘京，著.液态金属电磁泵[M].严陆光，译.科学出版社，1964.

[2] 姜孝定.三相异步电动机绕组改接与计算[M].机械工业出版社，1997.

[3] 居怀明，徐元辉，李怀萱，等.载热质物性计算程序及数据手册[M].原子能出版社，1990.

[4] 中国科学院力学研究所和上海电器科学研究所电磁泵小组.液态金属电磁泵[M].科学出版社，1979.

[5] 傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册[M].2版.机械工业出版社，2006.