摘要：對磁傳動技術(shù)在攪拌裝置上的應(yīng)用做了較為全面的論述，并通過對具體結(jié)構(gòu)的分析和試驗，獲得并驗證了具體的設(shè)計方法和計算公式。 關(guān)鍵詞：磁傳動 轉(zhuǎn)矩 磁路設(shè)計 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)計研究向技術(shù)邊緣突破，磁傳動技術(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，必須對攪拌設(shè)備進(jìn)行軸封。常用的是機械密封、填料箱，機械密封就其原理來說仍屬于動密封的范圍，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，從而獲得絕對密封的磁力傳動攪拌反應(yīng)釜。磁傳動技術(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，支承性能差，工作不穩(wěn)定，在運行過程中當(dāng)工況發(fā)生變化時會產(chǎn)生不同程度的擺動，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)計須采用底人式磁力攪拌裝置予以保證。該裝置對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。 底入式磁力攪拌的傳動形式可分為兩種，圓筒型和圓盤型（見圖2）。 圓筒型磁力傳動為徑向耦合，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。圓盤型磁力傳動為軸向耦合，其優(yōu)點在于可以簡化磁鋼的幾何形狀和磁傳動裝置的軸向尺寸，但由于其磁傳動效率較低，僅適用于傳遞轉(zhuǎn)矩較小的場合。 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、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，同時采用多機組合和定向布置，使其達(dá)到最佳反應(yīng)效果，可譽為一種高效能攪拌裝置。 旁人式磁力傳動裝置（亦稱磁力傳動側(cè)攪拌）在某些特殊的場合也得到廣泛的應(yīng)用（見圖3）。 2 磁轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化設(shè)計 為了滿足攪拌器在各種工況下的啟動、運行，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，因此磁力傳動攪拌裝置在應(yīng)用中的一個關(guān)鍵問題即為磁路的設(shè)計與計算。根據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)，計算磁轉(zhuǎn)矩的方法很多，國內(nèi)致力于磁傳動研究的有識之士為了進(jìn)行高精度的計算，先后推出了二維靜磁場有限元素法（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)計提供了很有價值的研究成果。但是由于磁場分布的復(fù)雜性，利用電磁場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)，計算費時。工程上的應(yīng)用最關(guān)注的是計算的力學(xué)行為，簡明實用而又精確的計算程序。本文主要針對應(yīng)用最廣泛的圓筒型磁力耦合器的設(shè)計進(jìn)行闡述。 2．1 力學(xué)特性 為了實用目的，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性全面考慮對磁力耦合器設(shè)計的評定，我們采用如下三個不同指標(biāo)： （1）單位磁體積的最大轉(zhuǎn)矩；（2）耦合器總體積給定時最大轉(zhuǎn)矩；（3）對一給定轉(zhuǎn)矩的最低價格。只有同時考慮到上述條件的設(shè)計才是最佳化設(shè)計。圓筒形磁傳動裝置（見圖4）磁體通常由n個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（外磁鋼）和從動（內(nèi)磁鋼）的圓筒形磁體里，有n／2個N極和n／2個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著。 0л／n），轉(zhuǎn)矩減小，在這個范圍內(nèi)耦合是不穩(wěn)定的，即發(fā)生滑動。 2л／n：彼此相對耦合器內(nèi)外磁鋼相斥。可以認(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時到達(dá)，磁力傳動的上述靜力學(xué)特性，在實際應(yīng)用中，尤其是對那些嚴(yán)格要求同步轉(zhuǎn)動的攪拌反應(yīng)場合，在設(shè)計時應(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)從動磁極位于相鄰兩磁極中間位置（即=л／n）時轉(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，這對防止滑脫現(xiàn)象是十分有利的（見圖7）。

2．2 磁路設(shè)計 圖7從動磁極的動力學(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)提供所需要的磁場外，還應(yīng)使磁傳動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、價格低廉，對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、效率高等獨特優(yōu)點，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) 通常一個磁力耦合器的絕對氣隙幾何尺寸（R3一R2），或相對氣隙的幾何尺寸（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效率。在圖8中根據(jù)不同的r（相對氣隙）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，因為極數(shù)只可能是偶數(shù)，故曲線是一個個孤立的點組成，圖8表示了理想極數(shù)的可能分布寬度。因為Ψ=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)還可以通過計算進(jìn)行確定 式中Kj— 極性系數(shù)，當(dāng) =4時，為最佳極數(shù) D3—外磁鋼內(nèi)徑 Lg—氣隙 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)計得小些，合理的磁鋼極數(shù)和氣隙大小，也只有通過磁路計算來確定。 3 磁轉(zhuǎn)矩計算 磁路計算的目的是精確地計算出磁轉(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、計算、實驗與應(yīng)用的實踐經(jīng)驗總結(jié)出的磁轉(zhuǎn)矩計算方法在工程上有一定的應(yīng)用價值。本計算方法與以往的一些計算方法不同的是，在計算過程中不需要人為的添加一些修正系數(shù)，而是對磁性材料的主要特性——磁感應(yīng)強度（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)行計算。 3．1 磁力耦合器的靜磁場計算 圓筒形磁力耦合器是由兩個磁環(huán)組成，每個磁環(huán)又是由n個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)強度是由相對的內(nèi)、外兩塊磁鋼產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的疊加。 氣隙中內(nèi)磁鋼的磁感應(yīng)強度為

氣隙中外磁鋼的磁感應(yīng)強度 3．2 最大磁轉(zhuǎn)矩計算 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），實踐證明，當(dāng)位移角等于Ψ時，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，為了更精確地計算磁轉(zhuǎn)矩，對式（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MTC系列磁力傳動攪拌裝置的磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計算并與實測值作了比較（見表1），可以看出其計算精度在工程應(yīng)用中是可行的。 3．3 磁轉(zhuǎn)矩與溫度 隨著溫度的升高，會導(dǎo)致磁轉(zhuǎn)矩的下降，這是由于磁感應(yīng)強度隨溫度升高而下降的緣故。釹鐵硼磁鋼對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，在計算中可以認(rèn)為當(dāng)溫度為t℃時

因此，必須考慮釜內(nèi)攪拌的最高工作溫度。并計算出在此溫度下磁轉(zhuǎn)矩之大小，來作為磁路設(shè)計的依據(jù)，這樣能確保磁力耦合器的可靠工作。 4 結(jié)束語 通過理論探索和實驗研究，我們把文中變化參數(shù)的煩瑣計算引入計算機程序化設(shè)計，根據(jù)設(shè)計要求輸入磁路參數(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)計算，最后在轉(zhuǎn)矩測試儀上對計算值的精確度進(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)手冊北京：宇航出版社，1995 2 [日]牧野升，磁鋼設(shè)計與應(yīng)用。北京：機械工業(yè)出版社．1982 3 趙克中編著，磁力驅(qū)動技術(shù)與設(shè)備北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004