CN116956495B - 一种底入式磁力搅拌装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，搅拌装置包括叶轮组件和隔离套，叶轮组件和隔离套沿轴向可活动地连接，隔离套通过磁力悬浮原理限制叶轮组件沿轴向的移动距离，叶轮组件适于驱动搅拌罐中部的材料向下运动，隔离套与叶轮组件的磁性力向下设置，并使叶轮组件转动时处于悬浮状态，满足公式F_vi+F_f＝G+F_c，从而在已知叶轮推力为F_vi或磁体间的斥力为F_c的情况下，得到磁体间的斥力F_c或叶轮推力F_vi，从而得到磁体的设计参数和驱动轴稳定转动时的转速。本申请的一个目的在于提供一种不易造成材料污染，材料的残留物不容易留置的磁力搅拌装置的设计方法。

Description

一种底入式磁力搅拌装置的设计方法

技术领域

本申请涉及磁力搅拌领域，特别涉及一种底入式磁力搅拌装置的设计方法。

背景技术

目前底入式磁力搅拌装置适于安装在搅拌罐的底部，磁力搅拌装置包括隔离套和叶轮组件，隔离套安装在搅拌罐的底部并沿上下方向设置，且隔离套内设置有驱动轴，叶轮组件套设于隔离套的外部并设置在搅拌罐的内部，驱动轴适于通过磁力传动的方式驱动叶轮组件转动，具体来说，驱动轴的外周设置有驱动磁体，叶轮组件内设置有与驱动磁体配合的传动磁体，其中传动磁体与驱动磁体磁性相吸设置，驱动轴转动会带动驱动磁体转动，从而带动传动磁体传动，进而带动与传动磁体固定连接的叶轮组件转动。

但是，现有的底入式磁力搅拌结构存在以下缺陷：传统的磁力搅拌装置通常驱动搅拌罐中部的材料向上运动，便于进行搅拌操作，但实际使用过程中，磁力搅拌装置容易出现磨损，对于卫生级别要求较高的混合材料(比如医药行业)，造成材料的污染；并且材料的残留物容易留置在磁力搅拌装置上，造成清洗的困难，因此重新设计底入式磁力搅拌装置及其参数是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本申请的一个目的在于提供一种不易造成材料污染，材料的残留物不容易留置的磁力搅拌装置的设计方法。

为达到以上目的，本申请采用的技术方案为：一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，所述搅拌装置包括叶轮组件和隔离套，所述叶轮组件和所述隔离套沿轴向可活动地连接，所述隔离套通过磁力悬浮原理限制所述叶轮组件沿轴向的移动距离，所述叶轮组件适于驱动搅拌罐中部的材料向下运动，所述隔离套与所述叶轮组件的磁性力的分力向下设置，并使所述叶轮组件转动时处于悬浮状态，所述设计方法包括以下步骤：

S100、根据现有的叶轮组件的物理外形，并利用仿真软件分析叶轮组件的重量m和体积Vf；

S200、计算叶轮组件受到的重力G＝m×g，以及叶轮组件受到的浮力Ff＝ρ液×g×Vf，并取ρ液＝1.0×103kg/m3，g＝9.8N/kg；

S300、叶轮推力为Fvi，磁体间的斥力为Fc，满足公式Fvi+Ff＝G+Fc，从而在已知叶轮推力为Fvi或磁体间的斥力为Fc的情况下，得到磁体间的斥力Fc或叶轮推力Fvi，从而得到磁体的设计参数和驱动轴稳定转动时的转速。

本申请的发明人进一步分析现有的磁力搅拌装置容易出现磨损的原因在于：磁力搅拌装置通常驱动搅拌罐中部的材料向上运动，而这些材料会产生作用在叶轮组件上向下的冲击力，并且该冲击力会随着材料搅拌速度的加快而不断加大，另外由于叶轮组件的重力也向下设置，因此在隔离套上需要设置限位结构同时承受重力和冲击力的作用，并且随着搅拌速度的加快，冲击力还会不断加大，进一步加剧该限位结构受到的作用力，从而使该限位结构发生磨损变形，进而污染材料，或者造成材料残留在磨损变形处造成清洗困难的问题。

另外，当采用底入斜插搅拌时，液体向上做螺旋运动，旋转会容易形成自液面向下的中心斜漏斗形的漩涡，这种漩涡看似流动剧烈，其实就是周向流，传质性能较弱，而且容易将气相空间中的气体带入液体。

基于此本申请的发明人开发了一种底入式磁力搅拌装置，其设置在搅拌罐的底部，通过设置叶轮组件与隔离套沿轴向可活动地连接，叶轮组件适于驱动所述搅拌罐内中部的材料向下运动，隔离套上设置有限位结构，且限位结构设置在所述叶轮组件的上部，并适于产生作用在所述叶轮组件上向下的磁性力，从而限制所述叶轮组件在稳定转动时能处于悬浮状态；另外叶轮组件能驱动搅拌罐内中部的材料向下运动，从而使这些材料能产生作用在叶轮组件上向上的冲击力，并抵消叶轮组件的重力作用，并且该冲击力会随着搅拌速度的加快而不断加大，直到其完全超过叶轮组件的重力，此时通过限位结构产生向下的限制力，从而限制叶轮组件向上的最大位移，有效降低在使用过程中，作用在限位结构上的作用力(该作用力与限位结构产生的向下的限制力大小相同，方向相反属于作用力和反作用力的关系)，从而减少限位结构的受力，进而减少限位结构的磨损变形，减少污染材料的可能性，并减少材料残留在磨损变形处造成清晰困难的问题。值得一提的是稳定转动，指的是叶轮组件的转速稳定，叶轮组件在轴向上不会发生上下窜动，并相对于隔离套1处于悬浮状态，因此在叶轮组件处于稳定状态时，由于叶轮组件驱动搅拌罐中部的材料向下运动，所以搅拌罐中部的材料会给叶轮组件一个向上的冲击力，并且该冲击力在叶轮组件处于稳定状态时，也会处于稳定状态，因此此时向上的冲击力、叶轮组件向下的重力以及叶轮组件受到的浮力和叶轮组件受到的限位结构的磁性斥力形成稳定状态，使叶轮组件处于悬浮状态。

另外，本申请的底入式磁力搅拌装置，其会驱动液体做螺旋向上运动，形成传质性能较强的流场，从而增加液体搅拌的均匀度。

由于能实现所述叶轮组件和所述隔离套沿轴向可活动地连接，所述隔离套通过磁力悬浮原理限制所述叶轮组件沿轴向的移动距离，所述叶轮组件适于驱动搅拌罐中部的材料向下运动，所述隔离套与所述叶轮组件的磁性力向下设置，并使所述叶轮组件转动时处于悬浮状态的功能的底入式搅拌装置的设计较为复杂，因此本申请的发明人进一步设计分析，并研发了该种搅拌装置的设计方法：先利用现有的叶轮组件的物理外形，并利用仿真软件分析叶轮组件的重量m和体积Vf，值得一提的是，叶轮组件的物理外形包括叶轮直径和叶轮倾角，为了使叶轮组件能推动搅拌罐中部的材料向下运动，可以合理选择恰当的叶轮倾角以及叶轮组件的转向，从而实现叶轮组件能推动搅拌罐中部的材料向下运动；根据公式Fvi+Ff＝G+Fc，分别在已知叶轮推力为Fvi或磁体间的斥力为Fc的情况下，得到磁体间的斥力Fc或叶轮推力Fvi，从而得到磁体的设计参数和驱动轴稳定转动时的转速。利用现有的叶轮组件的物理外形，可以避免另外开模，并且可以减少投资成本，另外可以更方便地得出叶轮组件的体积和重量，从而更方便的计算驱动轴的设计参数，或者磁体的设计参数。在这个具体的实施例中，磁体的设计参数包括第一磁体和第二磁体之间的间距。

进一步优选，包括：

S400、设定驱动电机的参数为已知，包括所述叶轮组件在稳定转动时，其转速为n，所述驱动轴的输出功率为Pq；同时设定所述叶轮组件的直径Dj和所述叶轮组件的叶片倾角θ为已知，进而得出叶轮推力Fvi，满足从而得到磁体间的斥力Fc的大小；进而调整第一磁体和第二磁体的形状以及位置关系，使之能满足磁体间的斥力F_c的关系。

进一步优选，S500、使第一磁体和第二磁体的形状和磁场强度已知，从而得出第一磁体垂直于磁场方向的截面积为A1，第二磁体垂直于磁场方向的截面为A2，所述第一磁体的磁场强度为H1，所述第二磁体的磁场强度为H2，以及真空中的磁导率μ₀，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出所述叶轮组件稳定转动时，所述第一磁体和所述第二磁体之间的间距r。

进一步优选，所述第一磁体和所述第二磁体均为环形磁体，且所述第一磁体的外径为D1，所述第一磁体的内径为d1，所述第一磁体的厚度为h1；所述第二磁体的外径为D2，所述第二磁体的内径为d2，所述第二磁体的厚度为h2；根据磁滞回线查询所述第一磁体和所述第二磁体的剩余磁感应强度分别为Br1和Br2，根据公式分别计算出所述第一磁体的磁场强度H1和所述第二磁体的磁场强度H2。值得一提的是，公式是库仑定律的推导式。

进一步优选，包括：

S600、设定第一磁体和第二磁体的形状、磁场强度以及所述叶轮组件稳定转动时，所述第一磁体和所述第二磁体之间的间距r已知，从而得出第一磁体垂直于磁场方向的截面积为A₁，第二磁体垂直于磁场方向的截面为A₂，所述第一磁体的磁场强度为H₁，所述第二磁体的磁场强度为H₂，以及真空中的磁导率μ₀，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出所述叶轮组件稳定转动时，磁体间的斥力F_c；

S700、根据F_vi＝F_c+G-F_f，从而得出叶轮推力F_vi，设定驱动电机的参数，所述驱动轴的输出功率P_q，驱动电机的功率准数N_p，所述叶轮组件的直径D_j为已知，同时根据公式得出在所述叶轮组件稳定转动时，所述驱动轴的转速n的大小，进而根据/>得到所述叶轮组件的叶轮倾角θ。

进一步优选，包括：

S600、设定第一磁体和第二磁体的形状、磁场强度以及所述叶轮组件稳定转动时，所述第一磁体和所述第二磁体之间的间距r已知，从而得出第一磁体垂直于磁场方向的截面积为A1，第二磁体垂直于磁场方向的截面为A2，所述第一磁体的磁场强度为H1，所述第二磁体的磁场强度为H2，以及真空中的磁导率，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出所述叶轮组件稳定转动时，磁体间的斥力Fc；

S700、根据F_vi＝F_c+G-F_f，从而得出叶轮推力F_vi，设定驱动电机的参数，所述驱动轴的输出功率P_q，驱动电机的功率准数N_p，所述叶轮组件的叶轮倾角θ为已知，根据公式和公式/>得到满足要求的所述叶轮组件的直径Dj以及所述驱动轴的转速n。

进一步优选，所述叶轮组件的安装角度为α，且所述安装角度α为所述叶轮组件与旋转轴线的夹角，重力沿轴向的分力G1＝G×cosα，浮力沿轴向的分力Ff＝ρ液×g×Vf，满足公式Fvi+Ff＝G1+Fc。

进一步优选，所述隔离套的下部设置有第三磁体，所述传动座的下部设置有与所述第三磁体匹配的第四磁体，所述第三磁体和所述第四磁体之间适于产生沿上下方向相互排斥的磁力为Fx，并使所述叶轮组件未启动时可相对于所述隔离套处于悬浮状态，并控制此时所述第一磁体和所述第二磁体之间的距离r1＞5r，根据公式Ff+Fx＝G，得出磁力Fx的大小，从而选择能产生该大小和方向磁力Fx的所述第三磁体和所述第四磁体。

进一步优选，在已知第三磁体的磁场强度为H3，第四磁体的磁场强度为H4，第三磁体垂直于磁场方向的截面积为A3，第四磁体垂直于磁场方向的截面为A4，真空中的磁导率μ₀，根据公式F_x＝(μ₀×H₃×A₃×H₄×A₄)/(4π×r₂ ²)，从而计算出控制所述叶轮组件未启动并相对于所述隔离套处于悬浮状态时，此时第三磁体和第四磁体之间的距离r2。

进一步优选，控制所述叶轮组件未启动时相对于所述隔离套处于悬浮状态，此时第三磁体和第四磁体之间的距离r2满足r1-r＞5r2。

进一步优选，所述隔离套的顶部沿轴向向上凸出设置有滑动柱，且所述滑动柱与所述隔离套固定连接，所述叶轮组件包括传动座和叶轮本体，所述叶轮本体和所述传动座固定连接并沿上下方向设置，所述传动座套设在所述隔离套的外部，所述驱动轴通过磁力传动的方式驱动所述传动座传动，并带动所述叶轮本体转动，从而驱动所述搅拌罐内中部的材料向下运动，所述叶轮本体套设在所述滑动柱的外侧，且所述叶轮本体的内壁适于抵靠所述滑动柱的外周面并限制所述叶轮本体沿径向的位移，所述叶轮本体与所述滑动柱之间的滑动摩擦力为Fm,Fm的大小可以根据实验测得，在所述叶轮组件稳定转动时，满足公式Fvi+Ff+Fm＝G+Fc。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

(1)由于底入式磁力搅拌装置设置在搅拌罐的底部，叶轮组件能驱动搅拌罐内中部的材料向下运动，从而使这些材料能产生作用在叶轮组件上向上的冲击力，并抵消叶轮组件的重力作用，并且该冲击力会随着搅拌速度的加快而不断加大，直到其完全超过叶轮组件的重力，此时通过限位结构产生向下的限制力，从而限制叶轮组件向上的最大位移，有效降低在使用过程中，作用在限位结构上的作用力(该作用力与限位结构产生的向下的限制力大小相同，方向相反属于作用力和反作用力的关系)，从而减少限位结构的受力，进而减少限位结构的磨损变形，减少污染材料的可能性，并减少材料残留在磨损变形处造成清晰困难的问题；

(2)另外，本申请的底入式磁力搅拌装置，其会驱动液体做螺旋向上运动，形成传质性能较强的流场，从而增加液体搅拌的均匀度；

(3)利用现有的叶轮组件的物理外形，可以避免另外开模，并且可以减少投资成本，另外可以更方便地得出叶轮组件的体积和重量，从而更方便的计算驱动轴的设计参数，或者磁体的设计参数。在这个具体的实施例中，磁体的设计参数包括第一磁体和第二磁体之间的间距。

附图说明

图1为本申请的磁力搅拌装置的一种实施例的示意图；

图2为本申请的磁力搅拌装置的一种实施例的爆炸图；

图3为本申请的磁力搅拌装置的一种实施例的剖视图，展示了第一磁体和第二磁体；

图4为本申请的磁力搅拌装置的另一种实施例的剖视图，展示了第三磁体和第四磁体。

图中：1、隔离套；11、限位结构；12、滑动柱；121、第一磁体；13、安装部；131、第三磁体；2、叶轮组件；21、传动座；211、传动磁体；212、第四磁体；22、叶轮本体；221、第二磁体；100、驱动轴；101、驱动磁体；200、搅拌罐。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请的发明人进一步分析现有的磁力搅拌装置容易出现磨损的原因在于：磁力搅拌装置通常驱动搅拌罐200中部的材料向上运动，而这些材料会产生作用在叶轮组件2上向下的冲击力，并且该冲击力会随着材料搅拌速度的加快而不断加大，另外由于叶轮组件2的重力也向下设置，因此在隔离套1上需要设置限位结构11同时承受重力和冲击力的作用，并且随着搅拌速度的加快，冲击力还会不断加大，进一步加剧该限位结构11受到的作用力，从而使该限位结构11发生磨损变形，进而污染材料，或者造成材料残留在磨损变形处造成清洗困难的问题。

另外，当采用底入斜插搅拌时，液体向上做螺旋运动，旋转会容易形成自液面向下的中心斜漏斗形的漩涡，这种漩涡看似流动剧烈，其实就是周向流，传质性能较弱，而且容易将气相空间中的气体带入液体。

基于此本申请的发明人开发了一种底入式磁力搅拌装置，如图1至图4所示，其设置在搅拌罐200的底部，通过设置叶轮组件2与隔离套1沿轴向可活动地连接，叶轮组件2适于驱动搅拌罐200内中部的材料向下运动，隔离套1上设置有限位结构11，且限位结构11设置在叶轮组件2的上部，并适于产生作用在叶轮组件2上的磁性力，并且该磁性力具有向下的分力，从而限制叶轮组件2在稳定转动时能处于悬浮状态；另外叶轮组件2能驱动搅拌罐200内中部的材料向下运动(当然搅拌罐200中部的材料会在叶轮组件2的驱动下向下运动，搅拌罐200内外周的材料会向上运动，从而形成循环。)，从而使这些材料能产生作用在叶轮组件2上向上的冲击力，并抵消叶轮组件2的重力作用，并且该冲击力会随着搅拌速度的加快而不断加大，直到其完全超过叶轮组件2的重力，此时通过限位结构11产生向下的限制力，从而限制叶轮组件2向上的最大位移，有效降低在使用过程中，作用在限位结构11上的作用力(该作用力与限位结构11产生的向下的限制力大小相同，方向相反属于作用力和反作用力的关系)，从而减少限位结构11的受力，进而减少限位结构11的磨损变形，减少污染材料的可能性，并减少材料残留在磨损变形处造成清洗困难的问题。值得一提的是稳定转动，指的是叶轮组件2的转速稳定，叶轮组件2在轴向上不会发生上下窜动，并相对于隔离套1处于悬浮状态，因此在叶轮组件2处于稳定状态时，由于叶轮组件1驱动搅拌罐200中部的材料向下运动，所以搅拌罐200中部的材料会给叶轮组件2一个向上的冲击力，并且该冲击力在叶轮组件2处于稳定状态时，也会处于稳定状态，因此此时向上的冲击力、叶轮组件2向下的重力以及叶轮组件2受到的浮力和叶轮组件2受到的限位结构的磁性斥力形成稳定状态，使叶轮组件2处于悬浮状态。容易理解的是，假设在叶轮组件2转动速度相同的情况，驱动材料向上运动或向下运动的速度相同，从而使材料对叶轮组件2的冲击力大小相同方向相反，当材料对叶轮组件2的冲击力向下时，限位组件的限制力大小近似为材料对叶轮组件冲击力的大小加重力大小；而当材料对叶轮组件2的冲击力向上时，限位组件的限制力大小近似为材料对叶轮组件的冲击力大小减重力大小，当冲击力大小相同时，明显材料对叶轮组件2的冲击力向上时，限位组件的限制力更小。

另外，本申请的底入式磁力搅拌装置，其会驱动液体做螺旋向上运动，形成传质性能较强的流场，从而增加液体搅拌的均匀度。

另外，本申请的发明人还开发了一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其实施例如图1至图4所示，搅拌装置包括叶轮组件2和隔离套1，叶轮组件2和隔离套1沿轴向可活动地连接，隔离套1通过磁力悬浮原理限制叶轮组件2沿轴向的移动距离，叶轮组件2适于驱动搅拌罐200中部的材料向下运动，隔离套1与叶轮组件2的磁性力向下设置，并使叶轮组件2转动时处于悬浮状态，在这个具体的实施例中，如图3所示，驱动轴100的外侧设置有驱动磁体101，叶轮组件2的内侧设置有传动磁体211，驱动磁体101和传动磁体211通过磁性相吸作用相互啮合，驱动轴100转动并驱动叶轮组件2转动，另外隔离套1上设置有限位结构11，限位结构11包括第一磁体121，叶轮组件2上设置有第二磁体221，其中第一磁体121和第二磁体221通过磁性相斥作用沿轴向设置，且所述第一磁体121对第二磁体221的磁性力向下设置，在这个具体的实施例中，第一磁体121的N极朝下，叶轮本体22上设置有第二磁体221，且第二磁体221的N极朝上，第一磁体121和第二磁体221之间产生沿上下方向相互排斥的磁力。当然也可以设置第一磁体121的S极朝下，叶轮本体22上的第二磁体221的S极朝上，在第一磁体121和第二磁体221之间形成沿上下方向的斥力，从而起到对叶轮本体22施加向下的限制力，防止叶轮本体22向上运动脱离滑动柱12。

磁力搅拌装置的设计方法包括以下步骤：

S100、根据现有的叶轮组件2的物理外形，并利用仿真软件分析叶轮组件2的重量m和体积Vf；

S200、计算叶轮组件2受到的重力G＝m×g，以及叶轮组件2受到的浮力Ff＝ρ液×g×Vf，并取ρ液＝1.0×103kg/m3，g＝9.8N/kg；

S300、叶轮推力为Fvi，磁体间的斥力为Fc(指的是第一磁体121和第二磁体221之间的斥力)，满足公式Fvi+Ff＝G+Fc，从而在已知叶轮推力为Fvi或磁体间的斥力为Fc的情况下，得到磁体间的斥力Fc或叶轮推力Fvi，从而得到磁体(第一磁体和第二磁体)的设计参数和驱动轴100稳定转动时的转速。

由于能实现叶轮组件2和隔离套1沿轴向可活动地连接，隔离套1通过磁力悬浮原理限制叶轮组件2沿轴向的移动距离，叶轮组件2适于驱动搅拌罐200中部的材料向下运动，隔离套1与叶轮组件2的磁性力向下设置，并使叶轮组件2转动时处于悬浮状态的功能的底入式搅拌装置的设计较为复杂，因此本申请的发明人进一步设计分析，并研发了该种搅拌装置的设计方法：先利用现有的叶轮组件2的物理外形，并利用仿真软件分析叶轮组件2的重量m和体积Vf，值得一提的是，叶轮组件2的物理外形包括叶轮直径和叶轮倾角，为了使叶轮组件2能推动搅拌罐200中部的材料向下运动，可以合理选择恰当的叶轮倾角以及叶轮组件的转向，从而实现叶轮组件2能推动搅拌罐200中部的材料向下运动；根据公式Fvi+Ff＝G+Fc，分别在已知叶轮推力为Fvi或磁体间的斥力为Fc的情况下，得到磁体间的斥力Fc或叶轮推力Fvi，从而得到磁体的设计参数和驱动轴稳定转动时的转速。利用现有的叶轮组件2的物理外形，可以避免另外开模，并且可以减少投资成本，另外可以更方便地得出叶轮组件2的体积和重量，从而更方便的计算驱动轴的设计参数，或者磁体的设计参数。在这个具体的实施例中，磁体的设计参数包括第一磁体121和第二磁体221之间的间距。在这个具体的实施例中，如图3所示，叶轮组件2控制搅拌罐200内中部的材料向下运动，可以通过控制叶轮组件2上的叶片倾角和叶轮组件2的转动方向实现，如图1所示，其中叶轮组件2的转动方向为顺时针，叶片倾转与转动方向相同，从而实现叶轮组件2驱动搅拌罐200内中部的材料向下运动。

进一步优选，包括：

S400、设定驱动电机的参数为已知，及设置驱动轴100的转速为n，叶轮组件2在稳定转动时，其转速为n，驱动轴100的输出功率为Pq；同时设定叶轮组件2的直径Dj和叶轮组件2的叶片倾角θ为已知，进而得出叶轮推力Fvi，满足(值得一提的是以上公式来源于机械搅拌设备行业标准《HG/T20569-2013》)，从而得到磁体间的斥力Fc的大小；进而调整第一磁体121和第二磁体221的形状以及位置关系，使之能满足磁体间的斥力F_c的关系。

进一步优选，还包括以下步骤：S500、使第一磁体121和第二磁体221的形状和磁场强度已知，从而得出第一磁体121垂直于磁场方向的截面积为A1，第二磁体221垂直于磁场方向的截面为A2，第一磁体121的磁场强度为H1，第二磁体221的磁场强度为H2，以及真空中的磁导率μ₀，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出叶轮组件2稳定转动时，第一磁体121和第二磁体221之间的间距r。指的一提的是，使第一磁体121和第二磁体221的形状和磁场强度已知，在已知第一磁体121和第二磁体221的安装方向时，可以得出第一磁体121垂直于磁场方向的截面积为A1，第二磁体221垂直于磁场方向的截面为A2，在这个具体的实施例中如图3所示，可以得到第一磁体121垂直于磁场方向的截面积为A1，第二磁体221垂直于磁场方向的截面为A2。

实施例一：已知驱动轴的输出功率P_q＝0.42kw，转速n＝500rpm，叶轮直径D_j＝150mm，叶片倾角θ＝15°，根据从而得出Fvi＝38.7N。另外叶轮组件2的重量m＝2.2kg，得出叶轮组件2的重力G＝21.56N，叶轮组件2的体积为2.78×10^{- 4}m³，从而得出浮力F_f＝2.72N，进而根据Fvi+Ff＝G+Fc，得出Fc＝19.86N。

已知第一磁体121垂直于磁场方向的截面积A1＝0.001mm²，第二磁体221垂直于磁场方向的截面A2＝0.001mm²，第一磁体121的磁场强度H1＝140667.7A/m²，第二磁体221的磁场强度H2＝134079.3A/m²，真空中的磁导率μ₀＝4π×10^-7T·m/A，根据F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，计算出叶轮组件2稳定转动时，第一磁体121和第二磁体221之间的间距r≈9.69mm。

在这个具体的实施例中，可以通过实验测得第一磁体121的磁场强度H1和第二磁体的磁场强度H2，具体测量方法为现有技术，此处不再赘述。

进一步优选，第一磁体121和第二磁体221均为环形磁体，且第一磁体121的外径为D1，第一磁体121的内径为d1，第一磁体121的厚度为h1；第二磁体221的外径为D2，第二磁体221的内径为d2，第二磁体221的厚度为h2；根据磁滞回线查询第一磁体121和第二磁体221的剩余磁感应强度分别为Br1和Br2，根据公式分别计算出第一磁体121的磁场强度H1和第二磁体221的磁场强度H2。值得一提的是，公式是库仑定律的推导式。

实施例二：除了实验方法外，也可以通过计算方式得出，第一磁体121的磁场强度H1和第二磁体221的磁场强度H2。第一磁体121的外径D1＝50mm，内径d1＝35mm，第二磁体221的外径D2＝55mm，内径d2＝40mm，第一磁体121和第二磁体221的厚度均为h＝6.5mm，第一磁体121的剩余磁感应强度分别为Br1＝1.05T，第二磁体221的剩余磁感应强度Br2＝1.05T，根据计算得出第一磁体121的磁场强度H1＝140667.7A/m，第二磁体221的磁场强度H2＝134079.3A/m，进而根据H1和H2，计算出叶轮组件2稳定转动时，第一磁体121和第二磁体221之间的间距r≈10mm。

进一步优选，包括：

S600、设定第一磁体和第二磁体的形状、磁场强度以及所述叶轮组件稳定转动时，所述第一磁体和所述第二磁体之间的间距r已知，从而得出第一磁体垂直于磁场方向的截面积为A₁，第二磁体垂直于磁场方向的截面为A₂，所述第一磁体的磁场强度为H₁，所述第二磁体的磁场强度为H₂，以及真空中的磁导率μ₀，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出所述叶轮组件稳定转动时，磁体间的斥力F_c；

S700、根据F_vi＝F_c+G-F_f，从而得出叶轮推力F_vi，设定驱动电机的参数，所述驱动轴的输出功率P_q，驱动电机的功率准数N_p，所述叶轮组件的直径D_j为已知，同时根据公式得出在所述叶轮组件稳定转动时，所述驱动轴的转速n的大小，进而根据/>得到所述叶轮组件的叶轮倾角θ。

实施例三：已知第一磁体121垂直于磁场方向的截面积A1＝0.001mm²，第二磁体221垂直于磁场方向的截面A2＝0.001mm²，第一磁体121的磁场强度H1＝140667.7A/m²，第二磁体221的磁场强度H2＝134079.3A/m²，真空中的磁导率μ₀＝4π×10^-7T·m/A，以及第一磁体121和第二磁体之间的间距r＝10mm，根据F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，可以计算得出磁体间的斥力Fc＝21.14N。在这个具体的实施例中，可以通过实验测得第一磁体121的磁场强度H1和第二磁体的磁场强度H2，具体测量方法为现有技术，此处不再赘述。除了实验方法外，也可以通过计算方式得出，第一磁体121的磁场强度H1和第二磁体221的磁场强度H2。其中第一磁体121的外径D1＝50mm，内径d1＝35mm，第二磁体221的外径D2＝55mm，内径d2＝40mm，第一磁体121和第二磁体221的厚度均为h＝6.5mm，第一磁体121的剩余磁感应强度分别为Br1＝1.05T，第二磁体221的剩余磁感应强度Br2＝1.05T，根据计算得出第一磁体121的磁场强度H1＝140667.7A/m，第二磁体221的磁场强度H2＝134079.3A/m。

另外已知叶轮组件2的重量m＝2.2kg，得出叶轮组件2的重力G＝21.56N，叶轮组件2的体积为2.78×10^-4m³，从而得出浮力F_f＝2.72N，根据Fvi＝Fc+G-Ff，得出Fvi＝39.98N。

另外已知驱动轴的输出功率P_q＝0.42kw，叶轮直径D_j＝150mm，驱动电机的功率准数N_p＝9.66，根据公式得出在所述叶轮组件稳定转动时，所述驱动轴的转速n＝500rpm，进而根据/>得到所述叶轮组件的叶轮倾角θ＝15°。

进一步优选，如图3所示，S600、设定第一磁体和第二磁体的形状、磁场强度以及所述叶轮组件稳定转动时，所述第一磁体和所述第二磁体之间的间距r已知，从而得出第一磁体垂直于磁场方向的截面积为A1，第二磁体垂直于磁场方向的截面为A2，所述第一磁体的磁场强度为H1，所述第二磁体的磁场强度为H2，以及真空中的磁导率，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出所述叶轮组件稳定转动时，磁体间的斥力Fc；

S700、根据F_vi＝F_c+G-F_f，从而得出叶轮推力F_vi，设定驱动电机的参数，所述驱动轴的输出功率P_q，驱动电机的功率准数N_p，所述叶轮组件的叶轮倾角θ为已知，根据公式和公式/>得到满足要求的所述叶轮组件的直径Dj以及所述驱动轴的转速n。值得一提的是维持驱动轴的输出功率P_q不变，相当于维持搅拌功率不变。

实施例四：已知第一磁体121垂直于磁场方向的截面积A1＝0.001mm²，第二磁体221垂直于磁场方向的截面A2＝0.001mm²，第一磁体121的磁场强度H1＝140667.7A/m²，第二磁体221的磁场强度H2＝134079.3A/m²，真空中的磁导率μ₀＝4π×10^-7T·m/A，以及第一磁体121和第二磁体之间的间距r＝10mm，根据F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，可以计算得出磁体间的斥力Fc＝21.14N。

另外已知叶轮组件2的重量m＝2.2kg，得出叶轮组件2的重力G＝21.56N，叶轮组件2的体积为2.78×10^-4m³，从而得出浮力F_f＝2.72N，根据Fvi＝Fc+G-Ff，得出Fvi＝39.98N。

另外已知驱动轴的输出功率P_q＝0.42kw，叶轮直径D_j＝150mm，驱动电机的功率准数N_p＝9.66，叶轮倾角θ＝15°，根据公式和公式从而计算出n＝500rpm，D_j＝150mm。值得一提的是，在满足D_j＝150mm的情况下，依然可以满足不改变叶轮组件2的重力和体积。

进一步优选，叶轮组件2的安装角度为α，且所述安装角度α为所述叶轮组件与旋转轴线的夹角，重力沿轴向的分力G1＝G×cosα，浮力沿轴向的分力Ff＝ρ液×g×Vf，满足公式Fvi+Ff＝G1+Fc。在这个具体的实施例，叶轮组件2的安装角度为20°，假设采用的叶轮组件2，其重力m＝2.2kg，可以得到G＝21.56根据G1＝G×cosα，从而得到在α＝20°时，G1＝20.26N，已知叶轮组件2的体积为2.78×10^-4m³，从而得出浮力F_f＝2.72N，进而根据公式Fvi+Ff＝G1+Fc，分别在已知叶轮推力Fvi或已知磁体间斥力的情况下，得到磁体参数或者驱动轴转速。

进一步优选，如图4所示，隔离套1的下部沿径向向外延伸形成安装部13，安装部13设置有第三磁体131，传动座21的下部设置有与第三磁体131匹配的第四磁体212，第三磁体131和第四磁体212之间适于产生沿上下方向相互排斥的磁力为Fx，并使叶轮组件2未启动时可相对于隔离套1处于悬浮状态，并控制此时第一磁体121和第二磁体221之间的距离r1＞5r，根据公式Ff+Fx＝G，得出磁力Fx的大小，从而选择能产生该大小和方向磁力Fx的第三磁体131和第四磁体212。

如图4所示，由于叶轮组件2的重力向下设置，因此在叶轮组件2未启动时，叶轮组件2不受搅拌罐200中的材料的冲击力影响，其会向下运动，通过设置第三磁体131以及与第三磁体131匹配的第四磁体212，从而使得在叶轮组件2未启动时能相对于隔离套1处于悬浮状态。在这个具体的实施例中，可以设置第三磁体131的N极设置在上部，第四磁体212的N极设置在下部，从而使得第三磁体131和第四磁体212之间产生磁性相斥作用；当然也可以设置第三磁体131的S极设置在上部，第四磁体212的S极设置在下部，从而使得第三磁体131和第四磁体212之间产生磁性相斥作用。进而使得该磁性力可以使叶轮组件2在未启动时，相对于隔离套1处于悬浮状态。另外设置在叶轮组件2未启动时，第一磁体121和第二磁体221之间的距离为r1，并满足r1＞5r，可以使得在叶轮组件2处于未启动状态时，第一磁体121和第二磁体221距离较大，而使第一磁体121和第二磁体221之间得磁性力忽略不及，从而根据Ff+Fx＝G，进而得出磁力Fx的大小，从而选择能产生该大小和方向磁力Fx的第三磁体131和第四磁体212。

进一步优选，在已知第三磁体131的磁场强度为H3，第四磁体212的磁场强度为H4，第三磁体131垂直于磁场方向的截面积为A3，第四磁体212垂直于磁场方向的截面为A4，真空中的磁导率μ₀，根据公式F_x＝(μ₀×H₃×A₃×H₄×A₄)/(4π×r₂ ²)，从而计算出控制叶轮组件2未启动并相对于隔离套1处于悬浮状态时，此时第三磁体131和第四磁体212之间的距离r2。为产生适当大小的Fx，可以在确定第三磁体131和第四磁体212形状，以及在磁场中位置的情况下，得出适当的第三磁体131和第四磁体212之间的距离r2。

进一步优选，控制叶轮组件2未启动时相对于隔离套1处于悬浮状态，此时第三磁体131和第四磁体212之间的距离r2满足r1-r＞5r2。

由于在实际使用过程中，随着叶轮组件2的启动至稳定转动状态，其向上移动的距离为r1-r，因此第四磁体212会相对于第三磁体131向上运动的距离为r1-r；而在叶轮组件2未启动时相对于隔离套1处于悬浮状态，第三磁体131和第四磁体212之间的距离为r2，当满足r1-r＞5r2，即在叶轮组件2处于稳定运动状态时，第三磁体131和第四磁体212之间的磁性力对于叶轮组件2的轴向运动可以忽略不计，从而更方便计算第一磁体121和第二磁体221之间的间距r。

进一步优选，如图1和图2所示，隔离套1的顶部沿轴向向上凸出设置有滑动柱12，且滑动柱12与隔离套1固定连接，叶轮组件2包括传动座21和叶轮本体22，叶轮本体22和传动座21固定连接并沿上下方向设置，传动座21套设在隔离套1的外部，驱动轴100通过磁力传动的方式驱动传动座21传动，并带动叶轮本体22转动，从而驱动搅拌罐200内中部的材料向下运动，叶轮本体22套设在滑动柱12的外侧，且叶轮本体22的内壁适于抵靠滑动柱12的外周面并限制叶轮本体22沿径向的位移，叶轮本体22与滑动柱12之间的滑动摩擦力为Fm,Fm的大小可以根据实验测得，在叶轮组件2稳定转动时，满足公式Fvi+Ff+Fm＝G+Fc。

虽然叶轮本体22和滑动柱12之间为镜面接触，其摩擦力较小，但是其大小可能会影响设计结果，因此可以进一步优化公式，使其满足Fvi+Ff+Fm＝G+Fc，另外Fm的大小可以根据实验测得。

以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，所述搅拌装置包括叶轮组件和隔离套，其特征在于：所述叶轮组件和所述隔离套沿轴向可活动地连接，叶轮组件适于驱动搅拌罐内中部的材料向下运动，隔离套上设置有限位结构，且限位结构设置在叶轮组件的上部，并适于产生作用在叶轮组件上的磁性力，并且该磁性力具有向下的分力，从而限制叶轮组件在稳定转动时能处于悬浮状态，限位结构包括第一磁体，叶轮组件上设置有第二磁体，其中第一磁体和第二磁体通过磁性相斥作用沿轴向设置，且所述第一磁体对第二磁体的磁性力向下设置，所述隔离套通过磁力悬浮原理限制所述叶轮组件沿轴向的移动距离，并使所述叶轮组件转动时处于悬浮状态，所述设计方法包括以下步骤：

S100、根据现有的叶轮组件的物理外形并利用仿真软件分析叶轮组件的重量m和体积V_f；

S200、计算叶轮组件受到的重力G＝m×g，以及叶轮组件受到的浮力F_f＝ρ_液×g×V_f，并取ρ_液＝1.0×10³kg/m³，g＝9.8N/kg；

S300、叶轮推力为F_vi，磁体间的斥力为F_c，满足公式F_vi+F_f＝G+F_c，从而在已知叶轮推力为F_vi或磁体间的斥力为F_c的情况下，得到磁体间的斥力F_c或叶轮推力F_vi，从而得到磁体的设计参数和驱动轴稳定转动时的转速；

S600、设定第一磁体和第二磁体的形状、磁场强度以及所述叶轮组件稳定转动时，所述第一磁体和所述第二磁体之间的间距r已知，从而得出第一磁体垂直于磁场方向的截面积为A₁，第二磁体垂直于磁场方向的截面为A₂，所述第一磁体的磁场强度为H₁，所述第二磁体的磁场强度为H₂，以及真空中的磁导率μ₀，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出所述叶轮组件稳定转动时，磁体间的斥力F_c；

S700、根据F_vi＝F_c+G-F_f，从而得出叶轮推力F_vi，设定驱动电机的参数，所述驱动轴的输出功率P_q，驱动电机的功率准数N_p，当所述叶轮组件的直径D_j为已知，同时根据公式得出在所述叶轮组件稳定转动时，所述驱动轴的转速n的大小，进而根据/>得到所述叶轮组件的叶轮倾角θ；或者当所述叶轮组件的叶轮倾角θ为已知，根据公式/>和公式得到满足要求的所述叶轮组件的直径Dj以及所述驱动轴的转速n。

2.如权利要求1所述的一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其特征在于：包括：

S400、设定驱动电机的参数为已知，包括所述叶轮组件在稳定转动时，其转速为n，所述驱动轴的输出功率为P_q；同时设定所述叶轮组件的直径D_j和所述叶轮组件的叶片倾角θ为已知，进而得出叶轮推力F_vi，满足从而得到磁体间的斥力F_c的大小，进而调整第一磁体和第二磁体的形状以及位置关系，使之能满足磁体间的斥力F_c的关系。

3.如权利要求2所述的一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其特征在于：还包括以下步骤：

S500、使第一磁体和第二磁体的形状和磁场强度已知，从而得出第一磁体垂直于磁场方向的截面积为A₁，第二磁体垂直于磁场方向的截面为A₂，所述第一磁体的磁场强度为H₁，所述第二磁体的磁场强度为H₂，以及真空中的磁导率μ₀，根据公式F_c＝(μ₀×H₁×A₁×H₂×A₂)/(4π×r²)，得出所述叶轮组件稳定转动时，所述第一磁体和所述第二磁体之间的间距r。

4.如权利要求2所述的一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其特征在于：所述第一磁体和所述第二磁体均为环形磁体，且所述第一磁体的外径为D₁，所述第一磁体的内径为d₁，所述第一磁体的厚度为h₁；所述第二磁体的外径为D₂，所述第二磁体的内径为d₂，所述第二磁体的厚度为h₂；根据磁滞回线查询所述第一磁体和所述第二磁体的剩余磁感应强度分别为Br₁和Br₂，根据公式分别计算出所述第一磁体的磁场强度H₁和所述第二磁体的磁场强度H₂。

5.如权利要求1所述的一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其特征在于：所述叶轮组件的安装角度为α，且所述安装角度α为所述叶轮组件与旋转轴线的夹角，重力沿轴向的分力G1＝G×cosα，浮力沿轴向的分力F_f＝ρ_液×g×V_f，满足公式F_vi+F_f＝G₁+F_c。

6.如权利要求1所述的一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其特征在于：所述叶轮组件包括传动座和叶轮本体，所述叶轮本体和所述传动座固定连接并沿上下方向设置，所述传动座套设在所述隔离套的外部，所述驱动轴通过磁力传动的方式驱动所述传动座传动，并带动所述叶轮本体转动，从而驱动所述搅拌罐内中部的材料向下运动，所述隔离套的下部设置有第三磁体，所述传动座的下部设置有与所述第三磁体匹配的第四磁体，所述第三磁体和所述第四磁体之间适于产生沿上下方向相互排斥的磁力为F_x，并使所述叶轮组件未启动时可相对于所述隔离套处于悬浮状态，并控制此时所述第一磁体和所述第二磁体之间的距离r₁＞5r，根据公式F_f+F_x＝G，得出磁力F_x的大小，从而选择能产生该大小和方向磁力F_x的所述第三磁体和所述第四磁体。

7.如权利要求6所述的一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其特征在于：在已知第三磁体的磁场强度为H₃，第四磁体的磁场强度为H₄，第三磁体垂直于磁场方向的截面积为A₃，第四磁体垂直于磁场方向的截面为A₄，真空中的磁导率μ₀，根据公式F_x＝(μ₀×H₃×A₃×H₄×A₄)/(4π×r₂ ²)，从而计算出控制所述叶轮组件未启动并相对于所述隔离套处于悬浮状态时，此时第三磁体和第四磁体之间的距离r₂，控制所述叶轮组件未启动时相对于所述隔离套处于悬浮状态，此时第三磁体和第四磁体之间的距离r₂满足r₁-r＞5r₂。

8.如权利要求1所述的一种底入式磁力搅拌装置的设计方法，其特征在于：所述隔离套的顶部沿轴向向上凸出设置有滑动柱，且所述滑动柱与所述隔离套固定连接，所述叶轮组件包括传动座和叶轮本体，所述叶轮本体和所述传动座固定连接并沿上下方向设置，所述传动座套设在所述隔离套的外部，所述驱动轴通过磁力传动的方式驱动所述传动座传动，并带动所述叶轮本体转动，从而驱动所述搅拌罐内中部的材料向下运动，所述叶轮本体套设在所述滑动柱的外侧，且所述叶轮本体的内壁适于抵靠所述滑动柱的外周面并限制所述叶轮本体沿径向的位移，所述叶轮本体与所述滑动柱之间的滑动摩擦力为F_m,F_m的大小可以根据实验测得，在所述叶轮组件稳定转动时，满足公式F_vi+F_f+F_m＝G+F_c。