磁力驱动

关键词： 反应釜 承压

磁力驱动（精选三篇）

磁力驱动 篇1

实验室用磁力驱动反应釜是化工企业、科研院校、研究所进行化学实验的主要反应设备之一, 它具有承压能力高、釜盖开启方便、操作维护简单、无泄漏的优点。到目前为止, 国内外关于实验室用的反应釜种类很多, 实验釜主要由承压釜体 (承压容器) 、釜盖、加热装置、冷却装置、搅拌装置、磁力传动装置以及安全附件、阀门等组成, 见下图。

常规实验室用反应釜的加热装置主要采用电加热的结构对反应介质进行加热, 以促进化学反应的进行, 也有采用导热油加热以及蒸汽加热的方式对介质进行加热的, 但是在实际操作过程中, 普遍反映加热效率低、时间长, 温度控制精度差, 保温效果差, 直接导致实验的周期长, 实验采集数据准确度降低, 实验成功率降低, 实验成本增加。

针对目前实验用反应釜存在缺点和问题, 开发研制一种新型的实验室用磁力驱动反应釜, 除了具有常规磁力驱动反应釜的特点, 还能具有加热效率高, 温度控制精确等特点, 成为各大企业院校的迫切需求。

2 反应釜加热方式选择

目前国内传统反应釜普遍采用的加热方式均为介质传热, 包括电炉加热以及导热油、蒸汽等介质传热。但无论是哪种方式都存在效率不高、热量散失严重的问题, 这对能源是一种浪费, 也极大地使用单位的生产效率, 严重地影响了经济效益。行业内迫切需求对反应釜的加热方式进行改进, 改变目前耗能高、效益低的尴尬现状。而电磁加热方式作为一种相当成熟的技术, 已成功应用在电磁炉、化纤注塑等行业, 并取得了非常好的效果。

在此情况下, 研究人员对国内相关科研院所的研发流程以及大型化工厂、制药厂、助剂厂、农药厂等企业的生产工艺进行了详细的了解, 收集了科技研发、实际生产流程中所涉及的反应工艺参数, 并对现场应用的反应釜效果进行了检测, 得到了“第一手”的资料。同时查阅了国内外大量的相关科技文献资料, 最后结合自身多年的研究成果, 提出该电磁加热磁力驱动反应釜的设计方案, 并反复论证了反应釜行业引入电磁技术的可行性, 提出了开发研制电磁加热实验用磁力驱动反应釜的新课题。

3 电磁加热实验用磁力驱动反应釜结构设计

3.1 加热方式的选择

电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时, 容器表面具即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流 (即涡流) , 涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动, 原子互相碰撞、摩擦而产生热能。从而起到加热物品的效果。因为是铁制容器自身发热, 所有热转化率特别高, 最高可达到95%。

根据该原理同时结合反应釜自身的结构特点, 明确了反应釜釜体可以实现电磁加热的机理。将电磁线圈规则地缠绕在反应釜釜体的外围, 线圈通高频交变电流产生高频交变磁场, 该磁场将反应釜釜体包覆其中。磁场的高频变化, 当磁场磁力线通过釜体时, 会在金属体内产生无数的小旋涡流, 使釜体本身自行高速发热, 从而起到加热的效果。

3.2 磁力驱动反应釜材料的选择

为了满足磁力驱动反应釜釜体的电磁加热要求, 研发人员对反应釜各部件的用材进行了全新的选择, 包括釜体材料、保温材料、电磁线圈材料以及磁场屏蔽材料等。

3.2.1 釜体材料的选择

釜体材料的选择:常规的小型反应釜釜体为达到耐腐蚀以及美观等要求, 一般都采用奥氏体不锈钢锻件的结构。奥氏体不锈钢属于非导磁性材料, 而电磁加热要求受热体必须为导磁性材料。为解决这一问题, 满足电磁加热的需要, 研发人员对釜体的材料重新做了选择。将奥氏体不锈钢锻件结构改为低碳合金钢锻件堆焊不锈钢结构。这样低碳钢的釜体具有导磁性能够满足电磁加热的要求, 而不锈钢的表层也能满足试验室反应清洁耐腐蚀的要求。

3.2.2 外部保温材料的选择

为了更好的配合电磁加热的需要, 研发人员对保温材料也做出了优化选择。常规反应釜选用的是石棉绒, 此种材料是一种硅酸盐类矿物纤维, 作为一种耐火保温材料, 它的热量散失比较严重, 耐火效果还行, 保温效果较差。为了得到更好的保温效果, 采用了一体成型的陶瓷纤维模块做保温层, 降低了反应过程中的热量散失, 也为反应釜温度的精度控制提供了保障。

3.2.3 电磁加热系统材料的选择

研发人员综合考虑了线圈承受电流的大小、耐热性能、使用寿命等因素。为了避免温度变化过程中电磁场对反应釜其他零部件产生热影响, 对电磁线圈外部电磁场进行了屏蔽处理。经过多次试验比较, 最终选择了合适的材料。

3.3 设备设计参数选择

反应釜在设计之前, 根据调研返回的信息, 该类设备在企业和院校以中小型实验反应釜居多, 选定以下参数进行相关设计研发:反应釜容积:2升设计压力:12.5MPa设计温度:350℃

电磁加热功率:2.5KW电磁频率:20~30KHz

以上技术指标系常规实验室用反应釜的基本参数, 同时电磁加热方式的创新性引入, 极大地提高了反应釜的升温速度, 缩短了升温时间, 提高了反应效率, 提高了效益。同时也解决了困扰常规加热方式伴随的温控延迟现象, 保证了反应温度控制的精度。

3.4 设备设计制造

反应釜釜体依据GB150-2011《钢制压力容器》等国家标准对壁厚进行设计。采用低合金钢锻件材料, 既保证压力容器的承压要求, 又保证其自身具有导磁性能以满足电磁加热需要, 同时对其表面进行堆焊防腐处理, 也进行了耐高温的工艺处理。反应釜釜盖密封面设计采用高压反应釜密封结构, 同时提高加工精度等级, 对形状与位置公差提高一级 (相对普通要求) 。

电磁线圈的制作经过反复的试验论证, 对线圈的长度、圈数进行优化设计, 最终达到最优的加热效果。同时为防止电磁场的辐射散失, 采用了特殊材料对电磁线圈的外磁场进行了有效屏蔽。

3.5 控制器的优化

常规反应釜的控制系统只是简单的配备了压力、温度、转速等功能的显示要求, 但对温度、压力控制的实时性做的并不好。根据电磁加热对温度的精度控制要求, 重新参照国外反应釜的控制器, 设计研制了一套可视控制系统。该系统采用32位高性能RAM芯片组成实验室反应釜监控系统, 其输入输出接口与功能更加丰富, 可根据用户需求进行选择匹配。而且可以与电脑联接进行实时控制和数据分析。不仅可以对温度进行精确控制, 在升温加热的过程还可以绘制温升曲线, 通过电脑程序来设置升温速率。可以实现全自动的操作方法, 可在多次定量分析中提高自动化操作流程, 更加便于定量、定性的分析。

3.6 试运行效果比对分析

设备制造完毕, 对试制产品进行全面的检验和试验, 包括压力试验、密封性能试验、传动系统试验、电磁加热效果试验等。在工况相同条件下, 同时启动常规磁力驱动反应釜以及电磁加热磁力驱动反应釜, 以升温到320℃为基准, 共进行了60次的试验比对分析。

试验数据对比见下表:

试验结果显示:电磁加热反应釜相比传统电阻加热方式, 单位时间内的加热效率提高了60%, 加热时间缩短一倍以上。温度的控制精度可以确保在±1℃的范围内。

4 结论

经实验证明, 该电磁加热实验室磁力驱动反应釜的设计达到了预期效果, 高效节能, 保温效果好, 温度控制精确, 控制器智能化程度高, 经过在部分企业一年多的实际应用, 反映效果好, 达到国际、国内领先水平。

参考文献

[1]GB/T30098-2013.实验室用磁力驱动反应釜[Z].

磁力驱动 篇2

磁力轴承利用可控磁力将转子悬浮于空间,其定子与转子之间的磁力是影响其性能的重要参数。磁力轴承的工作原理使得定子与转子之间的磁力具有显著的时变、空间分布和非线性的特点。以往的研究多根据磁路方法或有限元方法对磁力进行计算[1,2,3],没有全面考虑磁力轴承的时变磁场、涡流、磁滞、非线性磁导率等问题,因此必须辅以实测方法才能获得磁力轴承运行时磁力的时变规律和空间分布规律。然而,目前磁力轴承的磁力测量多采用压电式拉/压型力传感器,传感器后端的弹簧或弹性膜片在转子偏心的挤压(拉伸)下变形,导致传感器中的压电元件产生与拉/压力呈线性关系的电压,从而测得拉/压力的量值。由于转子必须与传感器探头接触,因此拉/压型力传感器仅能在离线时进行磁力的静态测量,无法获得磁悬浮转子在旋转状态下的磁力分布。开发体积小、抗电磁干扰、非接触的磁力传感器是解决磁力轴承磁力在线测量的关键问题。

光纤光栅(fiber bragg grating, FBG)传感最重要的特点是其传感信号为波长调制,其优势在于[4]:①测量信号不受光源强度变化、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响,抗电磁干扰;②能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅实现分布式测量;③光纤光栅很容易埋入材料中,且容易对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围的测量,可同时测量多个物理量。

笔者利用FBG的应变传感机制测量磁力轴承的磁力,开发基于FBG的磁力传感装置,并搭建FBG磁力在线测量系统,验证基于FBG的磁力轴承的磁力在线测量方法的可行性。

1 基于FBG的磁力轴承磁力测量原理

1.1 FBG应变传感机制

光纤光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅的反射或透射波长的检测,实现对被测结构的应变和温度的绝对测量的一种测量技术。光纤光栅的反射或透射波长主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率n,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅波长的偏移。

应变是引起光纤光栅波长偏移的最直接的外界因素之一,对光栅进行拉伸或压缩,会导致光栅周期Λ的变化,并且光纤自身的弹光效应也使得有效折射率n随外界应力状态的变化而变化,这是光纤光栅基本的应变传感机制,如图1所示。图1中,I为辐强度,λ为波长。

当有轴向应变ε作用在光纤光栅上时,光纤光栅反射波长偏移量ΔλB可表示为

ΔλB=λBε{1-n2[ρ12-ν(ρ12+ρ11)]/2} (1)

式中,λB为光纤光栅初始中心反射波长;ρ11、ρ12为光纤轴向应变张量的分量;ν为泊松比。

典型石英光纤的参数如下:n=1.46,ν=0.16,ρ11=0.12,ρ12=0.27[4]。

因此,式(1)可写为

ΔλB/λB=0.78ε (2)

中心反射波长为1.3μm的石英光纤的波长-应变的灵敏度系数为1×10-6m。

1.2 FBG磁力传感装置的设计和安装

笔者设计的FBG磁力测量装置使用悬臂梁结构,通过弹性元件的应变间接测量磁力,其基本设计思想是:由导磁材料制成的弹性元件一端固定,另一端自由悬在磁力轴承定子和转子的气隙磁场中,形成悬臂梁结构。导磁弹性元件受到磁力作用产生弯曲变形和轴向应变,嵌入弹性元件中的FBG检测到弹性元件的应变,并产生相应的波长偏移以检测磁力。

如图2所示,传感装置由L形导磁弹性元件及其内嵌的光纤光栅组成,其中L形弹性元件的中轴线上刻有一道细槽,通过环氧树脂将光纤光栅封装在此细槽内。

传感装置的安装方式如图3所示,L形弹性元件一端的凸起部分粘结固定在磁力轴承定子磁极表面(为了给传感装置的安装预留一定空间,磁极表面沿中轴线刻有2.5mm深的细槽),另一端悬在定子与转子之间的气隙(以下简称气隙)中,形成悬臂结构。弹性元件凸起部分的厚度小于气隙厚度,弹性元件与磁力轴承定子和转子均不接触。

1.3 FBG磁力在线测量原理

磁力在线测量原理为:当磁力轴承运行时,气隙、线圈电流、转子转速等发生变化,导致定子与转子之间的磁场及磁力发生变化,在磁场作用下,导磁弹性元件的表面产生磁力,该磁力使弹性元件的自由悬臂端产生一定方向和幅度的弯曲变形及轴向应变。根据光纤光栅的应变传感机制,光栅的波长偏移量与光栅处的轴向应变呈线性关系,因此,可以通过光纤光栅的波长偏移量反映电磁力引起的弹性元件应变的变化,以检测电磁力的变化。

使用FBG反射波长的偏移量测量作用在弹性元件上的磁力,需推导反射波长偏移量与磁力之间的关系。磁力传感装置可简化为图4所示结构。弹性元件长度为L;靠近悬臂梁根部粘结FBG,其中点与悬臂梁固定端的距离为x;假设磁力轴承定子与转子之间的磁场为均匀磁场,作用在传感装置上的载荷为均布载荷q,磁力F=qL;O点处悬臂梁所受弯矩为M。

根据材料力学知识可知

$\epsilon =\frac{{\rm M}h}{2E{\rm I}}(3)$

M=q(L-x)2/2

式中,h为悬臂梁高度;E为弹性模量;I为O点处悬臂梁界面的惯性矩,I=bh3/12;b为悬臂梁宽度。

将式(3)代入式(2),可得

$F=\frac{\text{Δ}\lambda {}_{\text{B}}}{2.34\lambda {}_{\text{B}}}Eb(\frac{h}{L-x}){}^{2}L(4)$

因此,根据式(4)可以通过弹性元件中FBG反射波长的偏移量ΔλB获得磁力F。

上述FBG磁力在线测量原理对传感装置的结构参数和材料属性提出了以下基本要求:在测量过程中,传感装置与定子或转子必须保持非接触状态。由于FBG的灵敏度足够探测到微应变,因此由材料属性和结构参数决定的传感装置的弹性系数应偏大。原因在于,为实现磁力的在线测量,本文对测量数据进行了简化处理,即近似认为FBG在弹性元件上的初始安装位置就是测点位置,而在实际测量中,传感装置的弯曲变形会导致FBG偏离其初始安装位置,产生实际测点和假定测点之间的误差。因此,在FBG应变传感的灵敏度允许范围内,应尽量减小弹性元件的弯曲变形,以减小实际测点和假定测点之间的误差。当弹性元件弯曲变形导致的FBG测点偏移远小于气隙厚度时,偏移可忽略不计。

本文中传感装置的L形弹性元件由具有导磁性能的碳素钢制成,其磁导率由其磁化曲线决定,弹性模量E为206GPa。弹性元件凸起部分长3.0mm,宽2.0mm,厚2.5mm,用于将弹性元件粘结固定在磁力轴承定子磁极底部的凹槽内。悬臂部分长27.0mm,宽2.0mm,厚1.5mm。悬臂部分一侧的中轴线处刻有一道细槽(宽0.5mm、深0.5mm)贯穿整根梁,通过环氧树脂将光纤光栅封装在此细槽中。光纤外径为0.25mm,初始中心的反射波长为1.32μm。

2 FBG磁力轴承磁力在线测量实验系统

在磁力轴承运行过程中,磁力主要受气隙、线圈电流、转子转速等因素影响,为了系统研究磁力轴承磁力与上述因素之间的关系,搭建了基于FBG的磁力轴承磁力在线测量实验系统,如图5所示。该实验台能模拟磁力轴承的工作状态:实现磁悬浮转子0～1800r/min的转速调节,实现磁力轴承定子与转子之间气隙0～0.6mm的调节,实现定子线圈电流(直流、交流)的变化。

实验系统包括机械和测控部分。

机械部分设有基座,其下部装有一个高速变频电机,电机轴上安装有磁力轴承转子,通过电机带动转子旋转;基座上部安装一个水平托板,托板上依次安装有热膨胀轴、磁力轴承定子和外壳、电涡流位移传感器探头。热膨胀轴一端通过螺栓固定在托板上,另一端焊接在定子外壳一侧,定子外壳另一侧装有位移传感器探头。热膨胀轴表面缠绕石英加热管,通电加热时,热膨胀轴的热变形力推动定子外壳产生位移,使磁力轴承定子与转子之间产生相对位移,模拟定子/转子的气隙变化,同时通过位移传感器监测定子的位移变化。

测控部分包括直流电源、信号发生器、功放电路、电加热元件、位移传感器、放大和D/A转换电路、光纤光栅波长解调仪以及变频器。

实验系统的工作原理是:通过热膨胀轴的热变形力推动定子外壳产生0～0.6mm的位移,使定子与转子之间产生相对位移,模拟定子/转子的气隙变化。热膨胀轴的热膨胀系数为3×10-5/℃,热膨胀轴长500mm,产生0.6mm位移的最大温升为40℃。热膨胀轴通过推动定子外壳使定子与转子之间产生相对位移,并不直接与定子连接,因此传导到定子的温度变化较小,而且FBG磁力传感装置通过端面的凸起部分粘结在定子凹槽内,凸起部分与定子的接触面积仅6mm2,因此FBG受定子温升的影响很小,所以本实验忽略温度变化对FBG波长的影响。通过直流电源对定子线圈加载恒定电流,模拟磁力轴承工作时的静态偏置电流;通过信号发生器及其功放电路对定子线圈加载变化电流,模拟磁力轴承工作时的控制电流;通过变频器调节电机转速,模拟转子在0～1800r/min的任意转速。当气隙、线圈电流、转子转速等发生变化时,磁力轴承的磁力发生变化,嵌入定子磁极表面凹槽内的导磁弹性元件在磁力作用下发生弯曲变形和轴向应变,该应变导致嵌入弹性元件中的FBG波长发生变化,通过光纤光栅波长解调仪可实时监测波长的变化,即在线监测磁力轴承磁力的变化。

3 磁力在线测量结果

在FBG磁力轴承磁力在线测量实验系统的基础上,笔者设置了三类实验条件来模拟磁力轴承定子和转子的工作状态,并对不同情况下的磁力进行了在线测量。三类实验条件分别为:①转子不转,气隙变化,线圈加载直流电流,电流变化;②定子固定,气隙不变(保持0.3mm),转子转速变化,线圈加载直流电流,电流变化;③转子不转,定子固定,气隙不变(保持0.3mm),线圈加载交流电流,电流幅值变化。测量结果如图6所示。

图6中的磁力在线测量结果表明:基于FBG的磁力传感装置用于磁力轴承的磁力在线测量时具有较高的可行性,其测量结果与理论计算保持了较好的一致性[5]。

4 结束语

本文利用FBG反射波长对磁力导致的传感装置应变的敏感性,将FBG嵌入导磁弹性元件,设计并制成悬臂梁型磁力传感装置,将磁力轴承磁力的变化转换为FBG的波长偏移,并推导出磁力与波长偏移量的关系式;搭建了基于FBG的磁力轴承磁力在线测量实验系统,模拟磁力轴承工作状态,并在磁力轴承定子与转子间气隙变化、转子转速变化、线圈电流变化的情况下,对磁力进行了在线测量。

参考文献

[1]Markus Ahrens,Ladislav Kucera.Analytical Cal-culation of Fields,Forces and Losses of a Radial Magnetic Bearing with a Rotating Rotor Consider-ing Eddy Currents[C]//Proceedings of the5th In-ternational Symposium on Magnetic Bearings.Ka-nazawa,Japan,1996:253-257.

[2]Matti Antila,Erkki Lantto,Antero Arkkio.Deter-mination of Forces and Linearized Parameters of Radial Active Magnetic Bearings by Finite Element Technique[J].IEEE Transactions on Magnetics,1998,34(3):684-694.

[3]Meeker D C,Maslen E H,Noh MD.An Augmen-ted Circuit Model for Magnetic Bearings Including Eddy Currents,Fringing,and Leakage[J].IEEE Transactions on Magnetics,1996,32(4):3219-3227.

[4]赵勇.光纤光栅及其传感技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

磁力托板,餐桌广告新载体 篇3

磁力广告托板是一项专利产品, 通过磁力将一块或几块印刷着广告的托板吸附在餐桌玻璃转盘的背面, 客人在用餐时即可透过玻璃桌面看到广告。其最大的好处是可以提升广告传播的有效性, 同时还可以为餐厅带来一定的广告收益。

四大优势, 掘金餐桌商机

1.针对性:广告内容可以针对餐厅客户群的经济、文化水平, 进行更加有效的宣传;

2独特性和强制接受性:比其他常见媒体的广告宣传更具独特性, 同时由于餐厅包间是一个封闭空间, 客人对于广告宣传具有不可选择性, 广告的被接受性更强;

3.精准性:精确把握客人用餐前广告观看率和记忆度最高的时机;

4.高效性和持续性:通过测算, 单次广告持续时间和超长的广告发布周期, 广告受众平均停留关注时间可达到15—30分钟。

傍上餐桌, 赚钱很轻松

在餐厅的餐桌上出现的广告形式, 设计上新颖时尚, 内容上贴近人们生活, 从而形成一种独特的大众餐桌文化。同时, 利用餐厅这一与消费者日常生活息息相关的场所进行广告宣传, 没有淡旺季之分, 受天气等特殊因素影响相对较小, 可以轻松做到四季盈利、天天赚钱。该产品的广告招商价格, 可控制在1元/块天。按一张餐桌四块磁力托板计算, 每张餐桌每天可收4元, 全年为1460元/桌。按投资者与当地50家餐厅合作来计算, 平均每家5张单间餐桌, 即共有250张餐桌, 每年毛利则可以达到36.5万元。按广告收入的50%扣除房租、人员工资、税金、餐厅分成以及其他各种费用, 实际利润仍可达到18万元左右。

为了降低创业门槛, 减少投资风险, 该项目目前不收取代理加盟费。根据城市等级的不同, 对于首批进货额度有相应要求。一线城市 (直辖市) 、二线城市 (省会) 、地级市、县级市的首批进货量分别需达到3000块、2000块、1500块和800块, 每块磁力托板的价价格格为为2200元元, , 同同时时, , 达达到到这这个个要要求求即即可可获获得得当当地地的的独独家家代代理理权权。。从第二年起, 每年只需交纳1000—3000元不等的专利使用费。

技术门槛低, 找好客户是关键