對磁力驅動離心泵各部分所產生的能量損失進行了研究, 分析其特有的3項功率損失:渦流損失、內磁缸水力摩擦損失、潤滑冷卻循環損失,提出了減小各項損失的有效途徑和方法,為磁力泵的優化設計及應用提供參考。

1、前言

　　隨著磁力驅動離心泵在石油化工、軍工、醫藥等領域的廣泛使用,它的效率和安全可靠性越來越受到關注,磁力驅動離心泵由于采用磁力傳動,實現力矩的無接觸傳遞,結構特殊,對其能量損失的研究,有助于提高泵的技術水平,對節約能源、創建節約型社會具有十分重要而深遠的意義。

2、磁力泵結構及工作原理

　　磁力泵結構如圖1所示,電動機通過泵軸驅動外磁缸旋轉,外磁缸通過磁力與內磁缸耦合,使內外磁缸同步運轉,內磁缸與葉輪直接連接。這樣,位于內、外磁缸之間的隔離罩將可能外漏的液體隔開,實現了無軸封、完全無泄漏的目的。

圖1　磁力泵結構

　　由于增加了磁力傳動部件,磁力泵的功率損失構成因素比較復雜,除泵水力部件的能量損失外,還增加了磁渦流損失、內磁缸與液體的水力摩擦損失、潤滑冷卻循環損失。水力部件能量損失是一般離心泵中普遍存在的能量損失,相關的研究分析資料較多,理論也很成熟,本文著重分析磁力泵特有的各項功率損失。

3、磁力泵能量損失分析

3.1、渦流損失

　　磁力泵的隔離罩因承壓的要求多數采用金屬材料,它位于內、外磁缸之間。當外磁缸被電動機帶動旋轉后,金屬隔離罩便處于交變磁場中,導體在磁場中運動會產生感應電流,外磁缸帶動內磁缸同步旋轉,相當于隔離罩相對于磁場轉動。圖2所示為一段隔離罩相對磁場順時針旋轉。由于相鄰磁極極性相反,因此在隔離罩中產生感應電流,此感應電流在隔離罩內自行閉合,像水的旋渦一樣,因此稱為渦流。

圖2　渦流的產生

　　磁渦流的產生會帶來極大的危害,精確計算渦流損失的數值也并非易事。如果能夠比較準確的把握隔離罩內渦流損失的大小,就有可能比較準確的預測磁力泵的效率和合理的功率配套,并正確地進行冷卻系統的設計。

　　根據測試數據分析提出了一個與磁路計算不直接聯系的確定渦流反轉矩和最大靜磁轉矩的比率式:

　　式中TW ———渦流反力矩, N·m
　　　　Tmax ———最大靜磁力矩, N·m
　　　　n———電機轉速, r/min
　　　　R ———隔離罩平均半徑, m
　　　　δ———隔離罩壁厚, m
　　　　ρ———隔離罩材料電阻率,Ω·m　　

根據Maxwell方程推導出隔離罩中渦流功率損失PW為:

　　式中γ———電導率, S/m
　　　　δcy ———電流密度, A /m²　　
　　　　B0 ———磁感應強度, T
　　　　t———隔離罩壁厚, m
　　　　r———隔離罩內半徑, m
　　　　m ———磁極極數
　　　　L ———磁極長度, m

　　由計算式結合理論分析表明, 渦流損失的大小與多個因素有關: (1)隔離罩的厚度,在滿足強度的條件下,隔離罩厚度越小越好; (2)隔離罩的電導率,渦流損失大小與隔離罩的電導率成正比關系,因此隔離罩的材料應取較小的電導率,也就是較大的電阻率; (3)在滿足磁轉矩設計要求的情況下,磁缸應盡量減小r值, 適當增加L 值, 有利于控制渦流損失,即內磁缸宜制成細長狀; (4)磁缸的轉速,渦流損失大小與轉速即磁極工作頻率f成正比。

　　因此,在設計時, 根據磁力泵性能結構要求合理選擇泵的轉速, 磁性聯軸器尺寸, 隔離罩厚度、尺寸、材質,可使渦流損失功率盡可能減小:隔離罩幾何尺寸對渦流功率的影響最大,改變隔離罩直徑是改變渦流損耗最直接有效的途徑, 結構設計時盡可能合理地選取r和L 值, 在磁扭矩不變的情況下一般將其做成細長形,有效減小渦流損耗;同時在滿足隔離罩強度要求的前提下,隔離罩的壁厚越小越好。隔離罩的電導率是材質的固有特性,電導率大, 渦流損耗就大,因此隔離罩選擇電導率小的材料為宜,如鈦合金、哈氏合金。渦流高度集中在隔離罩表層中,通常改變隔離罩表層的晶粒組織從而降低電導率也是降低渦流損失的一個辦法。若采用高強度的非金屬材料做隔離罩,則是降低渦流最有效、最直接的辦法, 但材料必須滿足工況條件。只改變轉速或改變穿過隔離罩的磁感應強度, 同樣使得渦流損耗發生變化。泵的轉速一般由工況條件決定,特別指出降低轉速可以減小渦流損失,但不建議僅考慮渦流損失而采用降低轉速的方法來設計磁力泵,在功率不變條件下,轉速和磁感應強度不會有大的改變,所以認為磁感應強度和轉速是不被調整的對象。只是在選擇磁感應強度和轉速時予以考慮。