磁力传动技术的初步探索与优化

磁场既有穿透非磁性物质的能力，又可用特定的材料进行屏蔽，还可以电磁场的方式发射，这为我们的创新发明提供了极好的应用基础。磁和磁场的发现历史已很久远，但要将其真正应用于工程实践还需要进行能力的量化研究和符合工程化要求的结构设计及优化。本节以永磁磁力传动从原理到技术直至走向工程应用为例展开说明。

我们接触到的永磁磁力传动从原理到技术直至工程应用主要有四种结构模式：第一种，筒型同心主动外磁钢杯隔着隔离套驱动磁性内转子；第二种，筒型同心隔离套内的磁性转子为主动转子驱动套于隔离套外的杯型磁转子；第三种，隔离套为平面型，内外转子也都为平面型隔着平面型隔离板传递动力；第四种，外转子为永磁体，而内转子为感应线圈结构，即半永磁型。我们日常用得最多的是第一种结构模式，即电机减速机连着外磁钢杯，隔着隔离套驱动磁性内转子带动工作负荷运转，例如反应釜的搅拌器、刮膜蒸发器的刮板、罗茨真空泵的转子等。第二种模式主要用于大型发酵罐等有生物灭菌清洗要求的搅拌场合，因其隔离套向容器内凸，不会造成灭菌清洗死角，杯型转子往往与搅拌器等结构融为一体便于取出清洗灭菌，使其方便实用而受欢迎。第三种平面型磁传动，主要用于有清洗净化要求的小功率底搅拌配液桶，由于其轴向磁力的问题在较大功率的磁传动中很少采用。第四种主要用于温度较高的磁传动场合，由于永磁体在温度较高时容易因退磁而使磁传动动力传递能力下降，因而将处于高温介质中的内转子换成金属线圈结构，通过外永磁体与内转子金属线圈的相对运动形成感应磁场来驱动内转子，从而达到在高温介质中实现磁力传动之目的。

举这些例子的目的只想说明一个问题，那就是同样使用磁力传动原理，仅对不同的场合就可以创新设计出各种更适用的结构，甚至向永磁与感应电磁复合磁力传动方向拓展，从而感受到应用需求是实用创新的重要动力源。

筒型同心主动外磁钢杯式永磁磁力传动器的扭矩研究：

要让磁力传动理想走进工程应用现实，除上述结构创新之外，其实更核心的还有磁力传动能力的研究和设计，即要用多少块什么样的磁钢组合能在多少温度和压力工况下传递多少扭矩和功率。这不是一个简单的问题，但要从原理走向工程应用这一问题必须解决，为此在20世纪80年代温州市工业科学研究所成立了研究课题组，承担了温州市科技计划项目——“磁力搅拌反应釜”的研究工作；课题组研究内容之一就是探索磁传动模型参数与传递能力的关系，在此只讲科研创新的思路与方法。

磁传动技术在国内的应用首先是从磁力泵的研发开始的。20世纪80年代初，温州市工业科学研究所实验一厂就开始了磁力泵研发攻关。要用永磁磁钢作为动力无接触传输元件，首先要设法将其固定在转子钢圈上当初机械工程师同事们绞尽了脑汁，有在磁钢上打孔用螺钉固定的，有用梯形铝合金压条通过螺钉将磁钢压在钢圈上的，有用不锈钢包套紧配合将磁钢箍在钢圈上的，总之方案五花八门。在同步转速2900 r/min的工况下，内转子不仅因离心力大而使得机械固定结构偏大而造成磁路漏磁多、磁场利用率低等问题，而且经常因为机械振动松脱而造成磁钢脱落事故；磁性内转子不仅体积大、效率低，质量安全也成问题。磁钢的高效固定成为一个技术瓶颈，很伤脑筋。

是否能用化学方法解决机械难题？本人作为少数懂化工的机械工程技术人员之一，就想探索用有机高分子树脂加固化剂，在磁钢和内转子钢圈之间通过表面化学反应实现黏结连接，以解决传统机械联接方式难以解决的密排磁钢固定问题。当时在老一代机械工程师们看来，我的想法简直是异想天开，要可靠地克服转速2900 r/min工况下的离心力而固定众多磁钢并克服切向力传递扭矩，谈何容易？我依然坚持我的想法并付诸行动。通过多次改进配方和提高固化温度，实现了黏结面增强增韧和防老化的目标，满足了转速2900 r/min工况下密排磁钢在内转子钢圈上的长寿命可靠固定并克服切向力传递扭矩，实现了以化学手段解决机械难题的创新。该技术虽然获得成功，但并未申报专利，而是作为技术诀窍保密使用，形成了企业核心竞争力。至今三十多年了，除温州市工业科学研究院磁传动设备厂外，整个磁传动器制造行业都逐步采用黏结固定磁钢的方法；还有一个原因就是采用黏结固定磁钢的方法很好地实现了密排磁路方案，从而大幅度地减少了漏磁问题，为优化磁路结构、提高磁性材料的利用率铺平了道路。在攻克密排磁路技术后，针对不同的参数用途要求，如何合理设计制造磁传动器就现实地摆在了我们的面前。

为了说明研究方法，就以我们应用最多的磁力搅拌反应釜用筒型同心主动外磁钢杯隔着隔离套驱动磁性内转子结构模型为例进行展开。磁力搅拌反应釜用磁传动器要根据用户的要求进行设计和制造，因为化工反应的多样性而使得各种参数千变万化。磁传动器主要参数取决于搅拌所需的扭矩、转速及反应釜的工作压力、温度等参数，在转速较低时扭矩是主要参数。影响磁传动器扭矩大小的除磁传动器工作直径（外磁钢杯磁钢工作面内径与磁性内转子磁钢工作面外径的数学平均值）与扭矩成正比外，更大的影响因素是内外磁钢工作面之间的间隙（工作气隙），磁传动器的工作气隙主要取决于工作压力、温度、腐蚀余量和机械精度，即气隙取决于承压隔离套的厚度加内、外磁钢与隔离套内、外壁的机械间隙加磁钢防腐包套的厚度；另外，不同的磁传动器工作直径所选用的最佳磁钢极数不一定相同，相同的磁传动器工作直径因不同的气隙其最佳磁钢极数也可能略有变化；其次，对磁传动器工作温度和外形尺寸有较高要求的还应考虑选用合适品种的磁钢材料和相应的厚度。

我们对磁传动器工作扭矩的精确量化，首先是考虑按铁磁学的理论依据工作状态下的磁路参数进行切向磁力的计算开始，然后将力乘以力臂即磁传动器工作半径即可得计算扭矩；但是，由于磁传动器是利用永磁体同极相斥异极相吸的力即推拉磁力工作的，其工作在最大扭矩时其磁路的扭曲也最大，并且两筒端面的漏磁与气隙及极数、磁钢排列精度等因素都相关，若用有限元法计算其边界条件很难准确确定。在20世纪80年代，计算机模拟软件还不成熟，因而计算值与实测值误差不稳定，不敢贸然在实际工程设计中使用，因此课题组采用比较保守的以实测参数为基础进行研究。

要以实测来解决工程应用问题，就必须建立分析模型及确定主要影响参数；针对筒型同心主动外磁钢杯隔着隔离套驱动磁性内转子结构模型，其主要影响因素中工作气隙的变化对磁传动器的工作扭矩影响最明显，因而将其排在研究的首位；针对筒型同心结构磁传动器模型，按常规做法工作气隙的每一步变量都要做一套磁传动器来测扭矩，如果工作气隙从5—20 mm每0.5 mm取一个值则要30套磁传动器，如果工作直径从50—500 mm每增加10 mm取一个值，则要45倍的磁传动器套数，磁钢的极数从8—60极每增加2极取一个值，则要26倍的磁传动器套数，这样共需制造30×45×26＝35 100套磁传动器用来做实验。

若需要用35 100套磁传动器来做实验，在非常有限的科研经费的情况下显然不可取。为此我们借助数学原理，即当圆的直径无穷大时其圆弧就接近直线，我们只需要取一段进行研究，并将上下排平行的研究用磁钢之间的工作气隙设计成可通过基板四角的螺柱进行调节，即通过调节气隙来研究该套磁钢（磁钢尺寸、磁感应强度不变）参数下气隙与切向磁力的关系，这样就可用一套磁钢来代替30组甚至更多组磁钢（如果工作气隙取值要求更高的话）。研究实测结果发现，每套磁钢（磁钢尺寸、磁感应强度不变）参数下以气隙为横坐标，切向磁力为纵坐标，其关系曲线是较陡的加速向下的。研究还发现，并列的两排磁钢的切向磁力远大于单排的2倍（对这一现象在后面讨论）。

另一个参数是工作直径的选择。工程技术应用实验与科学实验不同，由于其更着重于工程应用，因而会受相关参数及标准的限制。本实验中工作直径与隔离套的制造方便性密切相关，例如不锈钢无缝钢管尺寸、压力容器及管道垫圈等都有系列标准，因而磁传动器工作直径的选择也要跟着相关系列尺寸走；像不锈钢无缝钢管，我们常用的就是外径406 mm、356 mm、325 mm、273 mm、219 mm、168 mm、140 mm等规格。所以我们的磁传动器工作直径是围绕着这些隔离套材料尺寸进行选择，因而最常用的工作直径取值即实验点就很有限了，从原来设想的45组简化为7组，使实验研究进一步向工程实际靠近。(www.xing528.com)

再一个参数就是合理的极数选择。我们还是用直线研究代替弧线的方法。那用于实验的上下排平行磁钢究竟选多少长和多少极呢？我们就以隔离套用不锈钢无缝钢管外径406 mm（常用不锈钢无缝钢管最大尺寸）为基准，工作直径约为400 mm，取其周长的1/4约314 mm；磁传动器的设想极数按4的倍数即由60、56、52、48、44、40极先选6组做实验，取其周长的1/4即15、14、13、12、11、10极（磁钢粒数），实验磁钢宽度选20 mm，这样实验装置和实验磁钢的尺寸都较容易加工；由于推拉磁路模型的设想，取开环的磁传动器的1/4周长研究时，其与闭环的全圆周会差一个推拉力，因而我们在实验时都会在上下排实验磁钢上多加一粒，以更加接近1/4周长的实际。由实验可看出，单粒磁钢长度（工作弧长）与气隙有一个较合理的比例关系，但由于极数都是选4的倍数，因而数值无法连续。实验表明，气隙大的时候极数应选少些，气隙小的时候极数应往多选较合理，同时在其他参数相同的情况下，极数少的耐冲击能力强些，一般根据情况只是选相对较合理即可，并且由于隔离套按不锈钢无缝钢管尺寸系列确定后其工作直径基本确定，极数的上下变化就在正负4—8极。

还有一个参数就是磁传动器轴向宽度L。在用直线代替弧线的研究中，发现的多排磁力明显大于单排的倍数，例如（前述的实验）2排磁钢的磁力远大于单排磁钢磁力的2倍。通过磁路分析，我们认为磁钢工作时即磁力线受到压缩会向与工作切向相垂直的端面方向凸出而漏磁，因而产生该现象。为了预测漏磁对磁传动器传递扭矩的损失，我们采取实验加逻辑计算的方法来确定，即假设筒型同心磁传动器每一端面因漏磁而造成的磁传动器传递扭矩的损失相当于轴向宽度磁钢的磁扭矩X，则我们只要测2套不同轴向宽度的磁传动器扭矩，即可计算出该磁传动器参数下的单位轴向宽度的有效扭矩M0和X值。

例如分别选轴向宽度为40 mm和100 mm的2套其他参数都相同的磁传动器进行扭矩检测。假设测得的扭矩分别为M40和M100，则可解方程组：

（40－2X）M0＝M40

（100－2X）M0＝M100

可得结果：M0＝M40/（40－2X）

这样得到的该磁传动器参数下的单位轴向宽度的有效扭矩M0和每一端面因漏磁而造成的磁钢宽度损失X值就可以用于工程实际设计，即理论所需扭矩：T（N·m）＝9550×P（kW）/n（r/min）

注：（N·m—牛·米；kW—千瓦；r/min—转/分）

T乘以安全系数除以单位轴向宽度的有效扭矩M0，再加上因两端面漏磁而造成的轴向磁钢宽度损失2X，就可得出该磁传动器参数下所需的轴向磁钢宽度值L。

最后一个参数就是磁钢厚度的选择。通过用直线代替弧线的研究发现，当磁钢厚度达到一定的值后，其对切向磁力的影响会越来越小。当然，当工作气隙增大时，磁钢厚度也应适当增加，但磁钢的价格是以重量计算的，这有一个性价比的选择。

由于我们的科研是与生产紧密结合的，但用直线代替弧线的研究只能用于磁力规律的研究分析，因用直线代替弧线的测试结果会随着磁传动器工作直径的变小（曲率的增加）误差会加大。好在我们绝大部分试验模型就是按客户的要求研制的，通过每年数十台套磁传动器的有意分类并检测，我们对各种实际工况下的磁传动器进行系列化标准化。各种参数下的磁传动器的扭矩数据积累，使我们的磁传动器扭矩的量化选择越来越科学。