磁力泵的设计与研发

任晓峰

摘要：现代社会的高速发展，石化和天然气工业以及制造业的突飞猛进，必然带来全球环境的污染和破坏。为此一款节能、环保的工业用泵急需开拓。磁力泵是一款无密封、无泄漏、对环境零污染的产品，响应了国家提倡环保的号召，深受广大客户的信赖。

关键词：磁力泵;磁驱设计

中圖分类号：XXX              文献标识码：A           文章编号：xxxx-xxxx（xxxx）xx-xxxx-xx

1引言

随着现代工业的高速发展，环境污染、破坏越来越严重，磁力泵以无密封、无泄漏、对环境零污染的优势深受石化行业、造纸等制造业的认可。本文就多晶硅埃肯有机硅项目展开磁力泵的论述。本例输送介质名称是硅油，性能参数H=37m，Q=5m3/H，t=常温，比重γ=1000kg/m3。

1水力设计

为了此泵的拓展，把设计参数改为Q=6m3/h，H=55m工况设计。

1.1）比转数计算

根据性能参数计算

1.2）效率计算

1.2.1）水力效率

=1+0.0835x

1.2.2）容积效率

1.2.3）机械效率

1.2.4）总效率η

1.3）理论轴功率P

2.02kW

电机功率系数选取1.25，考虑到大流量点7.2m3/h，轴功率为3.2 kW，功率为1.25x3.2=4kW，加上磁损耗1.66kW，所以电机选取7.5kW。目的就是保证大流量点不要超电机功率。

1.4）初步确定叶轮只要尺寸

1.4.1）进口当量直径D0

=37.2mm

叶轮进口直径 取50mm

1.4.2）叶轮出口宽度b2

出口宽度系数 =0.18

出口宽度

取5mm

1.4.3）叶轮外径D2

166 mm取169 mm

1.4.4）叶轮出口角β2

取35度

1.4.5）叶片数 Z

6.18 取6

=47 mm

精算叶轮外径（第一次）

理论扬程Ht

m

修正系数ψ

叶片轴面投影图中线对轴的静距S，近似认为ds=dR，则上式变为

有限叶片数修正系数P

无穷叶片数理论扬程

叶片出口排挤系数

出口轴面速度

0.757 m/s

出口圆周速度

30.28 m/s

出口直径

与假定不符，进行第二次计算，取D2=196 mm

叶片出口排挤系数

出口轴面速度

0.64 m/s

出口圆周速度

30.19 m/s

出口直径

与假定值接近，不再重新计算。实际叶轮直径取198mm。

2磁驱设计与计算

磁力泵主要包括外磁转子、内磁转子和隔离套三大部件组成。

外磁转子跟电机相联，并处在大气中，用能被磁化的普通钢材制造，在外磁座的内圆柱面上，也在平行轴线方向安装8～28块磁块，为防腐在磁块上涂耐腐蚀涂层。

内磁转子与泵轴连成一体，整个转子被包容在泵壳和隔离套内并浸没在输送介质中，具有全封闭特点，在内磁座外圆柱面上装有能被磁化的普通钢材制造的导磁体，在导磁体上平行轴向方向安装8～28块磁块，然后外圈加一层不锈钢保护层，用氩弧焊焊接，不允许有泄露、气孔。

磁力耦合器是构成磁力泵实现无接触动力传递的关键部件，从结构形式上看，现较为广泛采用的是圆筒形内磁式结构，既有磁钢组合成两个圆筒形的磁转子。内、外磁钢在同一轴线上，其充磁方向为圆筒形的直径方向。磁钢利用率高，在相同磁路参数下单位磁体积能够产生较大的磁力矩，尤其适用于大功率场合。

2.1 磁路设计

（1）磁转子长径比的选择

对磁转子的基本要求是能够满足力矩要求，同时具有较低的涡流损失和较好的成本效益。从增大力矩和降低成本考虑，应该增大外径，但是会增加内磁转子的摩擦损失和金属隔离套在交变磁场中产生的涡流损失。由于内磁转子在充满液体的转子室中高速旋转，相互摩擦会产生很大的功率损失，一是与直径的四次方成正比的圆柱面的摩擦损失，另一是与直径的五次方成正比的圆盘摩擦损失。所以，外径越大，摩擦损失就越大。并且涡流损失也与直径的平方成正比。当然，磁转子的直径也不能过小，否则在保证扭矩时磁转子就要加长，造成磁钢用量增大，磁钢的利用率降低，支撑不好解决，安装也不方便。据专家们的理论研究和试验研究，最大磁能积在300N·m时，磁转子的长径比选0.2～1;300N·m～500N·m时，取1～2;500N·m以上时，取2～3。转速低、压力小时取小值，转速高、压力大时取大值。

（2）磁路工作间隙的选择

磁路工作间隙的选择应以磁传动力矩一定时满足磁耦合的实际需要为基础，根据磁体的性能、几何尺寸和隔离套的厚度来确定，其总间隙一般控制在5～8mm之间。

（3）磁钢及导磁体厚度的选择

磁体的厚度应根据永磁材料的磁性能参数、磁路结构以及最大静磁力矩来确定，一般为4～8mm。导磁体，导磁体的厚度，为了形成磁断路，防止漏磁，一般应等于或者大于磁钢厚度。

2.2磁路计算

磁路计算的目的是精确的计算出磁传动力矩的大小，使其与原动机功率相匹配。但是由于磁性能参数之间的非线性关系，磁体内部磁场分布的不均匀性，使得磁路的计算十分复杂。在精确的磁力计算中，一般直接采用磁场环路定律和磁性材料的B—H曲线来求解。一般来说，当磁路结构设计确定后，磁体的几何尺寸、极数、工作间隙等参数均为已知，因此计算磁传动力矩并不难。

在内、外磁转子上密布着N、S极相间排列的永磁体，当电机顺时针方向旋转，即当外磁转子相对于内磁转子转过φ角时，如图2所示。则磁极S1对N2的吸力F2和磁极S1对S2的斥力F3在内磁转子上的切向分力方向相同，并形成一个顺时针方向的力矩。可以认为，力矩T的大小与转角φ之间的函数关系是正弦曲线。显然，当转角φ为每个磁块中心角α的一半时，在整个内磁转子上产生的力矩为最大值。

最大磁传动力矩Tmax的具体计算，不少学者在这方面作过详细的推导，但由于其中影响因素较多，往往使理论计算值与实测值不能完全相符。因此，根据我们的理论分析和实验验证，提出下列经验公式

式中 —最大磁能积（MGs·Oe）

—磁路工作间隙（cm）

R—内磁转子半径（cm）

a—磁块长度（cm）

h—磁块厚度（cm）

m—磁极数，一般取12～20

2.3隔离套设计

隔离套是磁力传动密封的关键部件，安装在内、外磁转子之间，当内、外磁转子相对转动时，隔离套就处于近乎正弦变化的交变磁场中，并承受内压。因此，隔离套的设计除了要能承受足够的内压之外，还要具有较低的涡流损失。所以，隔离套应该选用电阻率大、机械强度高、耐腐蚀性好的非导磁材料制作。小型磁力泵可以采用非金属材质的隔离套，如高强度的工程塑料，因为非金属材料不会产生涡流损失，其壁厚可以取2.5～4mm。为了提高隔离套的强度，也可以在非金属隔离套中间放置网格型的加强筋。而当输送介质的压力很高以至于必须采用金属隔离套时，则选用316L或者钛合金等不锈钢。其中钛合金不仅电阻率高，而且强度也高，故最为理想。金属隔离套的厚度根据压力的大小一般取0.8～2mm之间。

2.4磁块设计

磁块是磁力传动的主要部件，目前常用的材料是钐钴和钕铁硼。评价磁性材料性能指标的主要参数为：

1.最大磁能积（BH）max磁能积是磁感应强度和矫顽力的乘积，磁能积高，在相同尺寸下传递的功率大。

2. 磁感应矫顽力（Hc）矫顽力高则退磁率小。

3. 剩余磁感应强度（Br）磁感应强度高，则传递功率大。

4. 居里点居里点高则使用温度高。

本例介质温度是常温，选用钕铁硼磁块。

选用N38SH型，（BH）max=38（MGs·Oe）

计算出 74.9 N·m，

涡流损失力矩：

=5.36（N·m）

式中 —最大扭矩（N·m）

—转速（r/min）

r1—隔离套内径（m）

—隔离套厚度（m）

—电阻率（Ω）

隔离套材质选用304，厚度1mm，电阻率为0.73x10-6Ω，涡流损失力矩：为1.66KW。

3轴承设计

磁力泵的可靠性和使用寿命在很大程度上取决于轴承和推力环这一对摩擦副。因此，轴承的优化设计和轴承材料的选择十分重要。

磁力泵通常采用滑动轴承，它应具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性和足够的支承强度，以保证泵的平稳、可靠地运行。根据磁力泵的结构特點，一般宜采用滑动轴承，轴承内径和止推面上应开有满足润滑与冷却的沟槽，形状有螺旋形和直线形，沟槽的布置应不影响轴承的正常工作和使用寿命。轴承的长径比一般在1～2.5之间选取，两轴承之间的距离通常取2～3倍的轴承直径，轴承径向壁厚应保证转轴的支承强度。

轴承材料的选择，普遍采用的是摩擦系数小的碳化硅材料，在很高的线速度（100m/s）下和腐蚀介质里，都能很好的自润滑，长期稳定的工作。

4结束语

磁力泵具有的全密封、无泄漏的特点，是其他机械传动泵无法比拟的，。本人自行设计的磁力泵已在很多项目当中应用。本研究成果实用、可靠，为从事泵专业设计人员提供理论参考，从而为进一步合理设计高性能的磁力泵提供依据。

参考文献：

[1]关醒凡现代泵技术手册 [M].北京：宇航出版社

[2]施卫东磁力驱动泵的功率损失分析. 水泵技术，1999（2）

[3]施卫东全密封无泄露磁力泵研究综述[M].江苏：动力工程，1999.