摘要：對(duì)磁傳動(dòng)技術(shù)在攪拌裝置上的應(yīng)用做了較為全面的論述，并通過對(duì)具體結(jié)構(gòu)的分析和試驗(yàn)，獲得并驗(yàn)證了具體的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式。 關(guān)鍵詞：磁傳動(dòng) 轉(zhuǎn)矩 磁路設(shè)計(jì) 引言 在化學(xué)反應(yīng)器中不可缺少攪拌裝置，攪拌裝置技術(shù)是化學(xué)工程技術(shù)的重要組成部分。攪拌技術(shù)涉及流體力學(xué)、生物化學(xué)、熱力學(xué)、表面張力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，近年來高分子化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)，尤其是生物工程工業(yè)大量的高科技產(chǎn)品成果投入生產(chǎn)實(shí)施，物料的攪拌與反應(yīng)常常是在高溫、高壓、真空、易燃、易爆、劇毒的工況條件下進(jìn)行，這就對(duì)攪拌設(shè)備提出了新的技術(shù)要求，促使攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)研究向技術(shù)邊緣突破，磁傳動(dòng)技術(shù)因此在攪拌裝置上受到日益廣泛的應(yīng)用。 1 工作原理與裝置形式 為保證反應(yīng)工況的穩(wěn)定，必須對(duì)攪拌設(shè)備進(jìn)行軸封。常用的是機(jī)械密封、填料箱，機(jī)械密封就其原理來說仍屬于動(dòng)密封的范圍，不可避免的存在著泄漏。在化工攪拌生產(chǎn)中，一些特殊的工況條件下一旦泄漏會(huì)引起爆炸，嚴(yán)重危及操作工人和設(shè)備的安全，污染設(shè)備周圍的工作環(huán)境。磁傳動(dòng)技術(shù)是徹底解決密封問題的唯一途徑，它是根據(jù)磁力耦合器的結(jié)構(gòu)原理，無接觸的傳遞轉(zhuǎn)矩，即在內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子之間增加一個(gè)隔離套（亦稱密封套），將攪拌釜內(nèi)的介質(zhì)與外界完全隔開，從而獲得絕對(duì)密封的磁力傳動(dòng)攪拌反應(yīng)釜。磁傳動(dòng)技術(shù)在攪拌裝置上應(yīng)用有3種結(jié)構(gòu)。 1．1 頂入式磁力攪拌裝置 反應(yīng)器的傳統(tǒng)攪拌裝置是頂置的立式攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于當(dāng)前化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，越來越多的反應(yīng)都是在高溫、高壓的條件下完成，根據(jù)溫度的高低有兩種結(jié)構(gòu)可供選擇（見圖1）；a型為釜內(nèi)軸承伸入釜內(nèi)，縮短了攪拌軸的懸臂長(zhǎng)度有利于支承。b型為釜內(nèi)軸承帶下冷卻結(jié)構(gòu)，耐溫較高。 1．2 底入式磁力攪拌裝置 目前大多磁力攪拌裝置均為頂攪拌結(jié)構(gòu)，這類裝置存在的主要問題是由于攪拌軸懸臂過長(zhǎng)，支承性能差，工作不穩(wěn)定，在運(yùn)行過程中當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的擺動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)磁鋼轉(zhuǎn)子與隔離套內(nèi)壁發(fā)生摩擦，因此縮短了設(shè)備的使用壽命。在當(dāng)今高分子、農(nóng)藥等化學(xué)工程方面，上述傳動(dòng)的缺陷，常常造成災(zāi)難性的故障，因此很多新技術(shù)工程設(shè)計(jì)須采用底人式磁力攪拌裝置予以保證。該裝置對(duì)于那些在攪拌或反應(yīng)中物料容易出現(xiàn)沉淀的使用工況下更能體現(xiàn)出該裝置的特點(diǎn)。 底入式磁力攪拌的傳動(dòng)形式可分為兩種，圓筒型和圓盤型（見圖2）。 圓筒型磁力傳動(dòng)為徑向耦合，磁鋼利用率高，空間布置大，在相同的磁參數(shù)下能獲得較大的傳遞轉(zhuǎn)矩，故被廣泛采用，尤其是用于大功率的磁轉(zhuǎn)矩。圓盤型磁力傳動(dòng)為軸向耦合，其優(yōu)點(diǎn)在于可以簡(jiǎn)化磁鋼的幾何形狀和磁傳動(dòng)裝置的軸向尺寸，但由于其磁傳動(dòng)效率較低，僅適用于傳遞轉(zhuǎn)矩較小的場(chǎng)合。 1．3 旁入式磁力攪拌裝置 隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，技術(shù)裝備向大型化，高效能發(fā)展，國內(nèi)500m3的反應(yīng)器屢見不鮮，其反映出問題的主要原因是大容積反應(yīng)器中攪拌效率明顯降低，攪拌效能并不簡(jiǎn)單遵從幾何放大規(guī)律，采用常規(guī)的頂人式或底入式磁力攪拌裝置，龐大的設(shè)備造價(jià)、能耗和負(fù)荷使人難以接受，因此必須為大型容器提供一種旁人式磁力攪拌裝置，在大型容器中的介質(zhì)的適當(dāng)深度位置插入攪拌器，同時(shí)采用多機(jī)組合和定向布置，使其達(dá)到最佳反應(yīng)效果，可譽(yù)為一種高效能攪拌裝置。 旁人式磁力傳動(dòng)裝置（亦稱磁力傳動(dòng)側(cè)攪拌）在某些特殊的場(chǎng)合也得到廣泛的應(yīng)用（見圖3）。 2 磁轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化設(shè)計(jì) 為了滿足攪拌器在各種工況下的啟動(dòng)、運(yùn)行，內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子不得產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象，而必須具有余裕的磁轉(zhuǎn)矩，因此磁力傳動(dòng)攪拌裝置在應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題即為磁路的設(shè)計(jì)與計(jì)算。根據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)，計(jì)算磁轉(zhuǎn)矩的方法很多，國內(nèi)致力于磁傳動(dòng)研究的有識(shí)之士為了進(jìn)行高精度的計(jì)算，先后推出了二維靜磁場(chǎng)有限元素法（FEM）、二維（2D）與三維（3D）圓柱氣隙、瓦形磁體徑向磁化聯(lián)軸器分析法、等效磁荷法（即磁荷積分法）都為永磁聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)提供了很有價(jià)值的研究成果。但是由于磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性，利用電磁場(chǎng)的分析將永磁體處理成邊界電流模型等等，都要做大量的數(shù)學(xué)、電磁學(xué)推導(dǎo)，計(jì)算費(fèi)時(shí)。工程上的應(yīng)用最關(guān)注的是計(jì)算的力學(xué)行為，簡(jiǎn)明實(shí)用而又精確的計(jì)算程序。本文主要針對(duì)應(yīng)用最廣泛的圓筒型磁力耦合器的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。 2．1 力學(xué)特性 為了實(shí)用目的，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性全面考慮對(duì)磁力耦合器設(shè)計(jì)的評(píng)定，我們采用如下三個(gè)不同指標(biāo)： （1）單位磁體積的最大轉(zhuǎn)矩；（2）耦合器總體積給定時(shí)最大轉(zhuǎn)矩；（3）對(duì)一給定轉(zhuǎn)矩的最低價(jià)格。只有同時(shí)考慮到上述條件的設(shè)計(jì)才是最佳化設(shè)計(jì)。圓筒形磁傳動(dòng)裝置（見圖4）磁體通常由n個(gè)徑向磁化而充磁方向相反的瓦形磁鋼組成（n=磁極數(shù)）。在驅(qū)動(dòng)（外磁鋼）和從動(dòng)（內(nèi)磁鋼）的圓筒形磁體里，有n／2個(gè)N極和n／2個(gè)s極在表面沿周向成偶數(shù)交替排列。其轉(zhuǎn)矩大小取決于耦合器外磁鋼相對(duì)于內(nèi)磁鋼的位角Ψ（見圖5），可能有下列幾種情況。 Ψ=0：相反極性的磁極彼此面正對(duì)著。 0л／n），轉(zhuǎn)矩減小，在這個(gè)范圍內(nèi)耦合是不穩(wěn)定的，即發(fā)生滑動(dòng)。 2л／n：彼此相對(duì)耦合器內(nèi)外磁鋼相斥?？梢哉J(rèn)為，位移角 和轉(zhuǎn)矩71的函數(shù)關(guān)系呈正弦曲線變化（見圖6）。最大磁轉(zhuǎn)矩也就是在位移角Ψ=л／n時(shí)到達(dá)，磁力傳動(dòng)的上述靜力學(xué)特性，在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是對(duì)那些嚴(yán)格要求同步轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌反應(yīng)場(chǎng)合，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮。 瓦形磁鋼以不同極性沿圓周方向呈偶數(shù)交替排列，并固定在低碳鋼鋼圈上形成磁回路連體，其外面包圍著非鐵磁性材質(zhì)的包套以造成磁屏蔽。由于內(nèi)外磁鋼每對(duì)磁極正面的互相吸引，相鄰異極面的互相排斥，可以看出，當(dāng)從動(dòng)磁極位于相鄰兩磁極中間位置（即=л／n）時(shí)轉(zhuǎn)矩最大（見圖6）。 這種磁極排列所形成的磁路通常稱為吸斥式（或推拉式）磁路。于是，內(nèi)磁體受到了吸力（F ）與斥力（F2）的聯(lián)合作用，其在旋轉(zhuǎn)方向是相加的（F=F1+F2），就使得傳遞到從動(dòng)磁極上的轉(zhuǎn)矩由于相鄰異性磁極的反作用效應(yīng)得以增大，這對(duì)防止滑脫現(xiàn)象是十分有利的（見圖7）。

2．2 磁路設(shè)計(jì) 圖7從動(dòng)磁極的動(dòng)力學(xué)分析永久磁鐵、工作氣隙和磁導(dǎo)體三者構(gòu)成永磁磁路。這里指的是使用永久磁體構(gòu)成的磁路。磁路設(shè)計(jì)的任務(wù)是，除了使永磁體在一定的氣隙內(nèi)提供所需要的磁場(chǎng)外，還應(yīng)使磁傳動(dòng)裝置具有最小的尺寸、最輕的重量、最低的成本和高的磁穩(wěn)定性。 （1）磁性材料的選擇 用于傳遞轉(zhuǎn)矩的磁性材料，不僅需要高的磁感應(yīng)強(qiáng)度（Br），而且還需要高的矯頑力（Hc）和磁能積（BH）max。適應(yīng)這種要求的磁性材料有鐵氧體類磁鋼和稀土類磁鋼。1983年問世的被稱為第三代稀土永磁的釹鐵硼（Nd—Fe—B）具有最優(yōu)越的磁能積。 稀土類磁鋼的釤鈷合金，由于其溫度系較低（a[sub]t[/sub]=一0．03%／℃）雖然價(jià)格昂貴，但在高溫（>150℃）攪拌工況條件下，也是首選。Nd—Fe—B磁性材料，由于磁性能優(yōu)異、價(jià)格低廉，對(duì)于圓筒形組合式磁路結(jié)構(gòu)可以獲得令人滿意的磁轉(zhuǎn)矩，這類永磁耦合器具有體積小、重量輕、功率大、效率高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于磁力攪拌反應(yīng)釜上。 （2）工作氣隙與理想極數(shù) 通常一個(gè)磁力耦合器的絕對(duì)氣隙幾何尺寸（R3一R2），或相對(duì)氣隙的幾何尺寸（r=R2／R3）是給定的（見圖8）。為了找到耦合器的最佳尺寸，常常要改變參數(shù)R1與R4和磁極n，而磁鋼極數(shù)將在很大程度上影響磁路的傳動(dòng)效率。在圖8中根據(jù)不同的r（相對(duì)氣隙）給出了理想極數(shù)n，可以看出理想極數(shù)隨r的增加（即減少氣隙）而急劇增加，因?yàn)闃O數(shù)只可能是偶數(shù)，故曲線是一個(gè)個(gè)孤立的點(diǎn)組成，圖8表示了理想極數(shù)的可能分布寬度。因?yàn)棣?л／n，所以從理想極數(shù)n可以求得耦合器最大允許扭轉(zhuǎn)角。 有關(guān)研究資料還表明，當(dāng)磁路尺寸確定后，理想極數(shù)還可以通過計(jì)算進(jìn)行確定 式中Kj— 極性系數(shù)，當(dāng) =4時(shí)，為最佳極數(shù) D3—外磁鋼內(nèi)徑 Lg—?dú)庀? 在某些情況下，從提高磁轉(zhuǎn)矩考慮，極數(shù)較多可能更好些；考慮到氣隙的退磁作用，在許可范圍內(nèi)氣隙盡量設(shè)計(jì)得小些，合理的磁鋼極數(shù)和氣隙大小，也只有通過磁路計(jì)算來確定。 3 磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算 磁路計(jì)算的目的是精確地計(jì)算出磁轉(zhuǎn)矩的大小，使其與攪拌功率匹配。我們根據(jù)多年從事磁性聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法在工程上有一定的應(yīng)用價(jià)值。本計(jì)算方法與以往的一些計(jì)算方法不同的是，在計(jì)算過程中不需要人為的添加一些修正系數(shù)，而是對(duì)磁性材料的主要特性——磁感應(yīng)強(qiáng)度（Br）的取值，根據(jù)磁路參數(shù)的不同作出合理的定義，直接利用公式進(jìn)行計(jì)算。 3．1 磁力耦合器的靜磁場(chǎng)計(jì)算 圓筒形磁力耦合器是由兩個(gè)磁環(huán)組成，每個(gè)磁環(huán)又是由n個(gè)N、S極交替排列的瓦形磁鋼組成，所以氣隙中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度是由相對(duì)的內(nèi)、外兩塊磁鋼產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的疊加。 氣隙中內(nèi)磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

氣隙中外磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度 3．2 最大磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算 如前述，磁轉(zhuǎn)矩和磁體位移角（ ）的函數(shù)關(guān)系呈正弦規(guī)律變化，而且T[sub]max[/sub]=T（Ψ=л／n），實(shí)踐證明，當(dāng)位移角等于Ψ時(shí)，在吸斥式磁路中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。根據(jù)磁轉(zhuǎn)矩與靜磁場(chǎng)之間的關(guān)系，磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為 在磁力攪拌裝置中，常將內(nèi)、外磁鋼采用不同的磁性材料進(jìn)行組合，以獲得最經(jīng)濟(jì)、最理想的效果，這時(shí)，為了更精確地計(jì)算磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)式（3）需進(jìn)行分解。內(nèi)磁鋼產(chǎn)生的磁轉(zhuǎn)矩

外磁鋼產(chǎn)生的磁轉(zhuǎn)矩

我們利用式（4）、式（5）對(duì)MTC系列磁力傳動(dòng)攪拌裝置的磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算并與實(shí)測(cè)值作了比較（見表1），可以看出其計(jì)算精度在工程應(yīng)用中是可行的。 3．3 磁轉(zhuǎn)矩與溫度 隨著溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致磁轉(zhuǎn)矩的下降，這是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度升高而下降的緣故。釹鐵硼磁鋼對(duì)溫度的變化較為敏感，其磁溫度系數(shù)（a[sub]t[/sub]）約在一0．14%／℃左右，在計(jì)算中可以認(rèn)為當(dāng)溫度為t℃時(shí)

因此，必須考慮釜內(nèi)攪拌的最高工作溫度。并計(jì)算出在此溫度下磁轉(zhuǎn)矩之大小，來作為磁路設(shè)計(jì)的依據(jù)，這樣能確保磁力耦合器的可靠工作。 4 結(jié)束語 通過理論探索和實(shí)驗(yàn)研究，我們把文中變化參數(shù)的煩瑣計(jì)算引入計(jì)算機(jī)程序化設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入磁路參數(shù)，進(jìn)行比較并打印出最佳數(shù)值：從而避免了大量不必要的重復(fù)計(jì)算，最后在轉(zhuǎn)矩測(cè)試儀上對(duì)計(jì)算值的精確度進(jìn)行較核，為下一次磁路參數(shù)輸入值正提供可靠的依據(jù)。 參考文獻(xiàn)： 1 關(guān)醒凡編著，現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)北京：宇航出版社，1995 2 [日]牧野升，磁鋼設(shè)計(jì)與應(yīng)用。北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1982 3 趙克中編著，磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)與設(shè)備北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004