磁传动化工泵用耦合器的设计

刘永昌 李银银

（1.竹山县深河乡中心学校，湖北 竹山 442200；2.长江大学，湖北 荆州 434023）

石油化工生产过程中，流体大都具有可燃性、腐蚀性、毒性，或是流体为贵重液体。在流体的输送过程中，一旦发生泄露，必然造成了原料与能源的浪费，甚至会发生火灾、爆炸、环境污染与人身伤亡等重大事故[1]。流体的泄露主要来自泵、阀门与管道，其中泵的密封为动密封，密封十分困难。魏龙[2]等人在《石油化工泵用机械密封的可靠性参数估计》一文中对泵的机械密封的可靠性参数估计进行了分析。王耀红[3]等人对IFW型无泄漏化工泵进行了研究。刘建瑞、王世永[4]等人对化工泵的磁力耦合传动进行了设计，介绍了化工泵磁力耦合传动的结构原，以及磁性材料的选择、磁钢形式与磁力矩的计算等，对磁力耦合传动的设计有一定的指导意义。在化工泵的耦合器选择中，人们一般选择稀土永磁体。稀土永磁体价格相对较贵，研究各尺寸参数对耦合器磁力矩的影响，对耦合器的优化具有重要意义。耦合器结构相对复杂，本文运用有限元方法对磁传动化工泵用耦合器进行三维模拟计算。

1 磁传动装置的原理及构成

磁传动化工泵由泵、磁耦合器、电动机等三部分组成。关键部件磁力耦合器一般由外磁转子、内磁转子和隔离套组成。当电机带动外磁转子旋转时，磁场能穿透空气间隙和非磁性物质，带动与叶轮轴相连的内磁转子做同步旋转，实现动力的无接触传递，将化工泵的动密封转为静密封。由于泵轴和内磁转子被泵体和隔离套完全封闭，从而彻底解决了泄露问题，消除了炼油化工等行业易燃、易爆、有毒、有害或贵重液体通过泵轴泄露的隐患。

图1 磁传动化工泵示意图

隔离套位于内、外磁体间，将内、外磁钢完全隔开，隔离套的厚度与工作压力和使用温度有关，太厚，则增加内、外磁钢的间隙尺寸，从而影响磁传动效率；太薄，则影响强度。在耦合器旋转时，整个磁场随耦合器一起旋转，如果隔离套采用金属材料，便会产生涡流，使耦合器效率变差，故一般在满足强度要求的前提下，一般采用聚四氟乙烯，氧化铝陶瓷等非金属材料。假定隔离套厚度为10mm，内外磁体与隔离套间的间隙为2mm，分析磁耦合器的尺寸参数对耦合器磁力矩的影响。

当主动磁极以速度v运动时，从动磁极也跟着运动，主动磁极对从动磁极的磁力作用在运动方向上的分量是相叠加，而在垂直于运动方向上的分量则是相互抵消的。从动磁极主动磁极的磁力作用下逐渐加速到稳定后以速度v同步运动，实现了运动和力的传递。在运动状态达到稳定时，主从动磁体之间交错的位移保持恒定。

图2 磁力耦合器的的示意图

2 磁耦合器的有限元计算

化工泵所需磁力较大，所用永磁体须有足够大的磁能积。近年来汝铁硼永磁体发展迅速，价格相对便宜，采用汝铁硼永磁体是磁力传动的首选材料。在计算耦合器传递的力矩时，我们作以下假设：准静态的磁场相互作用；完全线性的去磁曲线。在以上的假设下，磁场服从退化的麦克斯韦方程[5]：

式中，B为磁感应强度，H为磁场强度，JS为电流密度，μ0是真空中的磁导率，μr是相对磁导率，M为磁化强度。

对于上述的麦克斯韦方程，考虑在所研究的区域内没有宏观电流，即▽×H＝0，磁场为无旋场，我们可以采用标量磁势来进行分析。

磁体之间的作用力考虑采用虚位移计算法，磁场力为：

式中，Wm为磁场的能量，∂g为虚位移。

在文中涉及的问题中，磁场所产生转矩T用下式计算：

式中的fx和fy分别是磁体表面微元dS所受的力在x和y坐标轴方向的分量，x和y分别是微元dS的坐标值。[6]

磁力耦合器的的示意图如图2，运用ansys对磁耦合器的各尺寸参数对磁力矩的影响进行分析。在耦合器的设计中内磁体外半径为50mm，外磁体内半径为60mm。内外磁体的间隙对磁力矩的影响较大,在间隙一定时影响磁力矩的尺寸因素主要有磁体的数目,内外磁体厚度，磁体的轴向长度。

磁力矩随磁体的数目增多而增大，如图3所示。但数目增多到一定程度后，磁力矩增加缓慢，每块磁体的强度降低。故一般选择6到8块为宜。

磁力矩随磁体厚度增大而增大，如图4所示。但当磁体厚度增多到一定程度后磁力矩趋于稳定，应当选择合适磁体厚度使磁体可以提供足够的磁力矩并避免浪费。在图4中以内此题为例，外磁体效果与上图基本相同。

图4 磁力矩与磁体厚度关系

轴向长度越长，磁体两端的端部效应对磁力矩的影响越小，但当磁体的块数和厚度都为最优时，若要磁力矩足够大且磁体最省时，轴向长度须是一个自变量，由磁力矩的大小决定。

3 总结

在设计磁耦合器时，首先根据要求确定出内磁体外径和外磁体内经，然后根据以上计算方法确定出耦合器合理的磁体块数和内外磁体的厚度，然后可以根据磁力矩的大小确定出磁体的轴向长度便可使耦合器即可达到磁力要求，又可节省费用，达到优化的目的。

［1］王玉良，王喆，高兴军.永磁传动在密封领域中的应用[J].磁性材料及器件,2008,40(1):1-5.

［2］魏龙，顾伯勤，孙见君.石油化工泵用机械密封的可靠性参数估计[J].流体机械,2008,36(2):27-30.

［3］王耀红,杨光.IFW型无泄漏化工泵的研究与应用[J].流体机械,2003,31(10):36-38.

［4］刘建瑞.化工泵磁力藕合传动的设计[J].流体机械,2001,29(12):36-38.

［5］孙敏，孙亲锡，叶齐政.工程电磁场基础[M].北京:科学出版社,2001:192-230.

［6］周志宏.动失水仪的矩形磁体磁藕合器设计[J].石油机械,2003,31(9):25-27.