趙巖，朱英斌，劉欣朋，姜海礁，毛遠(yuǎn)光

（1.中國(guó)石油云南石化有限公司，云南昆明650300）

（2.中國(guó)石油大港油田石油工程研究院，天津 300280）

（3.中國(guó)石油吉林石化公司煉油廠，吉林吉林132001）

（4.中國(guó)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(dòng)機(jī)與工作機(jī)聯(lián)接起來(lái)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(dòng)，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(jiǎn)單，具有過(guò)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(jià)值。目前，學(xué)者們對(duì)磁力泵的應(yīng)用研究較多，但對(duì)于其傳動(dòng)性能的影響因素的研究還處于初級(jí)階段。針對(duì)目前在磁力傳動(dòng)研究方面的不足，本文在現(xiàn)有高速“濕式”磁力傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)并加工了一對(duì)圓筒型磁力聯(lián)軸器，以此展開(kāi)傳動(dòng)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(jiàn)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(shí)，外轉(zhuǎn)子通過(guò)主動(dòng)軸與原動(dòng)機(jī)連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)從動(dòng)軸與工作機(jī)連接，隔離套將內(nèi)外轉(zhuǎn)子隔離開(kāi)來(lái)，外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間無(wú)直接接觸。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外轉(zhuǎn)子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，內(nèi)轉(zhuǎn)子在磁稠合作用下隨著外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)從動(dòng)軸將旋轉(zhuǎn)傳遞給工作機(jī)。整個(gè)結(jié)構(gòu)無(wú)動(dòng)密封，只有靜密封，完全做到了無(wú)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(duì)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(jì)

本文設(shè)計(jì)的磁力聯(lián)軸器磁設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖如圖2所示。整個(gè)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(shí)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(duì)內(nèi)磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生銹蝕。每個(gè)導(dǎo)磁體內(nèi)都有16對(duì)級(jí)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(jì)圖與實(shí)物圖

3 磁力聯(lián)軸器傳動(dòng)影響因素分析

3.1 磁極對(duì)數(shù)對(duì)傳動(dòng)的影響探究

為了研究磁極對(duì)數(shù)量對(duì)傳輸?shù)挠绊?，使用有限元分析軟件進(jìn)行了瞬態(tài)場(chǎng)分析。圖3是沿軸向方向的不同磁極對(duì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量圖。從圖中可以看出，當(dāng)磁極對(duì)數(shù)較少時(shí)，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(duì)數(shù)一致。隨著磁極對(duì)的數(shù)量增加，磁勢(shì)回路逐漸變得混亂并且難以區(qū)分。這是因?yàn)閱蝹€(gè)磁塊的寬度變小，而磁極對(duì)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(duì)相鄰的磁體之間可能會(huì)產(chǎn)生幾對(duì)相互吸引和排斥的力，這會(huì)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(duì)于幾個(gè)電磁鋼的對(duì)數(shù)，單個(gè)電磁鋼的體積相對(duì)較大，并且它與相對(duì)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(shì)環(huán)將是更明顯。

圖3 不同磁極對(duì)數(shù)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

3.2 工作轉(zhuǎn)速對(duì)傳動(dòng)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(shì)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(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，金屬隔離套產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)引起的原始磁場(chǎng)減弱。隨著速度的增加，隔離套的電磁感應(yīng)線(xiàn)的切割頻率越來(lái)越快，其削弱作用越來(lái)越強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低。但是將感應(yīng)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與原始磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，感應(yīng)磁場(chǎng)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(duì)傳動(dòng)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(huì)隨著溫度的升高而降低。當(dāng)溫度升高超過(guò)材料的居里溫度時(shí)，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(duì)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(cè)試報(bào)告，以探討磁性能變化對(duì)磁轉(zhuǎn)子傳動(dòng)性能的影響。測(cè)試報(bào)告如圖5所示。可以看出，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(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

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(guò)多種分析方法，以磁轉(zhuǎn)矩和磁渦流損耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了影響磁耦合傳動(dòng)性能的因素。從磁極對(duì)的數(shù)量，工作速度和工作溫度這三個(gè)方面發(fā)展而來(lái)。結(jié)果表明：

（1）磁體對(duì)數(shù)對(duì)傳輸性能的影響：隨著磁體對(duì)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(shì)。因此，存在最佳數(shù)量的磁極對(duì)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(duì)數(shù)的選擇，并引入電磁鋼材料利用率的概念對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。最終，比較表明，當(dāng)磁極對(duì)數(shù)為16對(duì)時(shí)，可得到模型產(chǎn)生的磁矩和磁渦流損耗。這是一個(gè)相對(duì)最佳的解決方案。

（2）工作速度對(duì)傳動(dòng)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(duì)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(chǎng)在一定程度上削弱了一次磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，但與一次磁場(chǎng)相比，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度很小，因此速度會(huì)影響磁轉(zhuǎn)矩，但是很小。

（3）工作溫度對(duì)傳動(dòng)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(dòng)性能減弱。通過(guò)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(shì)，并且下降的幅度非常大。根據(jù)磁轉(zhuǎn)矩的變化，對(duì)20°C時(shí)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(shí)磁轉(zhuǎn)矩降低了2%，在150°C時(shí)磁轉(zhuǎn)矩降低了35%。 可以看出，高溫對(duì)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(guò)60°C。