磁传动应用技术发展y

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・专题综述・

磁传动应用技术发展

王洪群,虞培清,章志耿

(浙江长城减速机有限公司,浙江　温州　325028)

摘　要:概述了磁传动技术,介绍了磁传动技术在国内外应用情况,并展望了磁传动技术的未来。

关键词:磁传动;扭矩;电磁感应;磁性材料中图分类号:TH139　　文献标识码:A　　文章编号:1001-196X(2006)06-0001-04

Technologydevelopmentofmagnetictransmissionapplication

WANGHong2qun,YUPei2qing,ZHANGZhi2geng

(ZhejiangGreatWallReducerCo1,Ltd1,Wenzhou325028,China)

Abstract:Themagnetictransmissiontecnologyissummarizedanditsapplicationstatusdomesticallyanda2broadisdiscussedaswellastheprospect.

Keywords:magnetictransmission;torque;electromagneticinduction;magneticmaterial

1　引　言

广义的讲,把借助于磁场力做无接触的传动称为磁传动,最为普遍的磁传动应用在旋转动力的场合,通常磁传动用于传动中需要密封的场合,所以常被称为静密封传动或全密封传动,比如在输送泵和搅拌装置中所实现的全密封传动。

应该说磁传动技术的出现,产生于科研和生产的需求。实现了零泄露,保持真空或压力以及环境保护和劳动保护的目的。从上世纪40年代诞生到现在,磁传动经历了几十年的发展过程。从最初的传递几个牛顿米到目前的上千个牛顿米或几百千瓦的能力

[1]

料到60年代出现第一代稀土永磁材料SmCo5,磁性能有了一次大的进步;70年代出现第二代稀土永磁材料Sm2Co17又使磁性能有了一次大的提高;直到80年代出现第三代稀土永磁材料Nd2Fe14B,使磁性材料性能又有了一次飞跃,

磁传动的开发应用才真正得以广泛推广。

2　磁传动技术概述

磁传动应用技术从诞生到现在一直得到研究和应用领域的重视。磁传动在输送泵和搅拌装置上的应用目的是实现全密封传动。从材料领域看,磁性材料的性能已经到了一个高位平台阶段。目前磁性材料的高磁性能基本可以满足各类设计需要。材料科学的发展有它自身的阶段性,可以说材料性能水平已经不再是磁传动发展的瓶颈,现在的研究课题是优化磁路设计和结构设计,解决磁传动中涉及的相关问题。

进行磁传动设计时,所要考虑的因素除了满足磁传动所需要的扭矩外,还有使用温度、压力以及介质的物理化学性质。这诸多方面的问题都

。

磁传动的发展并不是很快,这主要是受到磁传动所利用的磁性材料发展的制约。从上世纪50年代仅有的铝镍钴和铁氧体等低性能磁性材

收稿日期:2006-06-21;修订日期:2006-09-28

作者简介:王洪群(1960-),男,浙江长城减速机有限公司高

级工程师,主要从事磁性材料与磁技术应用及密封技术研究。

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会影响到磁传动的有效合理应用。

重型机械　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006No16

磁问题,所以可以在高温下使用;图4是作者新近设计并申请国家专利的一种耐高温磁力传动装置原理示意图,专利号为:ZL20052007440516。它是将通常磁力耦合传动的内转子上的永磁体取消,用软铁磁体导磁形成了耦合磁路,同样可以在高温下使用,综合传动效率低于图1和图2所示的磁传动结构,但高于图3所示的感应式异步磁传动结构,并保持了同步传动的优点。

磁传动扭矩设计是最重要的第一步,设计小了满足不了要求,设计大了会引起能源和资源的浪费,并使体积增大,成本提高。通常的磁传动采用柱面耦合结构,有连续排布方式(图1)和间隙排布方式(图2),前者是把磁体的N、S极交替周向连续地摆放成偶数列,全部耦合柱面布满了磁体;后者是把磁体的两极根据气隙大小,按一定规律周向有间隔的摆放成偶数列。间隔处一般用非导磁材料占位。国内采用前一种的较多,国外多采用后一种。相对的讲,间隙排布对磁体以及磁场能量有更好的利用率,节省资源和节省能源,并且有利于涡流的减少和疏散。图3　异步高温磁力耦合传动器示意图

11外转子总成　21隔离套　31内转子总成

图1　磁力耦合传动装置示意图(磁体连续排布)

11外转子总成　21隔离套　31内转子总成

图4　同步高温磁力耦合传动器示意图

11外转子总成　21隔离套　31内转子总成

压力对磁传动的影响是间接的。磁传动用于静密封,磁耦合的主动端和从动端之间用于密封

图2　磁力耦合传动装置示意图(磁体间隙排布)

11外转子总成　21隔离套　31内转子总成

的隔离套或隔离板的厚度随设计压力而变化,直接结果是造成磁耦合传递扭矩能力的下降和涡流引起的传递效率的下降。涡流损耗的恶劣影响将是制约磁传动向高压高功率能量传递发展的主要障碍

[4]

温度从两个方面影响磁传动,第一是在一定范围内温度升高削弱磁传动扭矩;第二是要考虑选择适合该温度的磁路和结构。目前磁传动的最高使用温度为450℃。文献[3]中介绍的感应式异步高温磁力耦合传动器如图3所示。外磁钢两极可以是连续也可以是间隔地交替摆放分布在外导磁钢上,利用电磁感应原理,结构上基本是将鼠笼式电动机的外旋转磁场用带有永磁体的外转子做动力端,内转子做从动端来带动负载运转,内外转子之间由隔离套隔开实现静密封传动,由于接触介质的内转子没有永磁体的高温退

[2]

。

研究发现,隔离套在磁体连续排布的柱面耦合传动的涡流损耗有如下表达式

2223

δNnBLR4

P=619×10×ρ(NL+5R)

2-1

式中,ρ为隔离套电阻率,Ωmmm;δ为隔离套厚度,mm;N为耦合极数;n为传动转速,r/min;R为磁传动平均半径,m;L是磁传动耦

合轴向长度,m;B是磁感应强度。

可以发现,涡流损耗与电阻率成反比,与隔

2006No16　　　　　　　　　　　　　　　　　重型机械・3・产厂家有英国HMD无泄露磁力密封泵公司、totton泵公司、Hilge泵公司、美国Goulds泵公

离套厚度成正比,要求隔离套有高的强度和大的电阻率,可选择的材料主要是奥氏体不锈钢,钛合金以及哈氏合金,质量从次到好,价格从低到高。国内选择材料以不锈钢为主,国外多数已经把采用哈氏合金作为选用的国家标准,因此,磁传动涡流损耗降低很多。

考虑介质对磁气隙的影响以及对与介质接触的所有结构材料的腐蚀影响,要求狭小的磁气隙内不能有阻碍耦合运动的杂质进入以及保护结构材料和构件不受到严重腐蚀。通常与介质接触耦合端的磁体采用耐腐蚀包套保护和内部涂层覆盖的双保险方法,经过实践验证行之有效。归纳磁传动的技术要点,主要是追求高效率以节省能源,追求节省磁体来节省资源,追求节省空间以达到美观实用,追求节省成本并提高对高低温使用条件下广泛的适应性来实现普及推广。

司、日本Iwaki公司、德国KlausUnion公司、Dickow公司、Allweiler公司、Sihi公司、CP泵

公司等。公认英国HMD无泄露磁力密封泵公司的磁力传动设计制造水平领先,该公司是图1、图2、以及图3所示型式全密封磁力传动器的首创者。

由于加工技术和各企业单位的设计水平不一,很多时候还没有完全按照理想的磁路设计思想制造磁力耦合传动器;从长远意义看,这不适应节省资源和节省能源的全球战略。

隔离套的涡流损耗限制了磁传动高压、大功率传递的应用,这也是目前国外磁力传动发展优先于国内的主要原因之一。

国外磁力传动性能更好的另一个原因是所用磁性材料都是严格选用高档磁体。国外稀土贫乏,磁性材料或磁性材料的生产原料主要靠进口,无论是自己生产还是从我国进口都是要求高牌号产品,低牌号磁体基本不用。

3　磁传动技术应用

磁传动技术应用最早出现在国外,我国从上世纪80年代开始研制开发图1或图2所示的磁力传动装置,图3所示型式的磁力传动装置在我国目前属于研制开发阶段,虽然已经取得成功,由于它的异步传动和制造难度等原因,也只能是在小范围使用,很难广泛推广应用。

图1和图2所示型式的磁传动在不受温度限制的情况下,有了长久的应用历史和经验,在国内外都有了比较成熟的设计和运用。

图3所示型式的磁力传动在国外很早就有开发研制推广,是为解决高温条件下使用而设计的,但传动过程是异步进行,并伴随有导电体能量损耗、转子异步引起的导磁材料的涡流损耗增大和制造难度的提高,输出转速不够准确,传动效率也不理想,一直制约着开发和推广应用。

国内很多化工泵和搅拌设备生产企业具备了全密封磁力传动的设计制造能力,该技术主要应用在化工、制药、食品、高分子、微生物等生产与科研部门。浙江长城减速机有限公司在为浙江台州仙居清泉医药化工有限公司设计搅拌传动装置过程中,由于搅拌釜的工作压力达11MPa,传统的机械密封已经不能满足使用要求,经采用磁传动密封设计,通过生产验证,有很好的使用效果。国外的全密封磁力传动应用也很普及,生

4　磁传动静密封取代机械密封的必

要性

　　磁传动会走向标准化,低成本化,并将与机械密封等同或比机械密封具有更佳的传动效率,以适应节能的要求。实现这个目标最主要的工作是要解决涡流损耗问题以及相关技术,合理完善成熟的设计制造技术,以降低生产成本。

当介质有毒或易燃易爆,对密封传动提出较高的卫生和安全无污染要求,特别是当被密封的介质处于较高压力时,磁传动是唯一的选择。实际上当压力较大时,机械密封不仅满足不了对产品的要求,而且其生产制造成本往往超出了磁传动的成本,这是因为机械密封在较高压力时所要求配用的辅助系统都比较昂贵。

对于某个具体工作任务是否采用磁传动或磁传动的成本是否比机械密封高,还不能简单的从最初购进产品的一次性投资中去看,要分析在使用周期或使用寿命阶段,对产品的修理维护及中间停产的影响。综合地对使用动密封或静密封做全面评价,才能得出合理的切合实际的选择。

综上所述,磁传动实现了在此之前任何动密

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封都无法实现的零泄漏,具有划时代意义;

重型机械　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006No16

仅有65mm×75mm×51mm,如果用柱面磁力偶合传动,不仅尺寸要增厚80mm,还要做小型隔离套,而且型腔增加对启动有不利影响,安装空间也有限制,采用了端面圆盘磁力耦合传动,仅在厚度方向增加尺寸41mm就很好的解决了问题。

磁传动的最高使用温度控制在450℃,主要也是受结构材料和构件的限制,比如不锈钢在450℃时的组织变化对性能的影响[5]

与机械密封相比,磁传动结构简单制造方便,有利于生产和推广;随着设计技术的成熟和制造技术的发展,磁传动价格向低于机械密封方向发展,而且安全可靠;机械密封通常需要定期或不定期维护修理,给生产和使用带来不便,磁传动通常寿命长不需要维护修理,因此,磁传动静密封取代机械密封是必要的。

5　磁传动的未来及展望

在生产应用中可以看到,有时全密封磁传动是我们必须的选择。磁传动在密封传动领域发挥了越来越重要的作用。磁传动的不可替代性和在密封要求严格的场合特别是高压场合的唯一胜任性正逐渐的被人们认识和了解。因此,我们有必要对磁传动做更深入的研究和探索,使其不断发展和完善并为科研和生产服务。

磁传动还有很多需要攻克的问题,主要表现在:磁耦合传动的优化设计、磁传动的进一步小型化和大型化、高温使用设计的进一步完善、减少涡流损耗的方法、结构材料和构件的开发选择等。

目前国外传递功率已经达到了400kW的水平,我国只有100kW,这是我们的差距。

磁传动的小型化和端面圆盘磁力耦合结构的磁力耦合也很值得研究发展,我们曾对减速机用润滑循环转子泵做密封传动的技术改造,泵尺寸

,还有传动

轴承的温度承受能力问题。在更广泛的领域磁传动取代机械密封传动是个发展方向,普及程度和取代的多少是个时间问题,这主要是来自环境法规,产品责任法规,卫生与安全法规的逐渐完善和推行。从这个角度讲,磁力传动的研制开发应用具有很大的现实意义和深远的历史意义,磁传动大有前途。参考文献:

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科协2005年学术年会论文集[C],2005.

[4]　李海鹰.高速釜用磁力传动器隔离套的设计与有

限元计算[M].化工机械,2005.

[5]　张其枢.不锈钢焊接[M].北京:机械工业出版

社,2004.

美国Sterling钢公司新建成性能卓越的方坯焊接机

　　该方坯焊接机是北美建成的第一条EWRR无头焊接轧制生产线,生产的无头轧制高碳钢线材令人叫绝。

Sterling钢公司(伊利诺斯州)高速线材厂新建达涅利摩根

火的钢丝。新建方坯焊接机投产后,轧钢厂生产能力和设备效率大幅度提高(由于取消了方坯间隔时间,生产率从以前的9515%增加到目前的9915%),并显著降低人工成本(4班共减少操作人员12名;而且取消了辊式运输机和修剪站的操作岗位),降低了生产成本。此外,这条装备先进的生产线还有一个显著的特点,就是其独特的设备布置。无头焊接轧制生产线布置在现有加热炉出口,并使加热炉卸料侧反向,使经过焊接的方坯从上面通过;从而使Sterling钢厂得以妥善解决加热炉和第一架粗轧机之间距离不够的问题。针对现场实际情况提出的这一解决方案做出最好的回答,它使世界上许多存在类似场地狭小问题的轧钢厂也能采用无头轧制工艺。

沙玛EWRR无头焊接轧制线,投产后各项工作进展神速。在投产后的第一个月内,方坯焊接作业线成功地焊接高碳钢方坯19500根,相当于无头轧制的成品材27000t。

新建无头焊接轧制生产线可自动连续焊接130mm×

130mm、定尺长度为11m的方坯,最大小时生产能力可

达100多t,生产各类汽车制造用钢,其中主要是弹簧钢。在无头轧制线材卷重新通过装在辊式运输机末端集筒内的新建达涅利剪切机进行分卷。

轧机生产的线材可直接拉拔成不同直径并经过油回