磁力传动（通用4篇）
磁力传动 篇1
0引言
目前, 在管线上使用的闸阀、截止阀、球阀、蝶阀等一系列阀门, 一般采用手动、电动或气动等驱动方式, 直接在阀门承压边界的外部转动阀杆来实现阀门的启闭, 这就决定了阀杆密封系统只能采用填料或机械夹紧的密封形式。这种阀杆密封形式, 在系统介质压力波动幅度较大、温度变化较大的情况下, 由于阀杆与填料处存在相对运动, 长期使用不可避免地会出现跑、冒、漏、滴等现象。系统运行时伴有的振动、冲击等影响因素, 会使阀杆密封处的泄漏更严重。这不仅造成了系统的压力损失、流体的浪费, 一些腐蚀性、放射性以及危害性较大的流体, 还可能对电气、设备、环境等带来较为严重的影响, 甚至可能引发人身安全事故。多年来, 为解决阀杆密封的外泄漏问题, 从事阀门设计制造工作的工程技术人员开展了多方面的研究工作, 采用封闭型谐波齿轮传动、屏蔽电机传动、隔膜传动、曲轴波纹管传动屏蔽等多种技术手段, 对阀门的传动装置进行技术改造, 都未能取得理想的综合效果。
近年来, 在磁力泵基础上发展起来一种新型非接触式阀门磁力传动装置, 它运用磁力的推拉原理实现非接触传递力。阀门的阀杆无需伸出承压腔外部, 将阀杆与填料之间的动密封转动变成阀体与阀盖之间的静密封, 实现阀门整体无外漏, 同时使阀门具有体积小、结构简单、使用寿命长、维修方便等特点。国外一些公司 (如美国DRESSER公司、德国KCACS公司) 已经成功将磁力阀门应用于石化等领域, 在技术性能上已向微型化、大型化发展, 不断采用新材料、新结构、新工艺, 提高了传动效率和传动力矩。目前国内也出现了自行研制生产的磁力传动阀门, 但基本都是小口径阀门, 主要用于一般工况条件下的管路输送, 只解决了一般条件下的密封问题, 适用于高温高压及核安全级环境条件、满足核技术应用标准规范和电磁兼容性要求的相应产品, 还处于开发研制阶段。
本文以核电站一回路及其辅助系统的工况条件作为磁力传动闸阀的设计输入, 将已通过实例验证的磁力传动闸阀设计制造关键技术介绍给阀门设计的同行。
1原理及结构
1.1工作原理
核级电动装置布置在整台阀的上部, 作为驱动阀门启闭的动力源。下部是按照核电站一回路工况参数设计的安全1级闸阀。与常规的闸阀不同, 阀杆部位不设计填料密封, 阀杆、阀杆螺母、闸板、轴承、内永磁转子等控制阀门启闭的部件, 全部密闭于阀门的承压腔中。整台阀门唯一可能有外漏的部位在隔离套与阀体的中法兰连接处, 而该连接处采用缠绕式垫片作密封件, 可实现密封完全零泄漏。隔离套与阀体组合构成阀门的承压边界。外永磁转子安装在隔离套的外部, 与电动装置的输出轴相连接;内永磁转子安装在隔离套的内部, 并通过方槽与阀杆螺母连接。当阀门电动装置接收到关闭或开启信号后, 电动装置运转, 带动输出轴上的外永磁转子一起旋转。磁力的作用使内永磁转子随外永磁转子作同步旋转运动, 并带动阀杆螺母一起旋转, 从而带动阀杆和闸板作升降运动, 实现阀门的启闭功能。
阀位显示器安装在阀体上, 用于指示全封闭磁力传动闸阀的开启和关闭状态。通过磁性指示杆与闸板的运动相关联, 将阀门开启和关闭位置的信息转换为电信号输出, 在控制中心显示和控制阀门的启闭位置。
1.2主要结构组成
磁力传动闸阀主要由闸阀、磁力传动装置、电动装置、阀位显示器4部分组成。闸阀主要由阀体、闸板、阀杆、阀杆螺母、承压隔离套等组成, 磁力传动装置主要由内永磁转子和外永磁转子等组成, 阀位显示器主要由屏蔽套、磁性指示杆、弹簧、磁电转换开关、密封插头座、外罩等零部件组成。
1.2.1闸阀
闸阀结构如图1所示。
1.2.1.1闸阀设计与选材
闸阀按照ASMEBPVⅢ进行设计与制造。为了在最小外形尺寸下得到较大内、外永磁转子相互间的磁作用力, 应在满足承压要求的前提下最小化设计承压隔离套的壁厚。在既要保证闸板的安装尺寸又要最小化设计承压隔离套壁厚的情况下, 采取了闸板下装式结构的阀体设计。阀体上部的开孔仅需满足阀杆通过和轴承安装要求即可, 最大限度地减小了承压隔离套内外径和壁厚尺寸。
阀体等主体材质选用核1级SA182F321锻件, 具有较高许用应力强度、耐腐蚀性能, 还具有绝磁性, 在使用中不会受到磁力转子的磁干扰;密封面按ASME规范控制含钴成分材料的使用, 防止钴颗粒与放射性物质接触产生污染, 因此, 阀门密封面选取EDCrNi-B铁基合金, 不含钴成分, 又具有较高的耐磨性。
阀杆及阀杆螺母选用了高许用应力强度的17-4PH和14Cr17Ni2, 并经热处理提高了材料的表面硬度, 具有良好的力学性能、耐腐蚀性以及较低的摩擦系数。缩小了阀杆直径和螺距尺寸, 减小了阀门的操作扭矩, 从而使磁力传动装置和电动装置的结构尺寸得到了进一步优化。
由于轴承密闭于阀门内部, 直接与介质接触, 其防腐蚀性能及耐磨性能将直接影响阀门的使用寿命及运行稳定性。铜材不适用于核电站一回路及其辅助系统的工况, 设计选用了不锈钢轴承, 满足了轴承的防腐蚀及耐磨性能要求。
1.2.1.2承压隔离套设计与制造
承压隔离套与阀体组合构成整台阀门的压力边界, 是磁力传动闸阀设计的关键技术之一。承压隔离套安装在内、外磁转子之间, 磁场须穿过隔离套才能起传递磁力的作用, 因此对于隔离套的材料首先要求非磁性。隔离套起承受内部压力的作用, 一旦破裂会造成灾难性的危害, 因此选择强度高的材料。由于磁力转子在运转时, 金属隔离套会切割磁力线而产生涡流, 材料电阻越小, 涡流就越大, 涡流会转变成热量, 需依靠自身部分介质带走, 因此隔离套不能太厚, 才能保证较高的传动效率。另外, 承压隔离套必须能耐介质的腐蚀及符合设计温度、压力要求, 并具有良好的抗震、抗冲击性能。经综合考虑, 设计选择了强度高、耐介质腐蚀性好、电阻率高、并具有较好的冲击韧性的HC276作为隔离套的材料。
1.2.2磁力传动装置
磁力传动装置由内永磁转子、外永磁转子组成, 如图2所示。
1.2.2.1结构设计
磁力传动装置输出力必须满足启闭阀门所需要的最大力矩。在一回路及辅助系统高温高压工况和辐照环境下, 设计结构需考虑高温适宜性和辐照影响。普通的磁力传动装置上磁钢采用的是胶粘固定方式, 考虑到高温和辐照情况对粘胶的影响, 为防止磁钢在磁座上轴向打滑, 设计增加了防转片。径向上由于磁力传动装置转速很低, 故不需要考虑磁钢与磁座之间的径向固定, 依靠磁本身的吸力就可以了。从运行的可靠性上, 再补加无机耐高温胶填充制造误差形成的缝隙。在磁钢组装完成后, 用薄壁不锈钢包封套套上, 再在两端进行焊接密封, 保护内部零件不受介质腐蚀。由于薄壁不锈钢套承受的是外压, 因此外部的压力要通过磁钢作用在磁座上, 也就是磁钢之间不能有缝隙。设计时磁钢之间采用紧密排列, 而外永磁转子由于处于空气中, 且温度较低, 因此采用无机耐高温胶与机械固定防转相结合的办法, 在端部用挡环辅助固定。
1.2.2.2材料选择
磁力传动装置是通过磁场作用来非接触传递动力的类似于联轴器的器件, 因此材料的选用要考虑磁场设计的需要。由于在高温下工作, 因此选择的材料要具有耐高温特性。而磁力传动装置所在环境也使得其要具有一定的耐腐蚀性, 材料要耐辐照, 特别是内永磁转子。
磁力传动装置由磁阀座、磁钢座、磁钢、包封套以及外磁钢挡环等组成。其中内永磁转子浸没于介质中, 需要采用耐腐蚀的不锈钢材料, 该设计选用0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢。作为磁力传动装置的功能材料, 选用的磁钢既要有较高的磁性能, 又要有较低的温升退磁率和较高的允许工作温度, 按照设计温度要求选择了S28H钐钴磁钢。
1.2.2.3关键技术
(1) 电磁兼容性。磁力传动装置应防止磁场对周围环境及其他电气设备产生影响。设计时, 磁力传动装置中的磁路结构应考虑内部磁路的闭合, 因此在通常情况下从磁力传动装置中漏出的磁场也极少。少量漏磁主要在外永磁转子的端面, 但漏磁磁场强度很低, 且离开磁力转子越远强度下降越快, 到外面连接架筒体外表面时几乎没有。当然, 为避免漏磁带来不必要的麻烦, 从设计上采取了2种解决途径:一是将外永磁转子端部的导磁基体延长, 使端面部分漏磁在导磁体上自行闭合;二是外永磁转子外面的连接架采用导磁材料, 使漏磁在连接架上闭合不外泄。通过以上措施解决了磁场外泄问题。
(2) 磁性材料的保护与辐射影响评估。由于磁力转子内的磁性材料采用钐钴合金Sm2Co17, 必须与反应堆冷却剂可靠隔离, 因此利用一层薄的包封套通过焊接方法将磁性材料与介质隔离。由于一般焊接产生的温度会很高, 如传导到磁铁的温度超过磁铁许用温度将会引起磁钢退磁, 因此必须采用快速低电流的自熔焊。为保证良好的焊合性及焊接后的一体化, 包封套材料选择与内磁座相同的非磁性材料。为保证绝对可靠的焊缝熔合, 一般的手工氩弧焊已不能满足需要, 要采用自动氩弧焊或激光焊机进行焊接, 依靠设备来保证焊接质量。期间需调整适当的工艺参数进行试验, 最终使焊缝达到熔合可靠、外形美观的要求。由于用一般的方法无法验证是否有渗漏, 因此需在内磁座端部打一个小孔, 使其与装磁钢处相通, 用氦气检漏的方法来验证磁钢的包封是否可靠。如确实无泄漏, 则在检漏后将小孔用氩弧焊焊住, 这样就确保了磁性材料包封的安全可靠。
由于内永磁转子在核辐射环境下运行, 磁性材料必须能经受核辐照而不发生不可接受的性能改变, 为此需用试验来验证。一方面用磁力阀样机到现有核三级条件的非重要工位但有较大放射性的场合进行应用运行试验;另一方面将磁钢样品经性能测试后, 放在核辐射的环境中, 累计吸收预定的放射剂量后, 取出重新测试其磁性能及相关其他性能。通过辐照前后的性能对比可以判断出核辐照是否对磁钢性能产生影响及影响程度, 并据此作为决定磁性材料适用性及设计磁力传动装置的依据。
1.2.3电动装置
该电动闸阀需要在上方配置一个多回转阀门电动装置。且由于所处的环境条件, 必须符合核级阀门的要求。另外, 在该电动装置内, 还需设计有位置指示、行程控制和转矩控制装置, 以保证阀门启闭的可靠性。由于尺寸的限制, 电动装置的设计必须实现小型化;特殊的应用环境还使得内部机件必须能承受冲击。
1.2.4阀位显示器
闸阀的阀体上安装有2个阀位指示器, 分别用于显示阀门的全开启位置和全关闭位置 (图3) 。开阀时, 闸板向上升高至设定位时, 设置在闸板上的凸轮机构触动开阀位显示器的磁性指示杆, 并逐渐压缩磁性指示杆复位弹簧, 推动磁性指示杆外伸。当磁性指示杆向外运动约5~6.3mm时磁电转换开关接通, 电路导通, 信号传输至控制箱, 开阀位指示灯亮起。同时, 切断电动装置的控制电源, 电装停止转动。关阀时, 闸板离开上限位, 磁性指示杆在复位弹簧的作用下离开磁电转换开关, 从而使磁电转换开关触点脱开, 断开电路, 开阀位指示灯熄灭。当阀关至设定位置时, 关阀位设计有关阀位显示器, 当闸板下降至完全关闭阀门位置时, 关阀位显示器的磁性指示杆在闸板上的凸轮机构作用下, 使关阀位磁电转换开关接通, 电路导通, 信号传输至控制箱, 关阀位指示灯亮起。同时, 切断电动装置的控制电源, 电装停止转动。
2磁力传动装置输出力矩计算
2.1基本参数的选定
由于磁力传动装置磁路尺寸与磁隙有关, 而磁隙又与中间隔离套的壁厚有关, 因此, 首先需确定隔离套的直径大小, 并选择高强度耐腐蚀的隔离套材料, 以减少壁厚需求。隔离套直径可按所需传动的扭矩大小初步确定, 并考虑结构长度和对隔离套壁厚的影响。
根据该设计, 磁力传动装置的计算直径为97.5mm, 隔离套的壁厚为4mm。根据磁力阀门的结构和性能特点, 确定磁力传动装置与隔离套的间隙及保护套的壁厚。由于磁力阀门中的磁力传动装置是低速运转, 因此, 旋转引起的离心力及变形极小, 可忽略不计, 内永磁转子与隔离套之间又没有流动的介质所导致的可能的固体颗粒, 因此可取较小的磁隙。设计取1mm的内间隙与外间隙。内磁包封套厚度取1mm;外磁包封套处于空气中, 取0.5mm壁厚。这样, 该设计磁力传动装置磁隙累计为7.5mm。按经验, 磁钢径向厚度为7.5~8mm。
2.2最大静磁力矩计算
该阀门磁力传动的磁路采用“拉推磁路”理论设计, 根据磁力传动力矩计算公式:
式中, K为系数, 本设计中取1.6; (BH) max为最大磁能积, 本设计选用28MG0e的钐钴磁钢;E为内、外磁钢间隙;b为磁钢宽度;R为内、外磁钢间隙计算半径;L为磁钢总长度, 估算为97mm;h为磁钢厚度, 取7.5mm。
该设计堵转转矩≥90N·m, 因此, 最大设计磁力传动力矩Tmax=90N·m。
计算得:
以上计算为常温下的磁力传动力矩, 考虑到高温工况下会产生一定比例的退磁, 要核算高温下的磁力矩是否满足要求。
根据温升退磁率, 每温升100℃, 约退磁4%, 因此按温升330℃计算, 约退磁13.2%, 也就是此时的磁钢磁能积约为常温时的0.8682=75%。因此修正到高温工况, MGmax=146×0.75=109.5N·m>90N·m。结果满足设计堵转转矩的需求。
以上为理论计算, 实际由于磁力阀门结构上传热和散热的影响, 磁力传动装置上的温度会明显低于设计温度, 因此实际磁力扭矩余量会大得多。
3结语
该磁力传动闸阀通过了冷态和热态模拟工况运行条件下的性能试验、抗震抗冲击试验、电磁兼容性试验等试验验证。结论认为:研究开发的磁力传动闸阀使核动力装置磁力传动阀在核反应堆一回路系统条件下能够安全可靠地运行, 无故障工作时间可达到10000h以上。在国内开创了磁力传动阀取代普通机械密封阀并应用于核反应堆一回路系统的先例, 其研究开发成果处于国内领先水平。将成果应用于核反应堆一回路及其辅助系统, 将大大提高核反应堆一回路系统的可靠性, 并使维修性及保障性得到显著提高, 具有广阔的应用前景。
摘要：磁力传动闸阀是一种新型的阀门产品, 具有广阔的应用领域。针对核电站一回路及其辅助系统所用磁力传动闸阀进行分析研究, 解析磁力传动闸阀的工作原理和结构组成, 并说明了磁力传动装置输出力矩的计算过程, 对核电站一回路及其辅助系统所用高温高压磁力传动闸阀的开发具有一定借鉴意义。
关键词：磁力传动闸阀,结构,原理,设计,输出力矩
参考文献
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磁力传动泵故障分析和处理 篇2
一、磁力泵特点
磁力泵是利用永磁体磁力传动来实现转矩无接触传递的一种新型泵。当电动机带动外磁转子 (即外磁钢) 总成旋转时, 通过磁场的作用, 磁力线穿过隔离套带动内转子 (即内磁钢) 总成和叶轮同步旋转, 由于介质封闭在静止的隔离套内, 从而达到无泄漏抽送介质的目的。由设计保证全密封、无泄漏、无污染, 可以彻底解决机械传动泵的轴封泄漏问题。
1. 优点
取消了泵的机械密封, 完全消除了离心泵机械密封不可避免的跑、冒、滴、漏的弊病, 是实现零泄漏、无污染的较好选择, 可以实现设备的本质安全。泵的过流部件选用不锈钢及工程塑料制造, 可以达到耐腐蚀目的。磁性联轴器和泵体结合为一体, 具有结构紧凑以及磁性联轴器可以对传动电机起到超载保护作用的特性。易损件较少, 维修方便, 使用寿命延长。
2. 缺点
传动效率低, 与离心泵比较, 在相同工艺条件下能量消耗较大。现在国内使用的钕铁硼 (NdFeB) 等永磁体材料性能不稳定, 工艺选择还有一定局限性。一般情况下, 工艺要求的介质额定温度、压力和磁力泵的泵体材料有关。当泵体为金属材料或F46衬里时, 工作介质的额定温度≤80℃, 额定压力≤1.6MPa。当泵体为非金属材质时, 工作介质的额定温度≤60℃, 额定压力≤0.6MPa。当工作介质的额定温度≥350℃时, 磁力泵存在失磁的危险, 很难实现长周期安全运行, 则需要另行设计。
适合于输送介质的密度≤1300kg/m, 黏度≤30×10-6m/s的不含铁磁性和纤维的液体。对于密度高、黏度大的介质, 由于传动的转矩相对较大, 暂时还没有很好的应用。
轴承一般采用被输送的介质进行润滑冷却, 故磁力泵严禁空载和反转运行。磁性材料的失效, 在实际运行中引起的故障, 解决比较困难。
二、故障分析及处理措施
1. 磁力泵推力轴承快速磨损
(1) 原因分析
吹出苯原料泵, 型号50CQ-40磁力泵, 流量220L/min, 扬程40m, 配置电机功率4kW/台。泵运行一段时间后, 后轴承发生严重磨损, 后止推轴承碎裂, 叶轮叶片与泵体前盖、泵体组件都发生磨损。
叶轮和止推轴承磨损方向一致, 均表现为叶轮向进口端窜给, 轴向不平衡明显。将原来叶轮平衡孔扩大, 组装后没有任何效果。再次拆检, 前端止推轴承磨损深度约2~3mm, 将止推轴承材料改为1Cr13后, 仍未解决问题。
综合分析认为, 当泵内轴承与推力盘两侧介质压差较小时, 介质润滑的流速缓慢, 甚至不能流动, 这样, 相互摩擦产生热量不易带走, 致使介质汽化加剧, 产生干磨, 导致止推轴承失效。因此, 止推轴承的磨损是导致磁力泵推力轴承快速磨损的主要原因。
(2) 处理措施
增加支撑轴承和止推轴承的润滑。50CQ-40型磁力泵采用轴向力自动平衡装置, 但是, 如果前端轴承和止推轴承润滑不良, 则自冲洗冷却效果不好, 苯类介质汽化干摩擦, 必然会导致轴承和止推轴承的快速磨损。经计算, 介质流动的沿程阻力损失以及压力分布, 在前端止推轴承和支撑轴承处压差<0.1MPa, 因此, 增加该处的润滑, 就成为解决故障的关键。增大叶轮的背叶间隙1mm, 以便降低轴向不平衡力。
在前、后端支撑石墨轴承配合面, 各增加4个直槽, 深度约3~4mm, 宽度和端面槽宽相等, 加深端面槽, 以提高介质流动效果。
堵掉两个支撑石墨轴承之间的介质润滑孔, 迫使冷却润滑液从轴承内壁经过, 避免产生干摩擦, 通过强制流动, 提高润滑效果。
2. 磁力泵振动大
65CQ-35磁力泵, 流量450L/min, 扬程35m, 配套电机功率7.5kW/台。该泵从开始使用一直伴有杂音, 振动较大。
(1) 原因分析
解体检查内部组件, 没有发现存在摩擦和转子弯曲等缺陷, 核对该泵的装配间隙, 全部在标准范围。仅发现原来约5mm (石墨缠绕垫) 的大盖密封垫在紧固压缩后的厚度只有3.5mm, 因此, 判断可能由于密封垫较厚, 在紧固过程中压缩不均致使结合面倾斜而产生了不同心的偏差。
另外, 对管线的支撑和振动进行检查测量, 发现该泵管线相对于磁力泵显得较为粗大, 进口管段支撑不良。由此推断管路振动也是导致泵体振动的原因之一。
(2) 处理措施
增加进口管段和出口管段的刚性支撑。现场测量泵的基础以及泵体和进出口管线振动状况, 发现管路振动明显, 振速16mm/s, 。由于进、出口管线已经安装完毕, 只能尽量增加进出口管段的刚性支撑, 减少管段对泵体的影响。改进后振速<5mm/s。
用4mm厚的铝垫片代替原来的缠绕垫片, 并调整叶轮的轴向间隙。开泵后, 振动值下降, 噪声减小。
摘要：磁力传动泵在应用中存在推力轴承快速磨损、磁力泵振动大的故障, 结合现场实际, 对部分结构进行改造, 对振动情况进行分析。
磁力泵传动技术的发展现状与展望 篇3
1940年, 英国学者Charles和Geoffrey Howard为解决化工泵在输送危险介质时的泄露问题设计了世界上第一台磁力泵[1]。由于当时永磁材料与磁力传动技术比较落后, 使磁力泵在当时的化工领域只能成为一种设想。
随着工业的飞速发展, 能源的过度利用及环境的污染问题越来越被人们所重视。1990年美国颁布的空气洁净法令 (The US Clean Air Act) 把密封泵列为最大的环境污染源之一。同时, 由于这个时期磁力泵伴随着永磁材料与磁力传动技术等高新科技的发展, 使得磁力泵的应用在欧美众多企业中成为主流。从当时使用磁力泵的化工厂所反馈的信息来看, 使用磁力泵对于公司来说不仅仅是出于对安全和环境的保护的考虑, 而且可以节省大量的资金[2]。
我国对于磁力泵的研究相对较晚, 20世纪80年代才开始进行相关的研究。最近的报告显示, 甘肃省科学院磁性器件研究所生产的磁力泵最大转矩为185 kW, 与HMD公司生产的450 kW磁力泵差距很大[3]。目前, 我国有许多中小企业都在生产磁力泵, 但磁力泵在我国的化工、石油和食品等行业中并没有成为主流。而当今我国的环境问题越来越受到重视, 因此如何推广磁力泵以及扩展磁力泵的应用范围成为今后一个重要研究课题。
本文将主要对各种永磁材料以及磁体的不同排列方式进行了介绍和比较, 说明了磁力传动技术在磁力泵中应用的现状和发展的趋势。最后提出把Halbach阵列应用于磁力泵, 并分析其优点及存在的问题。
1磁力泵结构及工作原理
磁力泵由泵体、叶轮、泵盖、轴承座、外磁转子、内磁转子、隔离套、电机等部件组成[4], 如图1所示。在隔离套的两侧分别放置了内、外磁转子。内磁转子与叶轮一起固定在泵轴上;外磁转子与电机相连接。电机驱动外磁转子做旋转运动, 在内外磁转子之间的相互磁作用力下, 内磁转子带动叶轮旋转[5]。
1-外磁转子;2-隔离套;3-内磁转子
从图2可以看出内、外磁转子由隔离套分开, 使用静密封取代了传统泵中的动密封, 实现了泵输送工作介质的零泄[6]。
下式[7]为利用高斯定理求解法计算磁力泵转矩T的公式。
式中:K为磁路系数, 各种不同磁路, K值不同, 一般K=4～6.4;M为磁化强度;Bm为工作点的磁感应强度;Hm为工作点的磁场强度;H为外磁路在内磁体处的磁场强度;N1为极面形状的经验系数, 扇形极面取1.05, 长方形极面取1.24;tg为工作气隙宽度;t0为磁极弧长, t0=0.5 (内磁极外弧+外磁极内弧) ; η为磁体厚度系数, η与th/t0的关系见表1;m为磁极的级数;S为磁极的极面积;th为磁体厚度;Rc为作用到内磁极上磁力至转动中心的平均转动半径;θ为工作时的角位移。
从此公式容易看出, 在磁体大小不变的情况下, 磁力传动转矩的大小只与2个因素有关:永磁材料的选择和磁体的排列方式。
2永磁材料的发展现状
2.1传统永磁材料的发展历史
20世纪30年代, 磁力传动技术就已经被学者提出, 由于当时永磁材料技术的局限性, 磁力传动技术并没有取得较快的发展和广泛的应用。20世纪六七十年代, 永磁材料技术开始进入快速发展阶段。1966年, 美国学者K. J. Strant等人研制出SmCo5粉末粘接永磁材料, 成为第1代稀土永磁材料诞生的里程碑[8];1977年, 日本T.Ojima等人研制的SmCoCuFeZr7.2永磁材料标志着第2代稀土永磁材料的诞生[9];1983年, 日本住友公司和美国通用公司联合研发了钕铁硼 (NdFeB) 永磁材料, 成为第3代稀土永磁材料的代表[10]。NdFeB稀土永磁材料比SmCo稀土永磁材料有着更好的性能, 且其原料成本较低。后来, 各国学者对提高其性能做了非常多的研究。1987年日本住友特殊金属公司研制出磁能积为404.8 kJ/m3的NdFeB磁体;1990年日本东北金属公司得到磁能积为418.4 kJ/m3的NdFeB磁体;1993年美国金属学会的年会上, 住友公司又宣布了高达433.6 kJ/m3的NdFeB磁体;2000年Kaneko Y制备出磁能积为444 kJ/m3的NdFeB永磁体[11]。
由于稀土永磁材料的快速发展, 磁力传动技术重新被人们所重视。稀土永磁材料与传统的铁氧体永磁材料相比, 磁力传动器在尺寸上减小了约25%。NdFeB永磁体的磁能积已达到250 kJ/m3以上, 从而使磁力驱动器传递转矩 (功率) 能力提高3～4倍[7]。同时, 稀土永磁材料具有很好的抵抗退磁的性能, 可以使磁传动装置有更长的使用寿命。表1、表2分别为各种市场上常用永磁材料性能与温度特性的比较[7,12]。
2.2第4代永磁材料
1990年, Coey等人发现大部分R2Fe17化合物于450～550 ℃氮化处理后所形成的SmFeN间隙金属间化合物 (如Sm2Fe17N3) 的内禀磁特性几乎与Nd2Fe14B化合物相当, 同时具有比Nd2Fe14B化合物更高的各向异性场和更高的居里温度。其最大磁能积的理论值为472 kJ/m3, 居里温度高达500 ℃[13]。正是因为SmFeN稀土永磁材料的这些优良特性, 许多学者称其为第4代永磁材料, 并在理论及工艺等方面进行了大量的研究。1999年3月日本住友金属矿山将SmFeN粘结磁体投入市场, 但此产品的磁能积最大为105 kJ/m3, 远未发挥出SmFeN的优异磁性能。由于SmFeN永磁材料的加工工艺不完善, 要使其成为在市场上具有竞争力的稀土永磁材料还需要在工艺和理论上进行深入的双重研究[14]。
2.3国内永磁材料的发展现状
20世纪60年代中期以后, 我国才开始生产第1代稀土永磁材料SmCo5。70年代以后我国又生产出第2代稀土永磁材料Sm2Co17。80年代中期, 已有能力生产第3代稀土永磁材料Nd2Fe14B。在这40多年的研究中, 我国稀土永磁材料 (钐钴型、钕铁型及衫铁型) 得到了高速地发展并取得显著的成就。2005年, 我国能够生产第4代SmFeN稀土永磁材料。据统计, 2005年我国生产的烧结NdFeB, 粘结NdFeB、SmCo5和SmFeN等的总产量约35.2万t, 出口量为8 756 t。据报道, 目前我国稀土资源居世界第1位[15]。这也是我国将来稀土永磁材料和相关永磁机械发展的最大优势。
3磁体排列方式的发展
3.1传统磁体排列方式的发展
20世纪三四十年代, 由于第1代永磁材料磁极间磁化强度的相互干扰比较大, 当时多采用磁体的间隙排列[见图3 (a) ]。这种单行间隙排列的主要缺点是磁传动装置的体积大、转矩小而且磁块容易退磁[16]。因此第1代永磁材料的磁性能与磁体的间隙排列方式成为磁力传动装置发展的瓶颈。随着第2代第3代永磁材料的研发, 这些磁材料极间磁化强度的相互干扰大大减小, 所以当时的学者提出图3 (b) 所示的单行紧密排列方式。这种磁排列方式能增强磁场强度, 并提高磁转矩。20世纪60年代, 聚磁技术的问世以及在电机领域中的成功应用[17], 也带动了磁力传动的研究[见图3 (c) ]。聚磁技术是把内外磁体所产生的磁通量汇聚到工作气隙中[18]。同时, 聚磁排列方式避免了因磁块间交替排列而产生的磁力线在同一转子上形成回路所造成的部分磁通的浪费, 从而提高磁力传动的转矩。
若传动机构在轴向长度允许的条件下, 可以采用多行的磁钢排列方式[见图3 (d) 、3 (e) ]。这种方式可以增大磁转矩减小传动机构的径向尺寸。
3.2Halbach阵列应用于磁力泵的展望
20世纪80年代, 美国劳伦斯伯克利国家实验室Klaus Halbach教授提出了一种永磁体阵列——Halbach阵列[19]。随后的10年里, Halbach阵列被许多研究机构相继应用于粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置、真空设备、磁悬浮技术等高能物理领域[20]。图4为Halbach阵列在同步辐射装置中应用的结构示意图[21], Halbach阵列使得2磁列内部的磁场大大增强, 从而使通过的电子获得更高的能量。
20世纪90年代中期, 国际上开始逐渐重视Halbach阵列在电机上的应用[22]。图5为Halbach阵列应用于电机的结构示意图[23]。采用Halbach阵列的电机具有以下特点:第1, 气隙磁场趋近于正弦分布, 转矩脉动小, 对高精度伺服驱动极为有利;第2, 转子轭部铁心可以比较薄, 甚至不用, 这样不但减小了电机的体积、重量和转动惯量, 同时也改善了电机的动态性能;第3, Halbach永磁电机可以获得比常规永磁体结构电机更高的工作气隙磁密, 提高了永磁材料的利用率和电机的功率密度与转矩密度[24]。
从目前磁力泵的研究来看, Halbach阵列在磁力泵中的应用较少有研究。随着当今石油、化工、医药等工业领域对磁力泵的小型化以及大转矩甚至超大转矩的需求, 使得要更深入的研究永磁材料的利用和磁体的优化排列, 以达到使用更少的材料来得到更大的转矩。因此, Halbach阵列是一个很有意义的研究方向。图6为Halbach阵列永磁电机定子的磁体排列示意图[25]。其中图6 (a) 为理想Halbach阵列, 图6 (b) 为分段式Halbach阵列。从当前的理论上来看, 要获得理想Halbach阵列需要整体环形充磁, 但就现有的技术来说整体环形充磁的工艺还不完善。因此, 实际应用中绝大多数采用拼装方式的分段式Halbach阵列[26]。
从图7可以看出通过磁体的排列[27], Halbach阵列可以使磁体所产生的磁场聚集在工作区, 而减弱另一侧的磁场。对于磁力泵来说, Halbach阵列的优点同电机类似:可以增大泵的转矩并减小轭部铁心的体积, 从而可以实现磁力泵的小型化以及超大转矩磁力泵的研制。
4结语
当前Halbach阵列应用于磁力泵的研究成果还很少, 有许多问题值得去探讨。金属隔离套在Halbach阵列的磁场中所引起的涡流问题是否会造成过大的功率损失, Halbach阵列磁力泵结构的设计, 以及新型永磁材料的研制等等都需要我们磁力泵的工作者更加深入的去研究。
磁力传动 篇4
1940年,英国学者Charles和Geoffrey Howard为解决化工泵在输送危险介质时的泄露问题设计了世界上第一台磁力泵。磁力泵由电机驱动外磁转子,在内外磁转子的相互磁作用力下,内磁转子带动叶轮旋转。其中,内、外磁转子由隔离套分开,即使用静密封取代了传统泵中的动密封,实现泵输送工作介质的零泄漏[1,2,3]。正是由于磁力泵零泄漏的特点,其广泛应用于冶炼、石化、化工、医药、塑料、食品、酿造、核工业、污水处理、油漆、染料、溶剂等行业,尤其适用于输送高危险介质以及昂贵的介质。
随着现代工业的飞速发展,能源的过度利用以及环境的污染问题越来越严重。而磁力泵的无泄漏特点对环境保护有着非常重要的作用。因此,如何推广磁力泵以及扩展磁力泵的应用范围已经成为一个重要的问题。最近的报道显示,我国甘肃省科学院磁性器件研究所生产的磁力泵最大转矩达185 kW,美国HMD公司生产的磁力泵最大转矩为450 kW[4]。但这并不完全适应化工、冶炼等行业对更高转矩磁力泵的需求。
本文通过对Halbach阵列的介绍,并把其应用于磁力泵中。通过有限元分析,对比传统阵列与Halbach阵列传动机构的转矩大小,并分析Halbach阵列应用于磁力泵的可行性以及制作高转矩磁力泵的可行性。
1 磁力泵的结构及工作原理
磁力泵由泵体、叶轮、泵盖、轴承座、外磁转子、内磁转子、隔离套、电机等部件组成[5]。
如图1所示,在隔离套的两侧分别放置了内、外磁转子。内磁转子与叶轮一起固定在泵轴;外磁转子与电机相连接。在电机的驱动下,外磁转子做旋转运动。由于外磁转子与内磁转子相互之间的磁作用力,使得内磁转子带动叶轮一起旋转。
2 Halbach阵列介绍
20世纪80年代,美国劳伦斯伯克利国家实验室Klaus Halbach教授提出了一种永磁体阵列———Halbach阵列[6]。随后的10年里,Halbach阵列被许多研究机构相继应用于粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置、真空设备、磁悬浮技术等高能物理领域[7]。
图2为环形Halbach阵列,其磁体排布不再是径向或切向排列。其中,图(a)为理想Halbach阵列,图(b)为分段式Ha-l bach阵列。基于当前的生产加工工艺,要获得理想Halbach阵列需要整体环形充磁。由于利用现有的技术对整体环形充磁的工艺还不够完善,因此在绝大多数的工程应用领域中,都采用图(b)所示分段拼装方式的分段式Halbach阵列[8]。
图3为Halbach阵列作为外磁转子时的磁通量线分布。如图所示,Halbach阵列使得阵列的内部磁场加强,同时阵列的外部磁场得到削弱。同理,通过磁体的不同排列,可以得到外部磁场加强,内部磁场削弱的阵列。内磁转子采用这种阵列,可以加强磁力传动机构的气隙磁场强度,进而达到增大磁传动机构传递转矩的目的。
3 几何模型的建立及材料属性
如图4所示,磁极为24极。R1=35 mm,R2=45 mm,R3=55 mm,R4=58 mm,R5=68 mm,R6=78 mm。
图5(a)为传统径向排布的阵列示意图,图5(b)为紧密排列径向分布方式阵列示意图,图5(c)为每极4段式Halbach阵列示意图。
材料属性:内、外轭铁的磁导率取4 000 H/m;磁体磁导率取1.1 H/m,矫顽力取Hc=870 000 A/m;空气的磁导率取1.0H/m。
4 磁场力与转矩的计算方法
4.1 电磁场基本方程
麦克斯韦方程组是支配所有宏观磁现象的一组基本控制方程。由以下4个微分方程组成[9]:
式中:D为电位移(或称电通密度),C/m2;ρv为单位体积中的电荷,即电荷体密度;E为电场强度,V/m;B为磁感应强度(或称磁通密度),T;H为磁场强度,A/m;J为电流密度,A/m2。
以上4个微分方程也分别称为:高斯电通定律,法拉第电磁感应定律,高斯磁通定律以及安培环路定律(或称全电流定律)。
以上的微分方程并不能得到确定的解,还有与材料相关的本构方程(或称电磁性能关系式):
在电源以外区域,有:
式中:ε、μ和σ分别为介电常数,F/m,磁导率,H/m,电导率,S/m。
4.2 力与转矩的计算
经典电磁理论提供了麦克斯韦应力法、虚位移法等解析计算方法等[10]。
4.2.1 麦克斯韦应力法
合力F和转矩M可以用磁场的张力张量T的面积积分来计算:
式中:T为一个二阶张量,它有9个分量;S是空气中包围整个磁质的封闭曲面;r为由任意选取的坐标原点到面积微元ds的矢径;v0为自由空间的磁阻率。
经过有限元分析,通过已经得到个单元的磁感应强度和磁场强度,只有适当选定封闭曲面,通过上式就可求出作用在S面所包围磁性体上的合力及转矩。
4.2.2 虚位移法
根据虚功原理,当磁场能量用磁链表示时,处于磁场中的物体受到的作用力及转矩可由下式计算:
式中:Wm为所研究系统的磁场能量;g为广义坐标;θ为角度坐标。
当媒介为线性时有:
5 数值模拟
数值模拟过程为二维瞬态磁场分析,利用Ansoft有限元分析软件来进行模拟计算。麦克斯韦方程组通过简化可以得到二维瞬态磁场的计算方程:
式中:Hc为永磁体的矫顽力;v为运动物体的速度;A为磁矢量;J为电流密度。
模型如图4所示,模拟过程保持外磁转子固定,使内磁转子旋转来计算内磁转子的转矩大小。此模拟去除了隔离套,只考虑磁转子的传动效应。而只有隔离套的涡流损失与转动速度有关,因此模拟过程中内磁转子的转动速度可以任意设定,不会对转矩的大小有影响。这里,我们设其转速为360°/s。瞬态计算总时间为1 s,每0.001 s做一次求解。对内、外轭铁施加磁通量平衡条件。
6 模拟结果及分析
分别对传统阵列、紧密阵列和Halbach阵列进行数值计算,采用Ansoft商用软件的二维瞬态分析模块。图6为在设计1 s的时间内转角随时间的变化图。
6.1 传统阵列
图7为传统阵列内磁转子转矩的变化曲线图,取其一个变化周期。对于传统阵列,一个变化周期的转角为30°。从转矩图可以看出第一个最大转矩绝对值为T=4 380 N·m/m,其转角为7.5°(即实际工作中内外磁转子的转角差为7.5°)。对于磁力转动机构的实际工作情况,取磁块轴向长度L=40 mm,则实际传动最大转矩值Tmax=T·L=175.2 N·m。
6.2 紧密阵列
图8为紧密阵列内磁转子转矩变化曲线图,取一个变化周期。由图可知,一个变化周期的转角为60°。第一个最大转矩绝对值处的位移角为15°,转矩值为4 720 N·m/m,对于磁力转动机构的实际工作情况,取磁块长度为40 mm,则实际传动最大转矩值为188.8 N·m。
6.3 Halbach阵列(每极4段)
图9为Halbach阵列中内磁转子转矩随时间的变换曲线图。一个变化周期的转角为60°。第一个最大转矩绝对值出现在转角差为15°处,转矩值为5 400 N·m/m,取磁块长度为40mm,则实际工作的最大转矩为216 N·m。
6.4 分析
目前,磁力泵传动机构主要使用传统阵列和紧密阵列。从模拟结果来看紧密阵列与传统阵列相比,紧密阵列只有约7.8%的提升,而Halbach阵列能提高约23.3%。因此,Ha-l bach阵列对提高磁体利用率有着非常重要的作用。使得高转矩磁力泵的设计也成为可能。
同时,Halbach阵列具有磁屏蔽作用。从图3可以看出,外磁转子在空气中磁通量线闭合在磁阵列内部。因此,使用Ha-l bach阵列的传动机构可以减小轭铁的厚度,甚至可以取消轭铁。对于取消轭铁的传动机构,其转动惯量减小,传动机构的启动性能将得到提升。
7 结语
(1)通过数值模拟,分析传统阵列、紧密阵列、Halbach阵列的最大转矩值,得出紧密阵列与传统阵列相比提高约7.8%,Halbach阵列与传统阵列相比提高约23.3%。
(2)Halbach阵列具有磁屏蔽作用,使用Halbach阵列可以减小轭铁的厚度,从而提高传动机构的启动性能。
(3)本文未考虑隔离套对转矩的影响。实际工作中,金属隔离套在交变的磁场中会产生涡流损失。因此,今后有必要对于金属隔离套的涡流损失进行深入的研究。
参考文献
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