摘要：對磁傳動技術在攪拌裝置上的應用做了較為全面的論述，并通過對具體結構的分析和試驗，獲得并驗證了具體的設計方法和計算公式。 關鍵詞：磁傳動 轉矩 磁路設計 引言 在化學反應器中不可缺少攪拌裝置，攪拌裝置技術是化學工程技術的重要組成部分。攪拌技術涉及流體力學、生物化學、熱力學、表面張力學等多學科領域，近年來高分子化學工業、制藥工業，尤其是生物工程工業大量的高科技產品成果投入生產實施，物料的攪拌與反應常常是在高溫、高壓、真空、易燃、易爆、劇毒的工況條件下進行，這就對攪拌設備提出了新的技術要求，促使攪拌設備的設計研究向技術邊緣突破，磁傳動技術因此在攪拌裝置上受到日益廣泛的應用。 1 工作原理與裝置形式 為保證反應工況的穩定，必須對攪拌設備進行軸封。常用的是機械密封、填料箱，機械密封就其原理來說仍屬于動密封的范圍，不可避免的存在著泄漏。在化工攪拌生產中，一些特殊的工況條件下一旦泄漏會引起爆炸，嚴重危及操作工人和設備的安全，污染設備周圍的工作環境。磁傳動技術是徹底解決密封問題的唯一途徑，它是根據磁力耦合器的結構原理，無接觸的傳遞轉矩，即在內外磁轉子之間增加一個隔離套（亦稱密封套），將攪拌釜內的介質與外界完全隔開，從而獲得絕對密封的磁力傳動攪拌反應釜。磁傳動技術在攪拌裝置上應用有3種結構。 1．1 頂入式磁力攪拌裝置 反應器的傳統攪拌裝置是頂置的立式攪拌系統結構。由于當前化學工業的發展，越來越多的反應都是在高溫、高壓的條件下完成，根據溫度的高低有兩種結構可供選擇（見圖1）；a型為釜內軸承伸入釜內，縮短了攪拌軸的懸臂長度有利于支承。b型為釜內軸承帶下冷卻結構，耐溫較高。 1．2 底入式磁力攪拌裝置 目前大多磁力攪拌裝置均為頂攪拌結構，這類裝置存在的主要問題是由于攪拌軸懸臂過長，支承性能差，工作不穩定，在運行過程中當工況發生變化時會產生不同程度的擺動，導致內磁鋼轉子與隔離套內壁發生摩擦，因此縮短了設備的使用壽命。在當今高分子、農藥等化學工程方面，上述傳動的缺陷，常常造成災難性的故障，因此很多新技術工程設計須采用底人式磁力攪拌裝置予以保證。該裝置對于那些在攪拌或反應中物料容易出現沉淀的使用工況下更能體現出該裝置的特點。 底入式磁力攪拌的傳動形式可分為兩種，圓筒型和圓盤型（見圖2）。 圓筒型磁力傳動為徑向耦合，磁鋼利用率高，空間布置大，在相同的磁參數下能獲得較大的傳遞轉矩，故被廣泛采用，尤其是用于大功率的磁轉矩。圓盤型磁力傳動為軸向耦合，其優點在于可以簡化磁鋼的幾何形狀和磁傳動裝置的軸向尺寸，但由于其磁傳動效率較低，僅適用于傳遞轉矩較小的場合。 1．3 旁入式磁力攪拌裝置 隨著化學工業的發展，技術裝備向大型化，高效能發展，國內500m3的反應器屢見不鮮，其反映出問題的主要原因是大容積反應器中攪拌效率明顯降低，攪拌效能并不簡單遵從幾何放大規律，采用常規的頂人式或底入式磁力攪拌裝置，龐大的設備造價、能耗和負荷使人難以接受，因此必須為大型容器提供一種旁人式磁力攪拌裝置，在大型容器中的介質的適當深度位置插入攪拌器，同時采用多機組合和定向布置，使其達到最佳反應效果，可譽為一種高效能攪拌裝置。 旁人式磁力傳動裝置（亦稱磁力傳動側攪拌）在某些特殊的場合也得到廣泛的應用（見圖3）。 2 磁轉矩的優化設計 為了滿足攪拌器在各種工況下的啟動、運行，內外磁轉子不得產生滑脫現象，而必須具有余裕的磁轉矩，因此磁力傳動攪拌裝置在應用中的一個關鍵問題即為磁路的設計與計算。根據有關的文獻，計算磁轉矩的方法很多，國內致力于磁傳動研究的有識之士為了進行高精度的計算，先后推出了二維靜磁場有限元素法（FEM）、二維（2D）與三維（3D）圓柱氣隙、瓦形磁體徑向磁化聯軸器分析法、等效磁荷法（即磁荷積分法）都為永磁聯軸器的設計提供了很有價值的研究成果。但是由于磁場分布的復雜性，利用電磁場的分析將永磁體處理成邊界電流模型等等，都要做大量的數學、電磁學推導，計算費時。工程上的應用最關注的是計算的力學行為，簡明實用而又精確的計算程序。本文主要針對應用最廣泛的圓筒型磁力耦合器的設計進行闡述。 2．1 力學特性 為了實用目的，從技術性和經濟性全面考慮對磁力耦合器設計的評定，我們采用如下三個不同指標： （1）單位磁體積的最大轉矩；（2）耦合器總體積給定時最大轉矩；（3）對一給定轉矩的最低價格。只有同時考慮到上述條件的設計才是最佳化設計。圓筒形磁傳動裝置（見圖4）磁體通常由n個徑向磁化而充磁方向相反的瓦形磁鋼組成（n=磁極數）。在驅動（外磁鋼）和從動（內磁鋼）的圓筒形磁體里，有n／2個N極和n／2個s極在表面沿周向成偶數交替排列。其轉矩大小取決于耦合器外磁鋼相對于內磁鋼的位角Ψ（見圖5），可能有下列幾種情況。 Ψ=0：相反極性的磁極彼此面正對著。 0л／n），轉矩減小，在這個范圍內耦合是不穩定的，即發生滑動。 2л／n：彼此相對耦合器內外磁鋼相斥。可以認為，位移角 和轉矩71的函數關系呈正弦曲線變化（見圖6）。最大磁轉矩也就是在位移角Ψ=л／n時到達，磁力傳動的上述靜力學特性，在實際應用中，尤其是對那些嚴格要求同步轉動的攪拌反應場合，在設計時應予以充分考慮。 瓦形磁鋼以不同極性沿圓周方向呈偶數交替排列，并固定在低碳鋼鋼圈上形成磁回路連體，其外面包圍著非鐵磁性材質的包套以造成磁屏蔽。由于內外磁鋼每對磁極正面的互相吸引，相鄰異極面的互相排斥，可以看出，當從動磁極位于相鄰兩磁極中間位置（即=л／n）時轉矩最大（見圖6）。 這種磁極排列所形成的磁路通常稱為吸斥式（或推拉式）磁路。于是，內磁體受到了吸力（F ）與斥力（F2）的聯合作用，其在旋轉方向是相加的（F=F1+F2），就使得傳遞到從動磁極上的轉矩由于相鄰異性磁極的反作用效應得以增大，這對防止滑脫現象是十分有利的（見圖7）。

2．2 磁路設計 圖7從動磁極的動力學分析永久磁鐵、工作氣隙和磁導體三者構成永磁磁路。這里指的是使用永久磁體構成的磁路。磁路設計的任務是，除了使永磁體在一定的氣隙內提供所需要的磁場外，還應使磁傳動裝置具有最小的尺寸、最輕的重量、最低的成本和高的磁穩定性。 （1）磁性材料的選擇 用于傳遞轉矩的磁性材料，不僅需要高的磁感應強度（Br），而且還需要高的矯頑力（Hc）和磁能積（BH）max。適應這種要求的磁性材料有鐵氧體類磁鋼和稀土類磁鋼。1983年問世的被稱為第三代稀土永磁的釹鐵硼（Nd—Fe—B）具有最優越的磁能積。 稀土類磁鋼的釤鈷合金，由于其溫度系較低（a[sub]t[/sub]=一0．03%／℃）雖然價格昂貴，但在高溫（>150℃）攪拌工況條件下，也是首選。Nd—Fe—B磁性材料，由于磁性能優異、價格低廉，對于圓筒形組合式磁路結構可以獲得令人滿意的磁轉矩，這類永磁耦合器具有體積小、重量輕、功率大、效率高等獨特優點，因此被廣泛應用于磁力攪拌反應釜上。 （2）工作氣隙與理想極數 通常一個磁力耦合器的絕對氣隙幾何尺寸（R3一R2），或相對氣隙的幾何尺寸（r=R2／R3）是給定的（見圖8）。為了找到耦合器的最佳尺寸，常常要改變參數R1與R4和磁極n，而磁鋼極數將在很大程度上影響磁路的傳動效率。在圖8中根據不同的r（相對氣隙）給出了理想極數n，可以看出理想極數隨r的增加（即減少氣隙）而急劇增加，因為極數只可能是偶數，故曲線是一個個孤立的點組成，圖8表示了理想極數的可能分布寬度。因為Ψ=л／n，所以從理想極數n可以求得耦合器最大允許扭轉角。 有關研究資料還表明，當磁路尺寸確定后，理想極數還可以通過計算進行確定 式中Kj— 極性系數，當 =4時，為最佳極數 D3—外磁鋼內徑 Lg—氣隙 在某些情況下，從提高磁轉矩考慮，極數較多可能更好些；考慮到氣隙的退磁作用，在許可范圍內氣隙盡量設計得小些，合理的磁鋼極數和氣隙大小，也只有通過磁路計算來確定。 3 磁轉矩計算 磁路計算的目的是精確地計算出磁轉矩的大小，使其與攪拌功率匹配。我們根據多年從事磁性聯軸器的設計、計算、實驗與應用的實踐經驗總結出的磁轉矩計算方法在工程上有一定的應用價值。本計算方法與以往的一些計算方法不同的是，在計算過程中不需要人為的添加一些修正系數，而是對磁性材料的主要特性——磁感應強度（Br）的取值，根據磁路參數的不同作出合理的定義，直接利用公式進行計算。 3．1 磁力耦合器的靜磁場計算 圓筒形磁力耦合器是由兩個磁環組成，每個磁環又是由n個N、S極交替排列的瓦形磁鋼組成，所以氣隙中心的磁感應強度是由相對的內、外兩塊磁鋼產生的磁感應強度的疊加。 氣隙中內磁鋼的磁感應強度為

氣隙中外磁鋼的磁感應強度 3．2 最大磁轉矩計算 如前述，磁轉矩和磁體位移角（ ）的函數關系呈正弦規律變化，而且T[sub]max[/sub]=T（Ψ=л／n），實踐證明，當位移角等于Ψ時，在吸斥式磁路中產生的轉矩最大。根據磁轉矩與靜磁場之間的關系，磁轉矩的表達式為 在磁力攪拌裝置中，常將內、外磁鋼采用不同的磁性材料進行組合，以獲得最經濟、最理想的效果，這時，為了更精確地計算磁轉矩，對式（3）需進行分解。內磁鋼產生的磁轉矩

外磁鋼產生的磁轉矩

我們利用式（4）、式（5）對MTC系列磁力傳動攪拌裝置的磁轉矩進行計算并與實測值作了比較（見表1），可以看出其計算精度在工程應用中是可行的。 3．3 磁轉矩與溫度 隨著溫度的升高，會導致磁轉矩的下降，這是由于磁感應強度隨溫度升高而下降的緣故。釹鐵硼磁鋼對溫度的變化較為敏感，其磁溫度系數（a[sub]t[/sub]）約在一0．14%／℃左右，在計算中可以認為當溫度為t℃時

因此，必須考慮釜內攪拌的最高工作溫度。并計算出在此溫度下磁轉矩之大小，來作為磁路設計的依據，這樣能確保磁力耦合器的可靠工作。 4 結束語 通過理論探索和實驗研究，我們把文中變化參數的煩瑣計算引入計算機程序化設計，根據設計要求輸入磁路參數，進行比較并打印出最佳數值：從而避免了大量不必要的重復計算，最后在轉矩測試儀上對計算值的精確度進行較核，為下一次磁路參數輸入值正提供可靠的依據。 參考文獻： 1 關醒凡編著，現代泵技術手冊北京：宇航出版社，1995 2 [日]牧野升，磁鋼設計與應用。北京：機械工業出版社．1982 3 趙克中編著，磁力驅動技術與設備北京：化學工業出版社，2004