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1、文章编号: 1007 -2284( 2010) 02 -0121 - 04 磁力泵传动技术的发展现状与展望 袁丹青, 白 滨, 丛小青, 王冠军, 陈向阳 ( 江苏大学能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212013) 摘 要: 在综述磁力泵发展现状及特点和磁力传动技术中磁体排列方式发展历史的基础上, 分析了影响磁力泵转矩 的 2 个关键因素, 永磁材料和磁体的排列方式。对前 3 代永磁材料的磁性能与温度特性进行了对比, 并展望了第 4 代 SmFeN 稀土永磁材料的应用前景。通过对聚磁技术的介绍, 分析了 Halbach 阵列应用于磁力泵的可行性, 并指出 Ha- l bach 阵列应用于磁力
2、泵的优势, 对磁力泵的小型化及超大转矩磁力泵有着广阔的应用前景。 关键词: 磁力泵; 永磁材料; 磁力传动技术; Halbach 阵列 中图分类号: TH139 文献标识码: A Current Situation and Prospect of Magnetic Transmission in Magnetic Drive Pumps YUAN DanO qing, BAI Bin, CONG Xiao O qing, WANG GuanO jun, CHEN XiangO yang (School of Energy Resources and Power Engineering, Jia
3、ngsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China) Abstract: Based on the review of current situation and characters of the magnetic drive pumps and the magnets array in the magnetic transmission, there are two main influences (the permanent magnet materials and the magnets array) which are
4、 analyzed. The mag- netic and temperature performance of the three generations permanent magnet materials are compared, and the application prospect of the 4th generation rare permanent magnet material which is known as SmFeN is described. By introducing concentrated flux techno- l ogy, the probabil
5、ity of Halbach array that can be used in magnetic drive pumps is analyzed, and the advantage of this array is pointed out. It has a wide application prospect for the study of the miniaturization and the super torque of the magnetic drive pumps. Key words: magnetic drive pump; permanent magnet materi
6、als; magnetic transmission; Halbach array 收稿日期: 2009 -06 -17 作者简介: 袁丹青( 1965 O) , 男,副教授。 0 引 言 1940 年, 英国学者 Charles 和 Geoffrey Howard 为解决化 工泵在输送危险介质时的泄露问题设计了世界上第一台磁力 泵1。由于当时永磁材料与磁力传动技术比较落后, 使磁力泵 在当时的化工领域只能成为一种设想。 随着工业的飞速发展, 能源的过度利用及环境的污染问题 越来越被人们所重视。1990 年美国颁布的空气洁净法令( The US Clean Air Act)把密封泵列为最大的环
7、境污染源之一。同 时, 由于这个时期磁力泵伴随着永磁材料与磁力传动技术等高 新科技的发展, 使得磁力泵的应用在欧美众多企业中成为主 流。从当时使用磁力泵的化工厂所反馈的信息来看, 使用磁力 泵对于公司来说不仅仅是出于对安全和环境的保护的考虑, 而 且可以节省大量的资金2。 我国对于磁力泵的研究相对较晚, 20 世纪 80 年代才开始 进行相关的研究。最近的报告显示, 甘肃省科学院磁性器件研 究所生产的磁力泵最大转矩为 185 kW, 与 HMD 公司生产的 450 kW 磁力泵差距很大3。目前, 我国有许多中小企业都在 生产磁力泵, 但磁力泵在我国的化工、 石油和食品等行业中并 没有成为主流。
8、而当今我国的环境问题越来越受到重视, 因此 如何推广磁力泵以及扩展磁力泵的应用范围成为今后一个重 要研究课题。 本文将主要对各种永磁材料以及磁体的不同排列方式进 行了介绍和比较, 说明了磁力传动技术在磁力泵中应用的现状 和发展的趋势。最后提出把 Halbach 阵列应用于磁力泵, 并分 析其优点及存在的问题。 1 磁力泵结构及工作原理 磁力泵由泵体、 叶轮、 泵盖、 轴承座、 外磁转子、 内磁转子、 隔离套、 电机等部件组成4, 如图 1 所示。在隔离套的两侧分 别放置了内、 外磁转子。内磁转子与叶轮一起固定在泵轴上; 外磁转子与电机相连接。电机驱动外磁转子做旋转运动, 在内 外磁转子之间的相
9、互磁作用力下, 内磁转子带动叶轮旋转5。 从图 2 可以看出内、 外磁转子由隔离套分开, 使用静密封 取代了传统泵中的动密封, 实现了泵输送工作介质的零泄6。 下式7为利用高斯定理求解法计算磁力泵转矩 T 的公式。 121 中国农村水利水电# 2010 年第 2 期 图 1 磁力泵结构示意图 1O 外磁转子; 2 O 隔离套; 3O 内磁转子 图 2 永磁传动机构的结构 T = 1 5 000 2 K M H m S thRcsin m 2 H M = Bm+ Hm 4P H = N14P m 1- tg t2g+ t0 G 式中: K 为磁路系数, 各种不同磁路, K 值不同, 一般 K =
10、 4 6. 4; M 为磁化强度; Bm为工作点的磁感应强度; Hm为工作点 的磁场强度; H 为外磁路在内磁体处的磁场强度; N1为极面形 状的经验系数, 扇形极面取 1. 05, 长方形极面取 1. 24; tg为工 作气隙宽度; t0为磁极弧长, t0= 0. 5( 内磁极外弧+ 外磁极内 弧); G为磁体厚度系数, G 与th/t0的关系见表 1; m 为磁极的 级数; S 为磁极的极面积; th为磁体厚度; Rc为作用到内磁极上 磁力至转动中心的平均转动半径; H为工作时的角位移。 从此公式容易看出, 在磁体大小不变的情况下, 磁力传动 转矩的大小只与 2 个因素有关: 永磁材料的选
11、择和磁体的排列 方式。 2 永磁材料的发展现状 2. 1 传统永磁材料的发展历史 20 世纪 30 年代, 磁力传动技术就已经被学者提出, 由于当 时永磁材料技术的局限性, 磁力传动技术并没有取得较快的发 展和广泛的应用。20 世纪六七十年代, 永磁材料技术开始进入 快速发展阶段。1966 年, 美国学者 K. J. Strant 等人研制出 SmCo5 粉末粘接永磁材料, 成为第 1 代稀土永磁材料诞生的里 程碑8; 1977 年, 日本 T. Ojima 等人研制的 SmCoCuFeZr7. 2 永磁材料标志着第 2 代稀土永磁材料的诞生 9; 1983 年, 日本 住友公司和美国通用公司
12、联合研发了钕铁硼( NdFeB) 永磁材 料, 成为第 3 代稀土永磁材料的代表10。NdFeB 稀土永磁材 料比 SmCo 稀土永磁材料有着更好的性能, 且其原料成本较 低。后来, 各国学者对提高其性能做了非常多的研究。1987 年 日本住友特殊金属公司研制出磁能积为 404. 8 kJ/m3的 Nd- FeB磁体; 1990 年日本东北金属公司得到磁能积为 418. 4 kJ/ m3的 NdFeB 磁体; 1993 年美国金属学会的年会上, 住友公司 又宣布了高达 433. 6 kJ/m3的 NdFeB磁体; 2000 年 Kaneko Y 制备出磁能积为 444 kJ/m3的 NdFeB
13、 永磁体11。 由于稀土永磁材料的快速发展, 磁力传动技术重新被人们 所重视。稀土永磁材料与传统的铁氧体永磁材料相比, 磁力传 动器在尺寸上减小了约 25% 。NdFeB 永磁体的磁能积已达到 250 kJ/ m3以上, 从而使磁力驱动器传递转矩( 功率) 能力提高 3 4 倍 7。同时, 稀土永磁材料具有很好的抵抗退磁的性能, 可以使磁传动装置有更长的使用寿命。表 1、 表 2 分别为各种 市场上常用永磁材料性能与温度特性的比较 7, 12。 表 1 各种永磁材料性能比较 性能 剩磁/ T 矫顽力/ ( kA #m- 1) 内禀矫顽力/ ( kA# m- 1) 最大磁能积/ ( kJ# m-
14、 3) 铁氧体0. 39240. 025627 Sm2Co17 1. 05676. 01194201 NdFeB1. 17844. 01 595247 263 AlNiCo1. 15127. 4127. 487. 56 表 2 各种永磁材料温度特性比较 特性 居里点/ e 温度系数 Br/ (% # e - 1) 最高工作温度/ e 铁氧体460- 0. 180200 Sm2Co17670 850- 0. 030350 NdFeB340 400- 0. 126150 AlNiCo800- 0. 020500 2. 2 第 4 代永磁材料 1990 年, Coey 等人发现大部分 R2Fe17化
15、合物于 450 550 e 氮化处理后所形成的 SmFeN 间隙金属间化合物( 如Sm2Fe17 N3) 的内禀磁特性几乎与 Nd2Fe14B 化合物相当, 同时具有比 Nd2Fe14B 化合物更高的各向异性场和更高的居里温度。其最 大磁能积的理论值为 472 kJ/m3, 居里温度高达 500 e 13。正 是因为 SmFeN 稀土永磁材料的这些优良特性, 许多学者称其 为第 4 代永磁材料, 并在理论及工艺等方面进行了大量的研 究。1999 年3 月日本住友金属矿山将 SmFeN 粘结磁体投入市 场, 但此产品的磁能积最大为 105 kJ/m3, 远未发挥出 SmFeN 的优异磁性能。由于
16、 SmFeN 永磁材料的加工工艺不完善, 要 使其成为在市场上具有竞争力的稀土永磁材料还需要在工艺 和理论上进行深入的双重研究14。 2. 3 国内永磁材料的发展现状 20 世纪 60 年代中期以后, 我国才开始生产第 1 代稀土永 122 磁力泵传动技术的发展现状与展望 袁丹青 白 滨 丛小青 等 磁材料 SmCo5。70 年代以后我国又生产出第 2 代稀土永磁材 料 Sm2Co17。80 年代中期, 已有能力生产第 3 代稀土永磁材料 Nd2Fe14B。在这 40 多年的研究中, 我国稀土永磁材料( 钐钴 型、 钕铁型及衫铁型) 得到了高速地发展并取得显著的成就。 2005 年, 我国能够
17、生产第 4 代 SmFeN 稀土永磁材料。据统计, 2005 年 我 国 生 产 的 烧 结 NdFeB, 粘 结 NdFeB、SmCo5和 SmFeN 等的总产量约 35. 2 万 t, 出口量为 8 756 t。据报道, 目 前我国稀土资源居世界第 1 位15。这也是我国将来稀土永磁 材料和相关永磁机械发展的最大优势。 3 磁体排列方式的发展 3. 1 传统磁体排列方式的发展 20 世纪三四十年代, 由于第 1代永磁材料磁极间磁化强度 的相互干扰比较大, 当时多采用磁体的间隙排列 见图 3( a) 。 这种单行间隙排列的主要缺点是磁传动装置的体积大、 转矩小 而且磁块容易退磁16。因此第
18、1 代永磁材料的磁性能与磁体 的间隙排列方式成为磁力传动装置发展的瓶颈。随着第 2 代 第 3代永磁材料的研发, 这些磁材料极间磁化强度的相互干扰 大大减小, 所以当时的学者提出图 3( b) 所示的单行紧密排列方 式。这种磁排列方式能增强磁场强度, 并提高磁转矩。20 世纪 60 年代, 聚磁技术的问世以及在电机领域中的成功应用 17, 也 带动了磁力传动的研究见图 3( c) 。聚磁技术是把内外磁体 所产生的磁通量汇聚到工作气隙中 18。同时, 聚磁排列方式 避免了因磁块间交替排列而产生的磁力线在同一转子上形成 回路所造成的部分磁通的浪费, 从而提高磁力传动的转矩。 若传动机构在轴向长度允
19、许的条件下, 可以采用多行的磁 钢排列方式见图 3(d)、 3( e) 。这种方式可以增大磁转矩减小 传动机构的径向尺寸。 图 3 磁路配置的平面展开图 3. 2 Halbach 阵列应用于磁力泵的展望 20 世纪 80 年代, 美国劳伦斯伯克利国家实验室 Klaus Halbach 教授提出了一种永磁体阵列) ) Halbach 阵列 19。随 后的 10 年里, Halbach 阵列被许多研究机构相继应用于粒子加 速器、 自由电子激光装置、 同步辐射装置、 真空设备、 磁悬浮技 术等高能物理领域 20。图 4 为 Halbach 阵列在同步辐射装置 中应用的结构示意图21, Halbach
20、阵列使得 2 磁列内部的磁场 大大增强, 从而使通过的电子获得更高的能量。 20 世纪 90 年代中期, 国际上开始逐渐重视 Halbach 阵列 在电机上的应用22。图 5 为 Halbach 阵列应用于电机的结构 示意图23。采用 Halbach 阵列的电机具有以下特点: 第 1, 气 隙磁场趋近于正弦分布, 转矩脉动小, 对高精度伺服驱动极为 图 4 Halbach 阵列应用于同步辐射装置 有利;第 2, 转子轭部铁心可以比较薄, 甚至不用, 这样不但减小 了电机的体积、 重量和转动惯量, 同时也改善了电机的动态性 能; 第 3, Halbach 永磁电机可以获得比常规永磁体结构电机更
21、高的工作气隙磁密, 提高了永磁材料的利用率和电机的功率密 度与转矩密度24。 图 5 Halbach 阵列应用于电机 从目前磁力泵的研究来看, Halbach 阵列在磁力泵中的应 用较少有研究。随着当今石油、 化工、 医药等工业领域对磁力 泵的小型化以及大转矩甚至超大转矩的需求, 使得要更深入的 研究永磁材料的利用和磁体的优化排列, 以达到使用更少的材 料来得到更大的转矩。因此, Halbach 阵列是一个很有意义的 研究方向。图 6 为 Halbach 阵列永磁电机定子的磁体排列示 意图25。其中图 6( a)为理想 Halbach 阵列, 图 6( b) 为分段式 Halbach 阵列。从
22、当前的理论上来看, 要获得理想 Halbach 阵 列需要整体环形充磁, 但就现有的技术来说整体环形充磁的工 艺还不完善。因此, 实际应用中绝大多数采用拼装方式的分段 式 Halbach 阵列 26。 图 6 Halbach 阵列示意图 从图 7 可以看出通过磁体的排列 27, Halbach 阵列可以使 磁体所产生的磁场聚集在工作区, 而减弱另一侧的磁场。对于 磁力泵来说, Halbach 阵列的优点同电机类似: 可以增大泵的转 矩并减小轭部铁心的体积, 从而可以实现磁力泵的小型化以及 超大转矩磁力泵的研制。 4 结 语 当前 Halbach阵列应用于磁力泵的研究成果还很少, 有许 123
23、磁力泵传动技术的发展现状与展望 袁丹青 白 滨 丛小青 等 图 7 电机不同磁体排列方式的磁场分布 多问题值得去探讨。金属隔离套在 Halbach 阵列的磁场中所 引起的涡流问题是否会造成过大的功率损失, Halbach 阵列磁 力泵结构的设计,以及新型永磁材料的研制等等都需要我们磁 力泵的工作者更加深入的去研究。t 参考文献: 1 王玉良. 国外永磁传动技术的新发展. 磁性材料及器件 J . 磁性 材料及器件, 2001, 32( 4) : 45- 49. 2 Keith Thompson. What the future holds for magnetic drive pumps J .
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33、2) 本刊 2008年第 8 期, 贺伟伟、 李兰等撰写5水库坝址水量 水温耦合计算6一文中, 国家自然科学基金资助项目编号更正为: 50679067。 ( 3) 本刊 2008年第 12 期, 张洪斌、 李兰等撰写5HBV 模型的 改进与应用6一文中, 国家自然科学基金资助项目编号更正为: 50679067。 ( 4) 本刊 2008年第 8 期, 杨朝晖、 李兰等撰写5新安江模型中 实时校正技术的比较研究6一文中, 国家自然科学基金资助项目 编号更正为: 50679067。 ( 5) 本刊 2006年第 5 期, 董红、 李兰等撰写5灌区与水库联调 中基于 GIS 的日径流预报6一文中, 现在补充: 国家自然科学基 金资助项目( 50279034) 。 ( 6) 本刊 2006年第 2 期, 张俐、 李兰等撰写5基于 GIS 的二维 水质网格计算6一文中, 现在补充: 国家自然科学基金资助项目 ( 50549017) 。 ( 7) 本刊 2009年第 3 期, 代荣霞、 李兰等撰写5神经网络模型 在河道水温计算中的应用6一文中, 现在补充: 国家自然科学基金 资助项目( 50679067) 。 124 磁力泵传动技术的发展现状与展望 袁丹青 白 滨 丛小青 等
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