小型螺旋電磁泵的設(shè)計

劉林頂

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.110

摘 要：電磁泵是利用磁場和導(dǎo)電流體中電流的相互作用，使流體受電磁力作用而產(chǎn)生壓力梯度，從而推動流體運動的一種裝置。該文針對某小型鈉電磁泵（流量10 m3/h，揚(yáng)程0.5 MPa）的技術(shù)要求，選擇了三相交流螺旋感應(yīng)泵的技術(shù)路線，采用公式法進(jìn)行了計算，依據(jù)計算結(jié)果選定了關(guān)鍵參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)尺寸，由此確定了初步的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：電磁泵 設(shè)計 計算

中圖分類號：TH35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0110-02

電磁泵是利用磁場和導(dǎo)電流體中電流的相互作用，使流體受電磁力作用而產(chǎn)生壓力梯度，從而推動流體運動的一種裝置。與機(jī)械泵相比，電磁泵具有無轉(zhuǎn)動部件、無需動密封、結(jié)構(gòu)簡單、操作控制方便等優(yōu)勢，因此，電磁泵多用于液態(tài)金屬回路的驅(qū)動。電磁泵廣泛應(yīng)用于冶金、鑄造、化工和核電等領(lǐng)域。

1 主要技術(shù)要求

某小型鈉電磁泵的主要技術(shù)要求見表1。

2 基本方案

2.1 技術(shù)路線的選擇

按泵溝形式可將電磁泵劃分為平面型、螺旋型和圓柱型。平面型泵溝截面呈矩形平面，感應(yīng)器上下雙面布置也可單面布置，感應(yīng)器可拆分布置。由于泵溝呈線性，電磁分析相對容易，因此是研究分析其他泵溝形式的基礎(chǔ)。同時，由于結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，平面泵得到了廣泛應(yīng)用。但由于疊制鐵芯不封閉，導(dǎo)致磁場開路，會產(chǎn)生邊緣效應(yīng)（導(dǎo)致磁通密度下降、附加損耗增加等）。有文獻(xiàn)指出，利用平面泵壓送堿金屬時，其效率在25%～40%。揚(yáng)程高和流量小時，效率較低[1]。

圓柱型泵溝截面呈環(huán)形，感應(yīng)器布置在外圓筒壁上，內(nèi)圓筒放有內(nèi)置鐵芯，感應(yīng)器為一整體。圓柱泵的主要優(yōu)點有：感應(yīng)器繞組沒有端部，從而銅損較小；沒有橫向邊緣效應(yīng)；泵溝的水力損失較小。圓柱型泵的硅鋼片沿軸線方向疊制，這種鐵芯的疊制方法在結(jié)構(gòu)上有很大困難，而感應(yīng)器和中間鐵芯的固定方法更是復(fù)雜，且散熱條件也較差。為了克服這些困難，不得不增大鐵芯直徑，因而不能滿意地制造小流量的圓柱型泵。通常意義上來講，圓柱泵適用于低揚(yáng)程、大流量的場合。

螺旋型泵溝呈螺線形布置在薄壁圓柱體上，外面布置有感應(yīng)器，圓筒內(nèi)布置有鐵芯，感應(yīng)器可拆分布置。由于螺旋泵的泵溝是多圈的，因此可用于高揚(yáng)程（幾兆帕）的場合。螺旋泵由于液體在磁場中的軸向運行產(chǎn)生了附加損耗，因此水力損失比較大。通常意義上來講，螺旋泵適用于高揚(yáng)程、小流量的場合。

通過上述分析，結(jié)合某小型鈉電磁泵的使用特點和技術(shù)要求，該方案采用三相交流螺旋感應(yīng)泵，依靠空氣自然冷卻，感應(yīng)器可拆分。

2.2 材料選取

從與鈉的相容性和在高溫下的使用環(huán)境方面考慮，泵溝應(yīng)選用耐高溫的奧氏體不銹鋼材料。另外，泵溝壁是構(gòu)成大的電流損失的所在，因此泵溝壁厚應(yīng)在按強(qiáng)度考慮所允許的范圍內(nèi)盡可能薄，泵溝材料選用316H。

為了保證電磁泵能夠長期穩(wěn)定運行，散熱問題顯得尤為重要，提高線圈絕緣的耐溫是解決散熱問題的途徑之一，普通漆包線的絕緣漆耐溫只有一兩百攝氏度，目前耐溫等級高的漆包線為聚酰亞胺漆包線，其耐溫為220 ℃，因此選用的這種漆包線。

另外，泵的支撐部件、法蘭采用Q235，線槽（外殼）的絕緣使用云母片，鐵芯采用0.5 mm厚相互絕緣的硅鋼片疊制而成，繞組的接線采用鍍鎳的銅合金。

2.3 設(shè)計要點

2.3.1 線圈布置

該方案采用4極24槽三相式繞組[2]，為了滿足繞組線圈的可拆卸性，將繞組沿軸線方向劃分為兩半，即1～12槽作為一個整體，13～24槽作為一個整體。其中，U相繞組的相帶U1包含導(dǎo)體1、2、13、14，U2包含導(dǎo)體7、8、19、20；V相繞組的相帶V1包含導(dǎo)體5、6、17、18，V2包含導(dǎo)體11、12、23、24；W相繞組的相帶W1包含導(dǎo)體9、10、21、22，W2包含導(dǎo)體3、4、15、16。

2.3.2 繞組接法

三相線圈之間的接法有兩種，分別是星型接法和三角形接法。在電源輸出功率一定的情況下，三角形接法的相電流為星型接法的，這樣就能有效保證繞組線圈電流值相對較小，從而使繞組散熱較小。因此，該方案中三相線圈選擇三角形接法。

2.3.3 散熱設(shè)計

對于電磁泵來說，為了保證電磁泵能夠長期穩(wěn)定運行，對其散熱的考慮至關(guān)重要。電磁泵的熱量主要有兩個來源：（1）線圈導(dǎo)線本身通電所產(chǎn)生的焦耳熱，這在電磁泵的發(fā)熱量中比重最大；（2）由高溫泵溝通過保溫層傳導(dǎo)到電磁泵繞組的熱量。針對這兩個熱量主要來源，解決的途徑也主要集中在以下兩點：（1）使用耐溫盡可能高的材料。為了保證電磁泵的使用壽命，就必須確保電磁泵的各個部件都工作在其最高耐溫之下。電磁泵的部件中，泵溝、結(jié)構(gòu)以及支撐部件等都使用的金屬材料，耐溫較高；而繞組線圈的絕緣耐溫最為薄弱，該方案選用耐溫220 ℃的聚酰亞胺漆包線。（2）在泵溝外加保溫層。增加了保溫層會減少泵溝向繞組的傳熱，對降低繞組線圈的溫度是有利的，但增加了保溫層會增大氣隙間隙，從而會影響作用到液態(tài)金屬上的磁場強(qiáng)度。因此，存在一個最佳保溫厚度，要通過大量試驗得到合適的保溫厚度，但可以肯定的是應(yīng)使用導(dǎo)熱系數(shù)盡可能小的保溫材料，這樣在同樣的絕熱效果下會使保溫層的厚度減小。

3 設(shè)計計算

3.1 計算依據(jù)

電磁泵的初步計算應(yīng)給定以下數(shù)據(jù)：（1）壓差；（2）流量Q；（3）工作溫度t；（4）電源電壓U；（5）電源頻率f；（6）工作溫度下液態(tài)金屬鈉的密度ρ；（7）工作溫度下液態(tài)金屬鈉的電導(dǎo)率σf；（8）工作溫度下液態(tài)金屬鈉的運動粘性系數(shù)ν；（9）泵溝壁材料（316H）的電導(dǎo)率σw。其中，（6）～8）由《載熱質(zhì)物性計算程序及數(shù)據(jù)手冊》[3]查取。

為了電磁泵的初步計算，應(yīng)選定以下數(shù)據(jù)：（1）磁極對數(shù)p；（2）泵溝外徑D；（3）泵溝通道寬度2b；（4）泵溝通道高度2a；（5）泵溝壁厚αw；（6）鐵芯長度；（7）磁場鐵芯間氣隙2δ；（8）半波內(nèi)每相占槽數(shù)q。

設(shè)計計算參照《液態(tài)金屬電磁泵》[4]進(jìn)行，同時參考了《異步電動機(jī)設(shè)計手冊》[5]中有關(guān)直線異步電動機(jī)設(shè)計相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容。該設(shè)計以平面型感應(yīng)電磁泵的電磁學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計計算，同時根據(jù)螺旋泵幾何上的特點，對有些公式中的某些參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。根據(jù)給定和選定的參數(shù)，進(jìn)行電磁學(xué)方面的計算，校核齒和鐵芯磁軛的磁感應(yīng)強(qiáng)度不超過飽和值，校核通過后算出有功功率、視在功率和水力效率等參數(shù)。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

根據(jù)初步計算結(jié)果和技術(shù)要求，該方案所確定的關(guān)鍵參數(shù)見表2，其主要的結(jié)構(gòu)尺寸見表3。

3.3 計算結(jié)果分析

如前所述，該設(shè)計為了計算和分析上的簡單，使用了平面泵的電磁學(xué)設(shè)計計算方法，在這里有必要討論一下這種處理方式的合理性。螺旋泵和平面泵的工作過程基本上是一樣的，由于螺旋泵磁場間的氣隙和所處的半徑相比較總是很小的，而且螺旋角較大，所以形式上流體雖然是在圓柱面上流動，而分析上卻可以把它看作平面流動，且誤差較小，但這樣可以使分析計算大為簡化。

螺旋型泵溝結(jié)構(gòu)上比平面泵復(fù)雜，但工作過程卻簡單得多，特別是由于電磁回路沒有縱向端部效應(yīng)，使問題大為簡化。螺旋泵一般不單獨安裝短路環(huán)，它的作用就由進(jìn)出口集流環(huán)內(nèi)的液態(tài)金屬來充當(dāng)[1]。在該設(shè)計計算中，就是按照有短路條、液態(tài)金屬中感生出的電流能順利導(dǎo)通來計算的。

按照繞組和鐵芯布置的不同，平面泵主要有雙面鐵芯雙面繞組和雙面鐵芯單面繞組兩種形式。螺旋泵外部感應(yīng)器的鐵芯具有繞組，而其泵溝內(nèi)部僅布置有鐵芯，螺旋形泵溝內(nèi)置鐵芯具有一定的加強(qiáng)磁場的作用，但最主要的磁場還是來自于泵溝外部的感應(yīng)器鐵芯。在計算時就應(yīng)將其按照雙面鐵芯單面繞組處理。

4 結(jié)語

該文簡述了某小型（流量10 m3/h）鈉電磁泵的初步設(shè)計，擬采用螺旋型感應(yīng)泵，采用三相380 V電源供電，依靠空氣自然冷卻，流量和揚(yáng)程由變頻器調(diào)節(jié)，感應(yīng)器可拆分。對擬采用方案進(jìn)行了初步電磁學(xué)計算，根據(jù)計算結(jié)果以及技術(shù)任務(wù)書的要求確定了關(guān)鍵參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)尺寸。

該方案僅是電磁泵的初步設(shè)計方案，特別是關(guān)鍵參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的計算，有些系數(shù)的選取是偏于保守，某些系數(shù)的確定更是沒有準(zhǔn)確的依據(jù)（在范圍內(nèi)任取了某一值），但這些計算結(jié)果還是具有重要的參考意義和指導(dǎo)價值的。更細(xì)致的設(shè)計有待今后利用專業(yè)的電磁計算分析軟件進(jìn)行，同時能及時進(jìn)行相關(guān)試驗，通過大量的試驗對設(shè)計不斷進(jìn)行完善和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] N.A.丘京，著.液態(tài)金屬電磁泵[M].嚴(yán)陸光，譯.科學(xué)出版社，1964.

[2] 姜孝定.三相異步電動機(jī)繞組改接與計算[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3] 居懷明，徐元輝，李懷萱，等.載熱質(zhì)物性計算程序及數(shù)據(jù)手冊[M].原子能出版社，1990.

[4] 中國科學(xué)院力學(xué)研究所和上海電器科學(xué)研究所電磁泵小組.液態(tài)金屬電磁泵[M].科學(xué)出版社，1979.

[5] 傅豐禮，唐孝鎬.異步電動機(jī)設(shè)計手冊[M].2版.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.