戴偉中 易文銀

(浙江昌海制藥有限公司，浙江 紹興312000)

0 引言

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，人們的環(huán)保需求也越來越高，國家對環(huán)保越來越重視，中央環(huán)保督察組，實現(xiàn)例行化、常規(guī)化.這也督促企業(yè)必須采用節(jié)能環(huán)保設(shè)備，化工制藥行業(yè)尤其如此.在化工制藥行業(yè)中，物料輸送所消耗的能量是相當(dāng)巨大的.據(jù)不完全統(tǒng)計，全國每年總發(fā)電量中20%以上消耗于泵的工作運行，由此可見泵是耗能大戶[1]，因此，分析泵運行過程中的能量損失，提高泵的效率，對節(jié)約能源、構(gòu)建綠色環(huán)保節(jié)能型社會具有非常深遠而又重要的意義.

1 磁力驅(qū)動泵渦流的形成與危害

輸送流體物料過去一直采用的是傳統(tǒng)的機械傳動離心泵，此類泵采用動密封結(jié)構(gòu)，在軸封處存在著較大的泄漏風(fēng)險.而在化工制藥行業(yè)中，泵內(nèi)的物料一般都是易燃易爆、有毒有害物質(zhì)，而隨著國家對環(huán)保的要求越來越高，因此應(yīng)盡量降低物料泄漏的風(fēng)險，選擇使用無泄漏泵.

制藥行業(yè)選用較多的無泄露泵一般有兩種：磁力驅(qū)動離心泵和屏蔽泵，這兩種泵均采用靜密封結(jié)構(gòu).而相對于屏蔽泵，磁力驅(qū)動離心泵的結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，泵體材料選擇多樣，價格便宜，因此磁力泵應(yīng)用更為廣泛.磁力驅(qū)動離心泵是利用內(nèi)外兩個永磁體之間的磁力耦合，內(nèi)外永磁體之間采用隔離套進行隔離，實現(xiàn)扭矩(功率)的無接觸傳遞，采用靜密封方式替代了傳統(tǒng)機械傳動泵傳動軸處存在的動密封泄漏問題.

由于磁力泵磁力耦合器結(jié)構(gòu)的特殊性，其傳動效率一般要比傳統(tǒng)的機械傳動泵低很多，其中隔離套的渦流損失占了很大一部分.

磁力驅(qū)動泵工作時，電動機帶動外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁力耦合器通過耦合作用帶動與葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，內(nèi)磁體與外磁體間有隔離套隔離，以確保物料的密封性.內(nèi)外磁體轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，就會在轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生一個交變的旋轉(zhuǎn)磁場，相對于該旋轉(zhuǎn)磁場，處在內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子之間實現(xiàn)密閉功能的隔離套在做切割磁力線的運動(如圖1所示).若隔離套為金屬材料，則由于電磁感應(yīng)，在隔離套內(nèi)部會產(chǎn)生封閉的環(huán)形感應(yīng)微電流，類似于水的漩渦，通常稱之為磁渦流.

圖1 渦流的形成

而環(huán)形感應(yīng)微電流又會形成感應(yīng)磁場，一方面，感應(yīng)微電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與磁力耦合器的磁場方向相反，產(chǎn)生了反向力矩，降低工作磁場內(nèi)的磁場強度，也就降低了傳動轉(zhuǎn)矩和力；另一方面，根據(jù)焦耳-楞次定律，感應(yīng)微電流會在金屬隔離套內(nèi)產(chǎn)生熱量，消耗原動機的功率，降低泵

的工作效率；且與此同時，磁力驅(qū)動泵工作時，金屬隔離套持續(xù)發(fā)熱，內(nèi)外永磁體工作的環(huán)境溫度也同時在持續(xù)上升，而由于永磁體的磁性強度會隨溫度的升高而逐漸降低，磁力耦合器的效率也就會越低，傳遞的扭力矩和功率也隨之降低，而當(dāng)其工作環(huán)境溫度升高到永磁材料的居里臨界溫度點時，永磁材料的磁性能將徹底消失，磁力聯(lián)軸器將完全失去作用[2].

2 已有的渦流損失經(jīng)驗公式

渦流的產(chǎn)生會極大影響磁力驅(qū)動泵的工作效率，國內(nèi)現(xiàn)在有大量的學(xué)者與文獻對磁渦流的損耗做了分析，筆者整理了部分已有的描述磁渦流損失功率的經(jīng)驗計算式，見表1.

3 隔離套對渦流損失值的影響

如果能夠精確地計算隔離套內(nèi)渦流損失的實際值，就可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測磁力泵的效率和合理的配套功率，但是到目前為止，由于渦流損失受影響的參數(shù)很多，精確計算渦流損失功率的值仍十分困難. 但是從經(jīng)驗式歸納來看， 我們可以定性地分析出磁渦流功率損失與隔離套以下參數(shù)有一定的比例關(guān)系.

表1 已有的磁渦流損失功率的經(jīng)驗計算式

序號渦流Pw/Mw 計算式W/(N·m)作 者備 注1Pw=3.37×10-8×tn2rγMkmax周朝紀(jì)[3]2Pw=N24ρh2ω2B20LS施衛(wèi)東[4]3Mw=(knrt/ρ)Mkmax陳存東[5]4Pw=π37200(n2TP)B2f0D2σS γ李福寶[6]σs材料的許用應(yīng)力,f0磁場交變頻率5Pw=Lr3tπ3n2B20900 γ趙克中等[7]6Pw=kB2D3Ln2ρμf于華宇、肖建邦[8]μ材料的磁導(dǎo)率,f磁場的交變頻率7Pw=0.0689Lr3tn2B20γ=3.2×10-8×tn2rγMkmaxMw=3.23×10-7×nrtγMkmax馮忠明、陳存東[9]

式中:L—磁化長度(m)r—隔離套半徑(m)t—隔離套厚度(m)n—電機轉(zhuǎn)速(r/min)

B0—磁感應(yīng)強度(T)γ—電導(dǎo)率(s/m)

(1)與隔離套的厚度成反比例關(guān)系，隔離套厚度越厚，磁渦流損失就越大.為降低磁渦流損失，隔離套厚度應(yīng)盡量薄，但同時離套也必須滿足一定的強度來確保密封效果以及泵的正常運行，因此需要選用高強度材料來制造隔離套，可以減薄隔離套的厚度.

(2)與隔離套的半徑及隔離套與內(nèi)外磁體間隙成反比例關(guān)系，需要盡量減少隔離套半徑和隔離套與內(nèi)外磁體間隙，但內(nèi)外磁體相對于隔離套處于高速運動狀態(tài)，確保設(shè)備安全需要保證一定的安全間隙.為實現(xiàn)這一目的，我們需要合理設(shè)計間隙，以保障設(shè)備的加工精度以及裝配精度，同時軸承選用高耐磨性能材質(zhì).

(3)與磁場旋轉(zhuǎn)作用半徑r及磁程長度L有一定正比例關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)合理選取r和L，有利于控制或減小磁渦流損失.根據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)人員實驗得出經(jīng)驗數(shù)據(jù)：除一些特殊或精密的機械傳動外，磁力驅(qū)動長徑比(L/D)選值范圍見表2[7].

(4)渦流損失與內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成反比例關(guān)系，磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，渦流損失功率也就越大；在滿足工況需要的情況下，適當(dāng)降低磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，選用多級電機，可以有效地降低渦流損失功率.

表2 已有的磁渦流損失功率的經(jīng)驗計算式

傳遞扭矩值/(N·m)長徑比參考選值<300.16～0.70≥30～<6000.60～1.00≥600～<1800高轉(zhuǎn)速時0.70～0.95低轉(zhuǎn)速時1.00～1.25≥1800高轉(zhuǎn)速時0.75～0.85低轉(zhuǎn)速時1.50～3.50

(5)渦流損失與隔離套材質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，由于反向感應(yīng)磁場的存在，假如選用高磁導(dǎo)率材料制作的隔離套時，外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場線大部分將直接被隔離套返還回外轉(zhuǎn)子，而磁力耦合器的內(nèi)磁體轉(zhuǎn)子獲得的磁場線則較少，就如同日常生活中手機處于金屬腔密閉包圍時，無法連接到信號一樣，這種現(xiàn)象在物理學(xué)上被稱為電磁屏蔽[10].所以當(dāng)隔離套材料的磁導(dǎo)率越大時，電磁屏蔽現(xiàn)象也就越嚴(yán)重，內(nèi)磁體轉(zhuǎn)子磁場的強度就越小，磁力耦合器的傳動效率也就越低.

(6)與隔離套的電阻有關(guān)，隔離套的電阻越大，感應(yīng)產(chǎn)生的渦流也越小，損失的能量也越少，據(jù)此需要選擇高電阻材料作為隔離套.

綜上所述，為降低磁渦流損失，可以從以下幾個方面考慮：

(1)隔離套的材料應(yīng)選擇強度大、磁導(dǎo)率低和電阻大的材料，同時優(yōu)化設(shè)計；

(2)適當(dāng)減小隔離套的半徑和隔離套與內(nèi)外磁體間隙，并保證加工精度與裝配精度，選用耐磨軸承；

(3)合理設(shè)置磁場旋轉(zhuǎn)作用半徑與磁程長度的比例.

4 行業(yè)內(nèi)常用的隔離套材質(zhì)及其優(yōu)缺點

磁力泵行業(yè)常用隔離套的材質(zhì)主要分為金屬材質(zhì)和非金屬材質(zhì)，鋼塑復(fù)合隔離套.金屬材質(zhì)的主要有304不銹鋼、316L不銹鋼、鈦合金、哈氏合金等.非金屬隔離套材質(zhì)主要有碳纖增強聚醚醚酮(PEEK)、陶瓷材料、增強聚丙烯塑料、氟塑料、聚苯硫醚(PPS)塑料、聚碳酸酯塑料、聚砜塑料等.

隔離套的厚度一般在0.6～4.0 mm之間，金屬材質(zhì)的較薄，一般在0.6～1.0 mm，非金屬材質(zhì)的相對較厚，一般在1.0～4.0 mm.

一般來說，金屬材料的隔離套工藝性能較好、強度高、壁厚小，但大多耐腐蝕能力較差，工作時會給磁路造成一定的渦流損失，常用金屬隔離套材料的性能參數(shù)如表3所示.

表3 常用金屬隔離套材料性能參數(shù)[11]

材 料電阻率/(Ω·mm2·m-1)磁性能密度/(t·m-3)抗拉強度/MPa3040.75非鐵磁性7.93520316L0.75非鐵磁性7.98480哈氏合金C1.39非鐵磁性8.90550鈦合金TC41.62非鐵磁性5.00895

經(jīng)試驗，隔離套采用304或316L材質(zhì)，磁力套渦流損失為15%～20%.采用鈦合金TC4材質(zhì)隔離套時，渦流損失約是304或316L材質(zhì)隔離套的44.2%[12].且TC4鈦合金的金屬性能更為優(yōu)異.采用TC4鈦合金隔離套比普通304隔離套，每臺泵成本要增加2 000元左右.雖然設(shè)備購置時其一次性的投入成本會相對高一些，但是泵作為長年運行設(shè)備，假設(shè)一臺功率7.5 kW磁力泵，每天運行5 h，則采用TC4隔離套時每年能節(jié)省的電能達907.48～1 209.98 kW·h.運行一年即可回收成本.

而如果采用非金屬材料，由于不具有電導(dǎo)性，可以消除磁路在工作中產(chǎn)生的渦流損失.

碳纖增強聚醚醚酮(PEEK)是目前應(yīng)用較為廣泛的隔離套材料之一，具有電絕緣性無渦流損失、抗拉強度大，同時也具有良好的耐蝕能力.但相對于金屬材料，其強度低設(shè)計壁厚較大、價格偏高，不耐磨，不耐高溫.

陶瓷也是制造隔離套常用的非金屬材料，除具電絕緣性外，陶瓷還具有耐腐蝕、耐高溫和耐磨損等優(yōu)點，最常用的陶瓷材料是氧化鋯(ZrO2).但陶瓷材料也存在一定的缺陷，包括工藝性較差，壁厚較大等，因此現(xiàn)在一般只適用于揚程40 m以下的小型磁力泵.且由于陶瓷是脆性材料，在安裝調(diào)試運輸過程中要做好保護工作，防止沖擊、碰撞而損壞.

此外，塑料材料的使用也比較多，主要有增強聚丙烯塑料、氟塑料、聚苯硫醚(PPS)塑料、聚碳酸酯塑料、聚砜塑料等，其優(yōu)點是工藝性好、價格便宜、無渦流損失.缺點是僅適合工作在溫度較低的環(huán)境中，而且強度低，壁厚大.實驗表明，在泵的揚程小于50 m、工作溫度小于60 ℃的磁力驅(qū)動泵可以采用非金屬材質(zhì)的隔離套，隔離套厚度參考取值2.5～4.0 mm[4].

現(xiàn)在雙層復(fù)合材質(zhì)隔離套也應(yīng)用很廣泛，經(jīng)驗證其渦流損失比純不銹鋼要低很多，只有5%～8%.且由于有金屬加強強度，能滿足較高的壓力需求，可耐化學(xué)品腐蝕.

5 結(jié)論

綜上可見，磁力驅(qū)動泵中隔離套的渦流損失對泵整體效率的影響很大，常見的金屬隔離套的渦流損失為電機軸功率損失的5%～20%，大大降低了泵效率，而非金屬隔離套又有著強度低、不耐磨、不耐溫等缺陷，影響其應(yīng)用范圍.但也能看出只要設(shè)計合理，確保加工與裝配精度，磁力驅(qū)動泵的效率損失也可以降到最低限度，經(jīng)驗證明，其效率可以接近甚至達到機械傳動泵的效率值.