軸向磁力驅動裝置傳動轉矩的增強措施探討

陽國紅

（東富龍科技集團股份有限公司，上海 201108）

磁力驅動是以現代磁學的基本理論，應用永磁材料所產生的磁力作用，來實現力或轉矩無接觸傳遞的一種新技術，實現這一技術的裝置稱為磁力驅動裝置。在化工、食品和制藥等行業中，很多物料的毒性或腐蝕性極強，且有的物料不允許與外界有任何交叉污染風險的存在，這些物料的攪拌反應過程就需要無磨損、零泄漏的磁力驅動。隨著市場需求量的急劇增加，也就推動了磁力驅動裝置的快速發展。磁力驅動雖然有很多優點，從根本上消除了轉動時的磨損和泄漏等問題，但是也存在一些缺點，比如磁場的存在可干擾周圍環境，啟動過程中易產生滯后，磁塊之間存在工作氣隙從而導致傳動轉矩不高，轉動速度較高時，主、被動磁轉子經常會出現滑磁現象。

磁力驅動裝置有軸向驅動和徑向驅動兩種主要形式，本文重點介紹影響軸向磁力驅動裝置傳動轉矩的主要因素，并根據這些主要因素分析探討在不影響正常使用的情況下增強傳動轉矩的一些方案措施，且對每種措施的優缺點進行分析和比對。

軸向磁力驅動裝置的結構示意圖如圖1所示。

軸向磁力驅動裝置主要由主動磁轉子、被動磁轉子、固定托盤和定位隔離裝置等組成，如圖1 中所示是制藥行業中普遍應用于一次性系統中的軸向磁力驅動裝置，被動磁轉子及其固定托盤屬于一次性無菌攪拌袋中的攪拌裝置，固定托盤就是用于隔離被動磁轉子和主動磁轉子的隔離裝置。

圖1 軸向磁力驅動裝置的結構Fig.1 Structure of the axial magnetic drive mechanism

1 軸向磁力驅動裝置傳動轉矩的計算

制藥行業中一次性生物反應器的磁力攪拌裝置就是最典型的軸向磁力驅動裝置，在特定的攪拌物料內，根據所設定的攪拌轉速和攪拌器直徑，可以用理論計算出對應所需的傳動轉矩。以下參照某工程案例中已知的設計參數進行詳細計算。

表1 中為某工程案例已知的有關攪拌的設計參數。

根據表1 已知的設計參數對攪拌所需的傳動轉矩進行計算，以下是詳細的計算過程。

表1 攪拌設計參數Tab.1 Design parameters of the agitation

（1）雷諾數為：

（2）查圖表可得功率準數為：

NP= 0.3

（3）攪拌葉輪線速度為：

（4）計算功率為：

（5）所需的傳動轉矩為：

如上計算所得為該攪拌裝置在給定的物料中能夠正常攪拌時所需的最小傳動轉矩，若磁力驅動所能傳遞的傳動轉矩大于該最小傳動轉矩，則該攪拌裝置能正常平穩地運轉工作，反之則會由于滑磁而不能正常運轉。

表2 中為該工程案例已知的有關磁塊的設計參數。

表2 磁塊設計參數Tab.2 Design parameters of the magnetic patch

根據表2 中的設計參數，依據磁路概念給出的平面軸向磁力耦合傳動機構傳動轉矩的計算公式進行計算，以下是詳細的計算過程：

（1）主動和被動磁轉子所有磁塊的總體積為：

（2）真空磁導率為：

（3）永磁體的平均軸向長度為：

（4）傳動轉矩為：

通過對以上計算結果進行分析和比對，在理論情況下，當剩磁感應強度為0.655 T 且工作總氣隙為1.03×10-4m 時，T0＜Tmin，即磁驅動傳動轉矩無法滿足所需的轉矩值，主、被動磁轉子會由于滑磁而無法正常運轉，于是達不到理想的最高攪拌轉速。這種情況在實際工程中經常會遇到，對于工程技術人員來說是一個非常棘手的問題。如何在外界條件有限的情況下有效地增強磁力驅動的傳動轉矩就顯得尤為重 要。

2 增強傳動轉矩的措施

2.1 增大永磁體的剩磁感應強度

從以上傳動轉矩的計算公式可以看出，增大永磁體的剩磁感應強度即可增加傳動轉矩。若將剩磁感應強度Br 由0.655 T 增大到0.71 T 時，則傳動轉矩為：

由此計算結果可得，傳動轉矩將增大約17%，此時T0＞Tmin，主、被動磁轉子便可以正常傳動運轉。

剩磁感應強度Br是從磁性體的飽和狀態，把磁場沿飽和磁滯回線單調地減小到零時的磁感應強度。通俗地講就是將一個磁體在閉路環境下被外磁場充磁到技術飽和后撤銷外磁場，此時磁體表現的磁感應強度稱之為剩磁。它是磁性材料最基本的磁特性，表征了磁體所能提供的最大磁通值。釹鐵硼是現如今發現的剩磁感應強度Br最高的實用永磁材料，具有優越的磁能積。但是在合理選用磁性材料時，也要綜合考慮經濟性和實用性。

2.2 減小主、被動磁轉子的工作總氣隙

根據如上計算公式，若將工作總氣隙Lg由1.03×10-2m 減小到9.3×10-3m 時的傳動轉矩為：

由此計算結果可得，工作氣隙減小1 mm 后，傳動轉矩將增大約17%，此時T0＞Tmin，主、被動磁轉子便可以正常傳動運轉。由此可見對于磁力驅動來說，這減小的1 mm 氣隙是多么關鍵，也進一步證實了工作總氣隙對傳動轉矩的影響是不可小視的，工作總氣隙越小，傳動轉矩就越大。

很多時候需要提高磁力驅動的轉速，也就是說需要較高的傳動轉矩，此時如果工作氣隙較大就很容易滑磁，從而無法正常進行傳動。故減小主、被動磁轉子的工作氣隙是增強磁力驅動傳動轉矩最直接且最有效的措施。但是工作氣隙太小，肯定會給制造、安裝及使用帶來很多麻煩，比如主、被動磁轉子吸合后軸向吸力非常大，固定托盤會變形，磁轉子高速運轉時會與靜止的固定托盤產生摩擦，從而導致無法正常運轉工作。

所以在不影響磁力驅動正常運轉的情況下如何保證最小的工作氣隙就顯得尤為重要且關鍵，圖1 中的定位隔離裝置就是一個非常關鍵的零部件。以下對該定位隔離裝置進行詳細地剖析和探討，定位隔離裝置的結構示意圖如圖2所示。

圖2 定位隔離裝置的結構Fig.2 Structure of the positioned and shielded device

該裝置主要由定位桿、壓緊塊、平面軸承、深溝球軸承和緊固螺栓等組成，定位桿的上表面與靜止的固定托盤接觸，壓緊塊和深溝球軸承的外側面和底面與旋轉的磁轉子接觸。這樣通過兩組軸承的合理結合，內外旋轉組件即可以實現相對自由且平穩地轉動。主、被動磁轉子吸合后軸向吸力是非常大的，該裝置的初始結構沒有平面軸承，由一開始的單深溝球軸承改進為雙深溝球軸承，但是由于軸向力非常大，甚至在短時間運轉后，軸承都被壓碎了。該裝置經過多次改進和迭代，最后改進為平面軸承和深溝球軸承的組合。該裝置中平面軸承能承受較大的軸向力，深溝球軸承能承受較高的轉速，且可以有效地矯正主、被動磁轉子在高速轉動時的不平行度。兩種軸承相互結合后可以使裝置平穩、高速且持久地運轉。

綜合對比如上兩種增強傳動轉矩的措施，不難發現各有優缺點。當選用剩磁感應強度較高的磁性材料時可以增強傳動轉矩，但是如果需求量較大的話，成本經濟性方面也是必須要考慮的。當減小主、被動磁轉子的工作氣隙時也能有效地增強傳動轉矩，但是工作氣隙減小到一定程度時，哪怕再減小1 mm 也是非常困難的，勢必會帶來很多連帶的問題。如上的定位隔離裝置就起到了非常關鍵的作用，在以上工程案例中，通過該裝置可以使被動磁轉子的固定托盤與主動磁轉子之間的表面間隙控制在0.5～0.8 mm 左右，該間隙已經相當不錯了。

3 結束語

對于磁力驅動技術，軸向磁力驅動裝置的應用非常普遍且常見，在化工、食品和制藥等行業中，有著非常廣泛的應用，磁力攪拌、磁力驅動泵以及磁力驅動閥門等等都是很好的應用實例。但是目前系統論述磁力驅動技術方面的有關書籍確實很少，這方面就需要很多的技術研究人員進行大量的理論分析計算和實踐論證，從而推動該技術在各個行業中的廣泛應用和發展。

在很多工程實例中經常會遇到本文中提到的主、被動磁轉子滑磁的現象，于是在各個條件參數都不改變的情況下，只能被迫降低所需的最高轉速，從而很難達到攪拌工藝所需的效果。如上提到的定位隔離裝置是經過很多很多次的理論分析計算和試驗驗證，最終改進并迭代而研發出的小裝置，該裝置已經在眾多項目中得到了成功的驗證。初始無該裝置時，主、被動磁轉子吸合后，軸向吸力非常大，導致固定托盤變形，磁轉子高速運轉會與靜止的固定托盤產生摩擦，且最高攪拌轉速只能達到100 r/min。增加該研發裝置并多次改進后，攪拌裝置便可以平穩、高速且持久地運轉，且最高攪拌轉速甚至可以達到120 r/min 左右。由此可見該定位隔離裝置在磁力驅動技術領域有著不可估量的作用。

對于專業技術人員來說，不能被固有的思維所禁錮，在遇到難題時一定要大膽地嘗試各種方案措施，經過多次試驗驗證失敗后更不能輕易放棄，每一次小小的改進終將會得到成功的反饋。