對磁力驅(qū)動離心泵各部分所產(chǎn)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(nèi)磁缸水力摩擦損失、潤滑冷卻循環(huán)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(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

1、前言

　　隨著磁力驅(qū)動離心泵在石油化工、軍工、醫(yī)藥等領(lǐng)域的廣泛使用,它的效率和安全可靠性越來越受到關(guān)注,磁力驅(qū)動離心泵由于采用磁力傳動,實現(xiàn)力矩的無接觸傳遞,結(jié)構(gòu)特殊,對其能量損失的研究,有助于提高泵的技術(shù)水平,對節(jié)約能源、創(chuàng)建節(jié)約型社會具有十分重要而深遠的意義。

2、磁力泵結(jié)構(gòu)及工作原理

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

圖1　磁力泵結(jié)構(gòu)

　　由于增加了磁力傳動部件,磁力泵的功率損失構(gòu)成因素比較復(fù)雜,除泵水力部件的能量損失外,還增加了磁渦流損失、內(nèi)磁缸與液體的水力摩擦損失、潤滑冷卻循環(huán)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(guān)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(shù)采用金屬材料,它位于內(nèi)、外磁缸之間。當(dāng)外磁缸被電動機帶動旋轉(zhuǎn)后,金屬隔離罩便處于交變磁場中,導(dǎo)體在磁場中運動會產(chǎn)生感應(yīng)電流,外磁缸帶動內(nèi)磁缸同步旋轉(zhuǎn),相當(dāng)于隔離罩相對于磁場轉(zhuǎn)動。圖2所示為一段隔離罩相對磁場順時針旋轉(zhuǎn)。由于相鄰磁極極性相反,因此在隔離罩中產(chǎn)生感應(yīng)電流,此感應(yīng)電流在隔離罩內(nèi)自行閉合,像水的旋渦一樣,因此稱為渦流。

圖2　渦流的產(chǎn)生

　　磁渦流的產(chǎn)生會帶來極大的危害,精確計算渦流損失的數(shù)值也并非易事。如果能夠比較準(zhǔn)確的把握隔離罩內(nèi)渦流損失的大小,就有可能比較準(zhǔn)確的預(yù)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(tǒng)的設(shè)計。

　　根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析提出了一個與磁路計算不直接聯(lián)系的確定渦流反轉(zhuǎn)矩和最大靜磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)Maxwell方程推導(dǎo)出隔離罩中渦流功率損失PW為:

　　式中γ———電導(dǎo)率, S/m
　　　　δcy ———電流密度, A /m²　　
　　　　B0 ———磁感應(yīng)強度, T
　　　　t———隔離罩壁厚, m
　　　　r———隔離罩內(nèi)半徑, m
　　　　m ———磁極極數(shù)
　　　　L ———磁極長度, m

　　由計算式結(jié)合理論分析表明, 渦流損失的大小與多個因素有關(guān): (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(dǎo)率,渦流損失大小與隔離罩的電導(dǎo)率成正比關(guān)系,因此隔離罩的材料應(yīng)取較小的電導(dǎo)率,也就是較大的電阻率; (3)在滿足磁轉(zhuǎn)矩設(shè)計要求的情況下,磁缸應(yīng)盡量減小r值, 適當(dāng)增加L 值, 有利于控制渦流損失,即內(nèi)磁缸宜制成細長狀; (4)磁缸的轉(zhuǎn)速,渦流損失大小與轉(zhuǎn)速即磁極工作頻率f成正比。

　　因此,在設(shè)計時, 根據(jù)磁力泵性能結(jié)構(gòu)要求合理選擇泵的轉(zhuǎn)速, 磁性聯(lián)軸器尺寸, 隔離罩厚度、尺寸、材質(zhì),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(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)率是材質(zhì)的固有特性,電導(dǎo)率大, 渦流損耗就大,因此隔離罩選擇電導(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)速或改變穿過隔離罩的磁感應(yīng)強度, 同樣使得渦流損耗發(fā)生變化。泵的轉(zhuǎn)速一般由工況條件決定,特別指出降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的方法來設(shè)計磁力泵,在功率不變條件下,轉(zhuǎn)速和磁感應(yīng)強度不會有大的改變,所以認為磁感應(yīng)強度和轉(zhuǎn)速是不被調(diào)整的對象。只是在選擇磁感應(yīng)強度和轉(zhuǎn)速時予以考慮。