磁力驱动离心泵能量损失分析

　　对磁力驱动离心泵各部分所产生的能量损失进行了研究, 分析其特有的3项功率损失:涡流损失、内磁缸水力摩擦损失、润滑冷却循环损失,提出了减小各项损失的有效途径和方法,为磁力泵的优化设计及应用提供参考。

1、前言

　　随着磁力驱动离心泵在石油化工、军工、医药等领域的广泛使用,它的效率和安全可靠性越来越受到关注,磁力驱动离心泵由于采用磁力传动,实现力矩的无接触传递,结构特殊,对其能量损失的研究,有助于提高泵的技术水平,对节约能源、创建节约型社会具有十分重要而深远的意义。

2、磁力泵结构及工作原理

　　磁力泵结构如图1所示,电动机通过泵轴驱动外磁缸旋转,外磁缸通过磁力与内磁缸耦合,使内外磁缸同步运转,内磁缸与叶轮直接连接。这样,位于内、外磁缸之间的隔离罩将可能外漏的液体隔开,实现了无轴封、完全无泄漏的目的。

图1　磁力泵结构

　　由于增加了磁力传动部件,磁力泵的功率损失构成因素比较复杂,除泵水力部件的能量损失外,还增加了磁涡流损失、内磁缸与液体的水力摩擦损失、润滑冷却循环损失。水力部件能量损失是一般离心泵中普遍存在的能量损失,相关的研究分析资料较多,理论也很成熟,本文着重分析磁力泵特有的各项功率损失。

3、磁力泵能量损失分析

3.1、涡流损失

　　磁力泵的隔离罩因承压的要求多数采用金属材料,它位于内、外磁缸之间。当外磁缸被电动机带动旋转后,金属隔离罩便处于交变磁场中,导体在磁场中运动会产生感应电流,外磁缸带动内磁缸同步旋转,相当于隔离罩相对于磁场转动。图2所示为一段隔离罩相对磁场顺时针旋转。由于相邻磁极极性相反,因此在隔离罩中产生感应电流,此感应电流在隔离罩内自行闭合,像水的旋涡一样,因此称为涡流。

图2　涡流的产生

　　磁涡流的产生会带来极大的危害,精确计算涡流损失的数值也并非易事。如果能够比较准确的把握隔离罩内涡流损失的大小,就有可能比较准确的预测磁力泵的效率和合理的功率配套,并正确地进行冷却系统的设计。

　　根据测试数据分析提出了一个与磁路计算不直接联系的确定涡流反转矩和最大静磁转矩的比率式:

　　式中TW ———涡流反力矩, N·m
　　　　Tmax ———最大静磁力矩, N·m
　　　　n———电机转速, r/min
　　　　R ———隔离罩平均半径, m
　　　　δ———隔离罩壁厚, m
　　　　ρ———隔离罩材料电阻率,Ω·m　　

根据Maxwell方程推导出隔离罩中涡流功率损失PW为:

　　式中γ———电导率, S/m
　　　　δcy ———电流密度, A /m²　　
　　　　B0 ———磁感应强度, T
　　　　t———隔离罩壁厚, m
　　　　r———隔离罩内半径, m
　　　　m ———磁极极数
　　　　L ———磁极长度, m

　　由计算式结合理论分析表明, 涡流损失的大小与多个因素有关: (1)隔离罩的厚度,在满足强度的条件下,隔离罩厚度越小越好; (2)隔离罩的电导率,涡流损失大小与隔离罩的电导率成正比关系,因此隔离罩的材料应取较小的电导率,也就是较大的电阻率; (3)在满足磁转矩设计要求的情况下,磁缸应尽量减小r值, 适当增加L 值, 有利于控制涡流损失,即内磁缸宜制成细长状; (4)磁缸的转速,涡流损失大小与转速即磁极工作频率f成正比。

　　因此,在设计时, 根据磁力泵性能结构要求合理选择泵的转速, 磁性联轴器尺寸, 隔离罩厚度、尺寸、材质,可使涡流损失功率尽可能减小:隔离罩几何尺寸对涡流功率的影响最大,改变隔离罩直径是改变涡流损耗最直接有效的途径, 结构设计时尽可能合理地选取r和L 值, 在磁扭矩不变的情况下一般将其做成细长形,有效减小涡流损耗;同时在满足隔离罩强度要求的前提下,隔离罩的壁厚越小越好。隔离罩的电导率是材质的固有特性,电导率大, 涡流损耗就大,因此隔离罩选择电导率小的材料为宜,如钛合金、哈氏合金。涡流高度集中在隔离罩表层中,通常改变隔离罩表层的晶粒组织从而降低电导率也是降低涡流损失的一个办法。若采用高强度的非金属材料做隔离罩,则是降低涡流最有效、最直接的办法, 但材料必须满足工况条件。只改变转速或改变穿过隔离罩的磁感应强度, 同样使得涡流损耗发生变化。泵的转速一般由工况条件决定,特别指出降低转速可以减小涡流损失,但不建议仅考虑涡流损失而采用降低转速的方法来设计磁力泵,在功率不变条件下,转速和磁感应强度不会有大的改变,所以认为磁感应强度和转速是不被调整的对象。只是在选择磁感应强度和转速时予以考虑。