（流体机械及工程专业论文）高速磁力泵能耗分析及关键技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 磁力泵采用磁力传动，实现力矩的无接触传递，彻底解决机械传动泵轴封泄 漏及其引起的污染问题。小流量高扬程磁力泵采用高转速设计，不仅可以有效减 少泵的体积和重量，还能提高泵的效率。随着变频调速技术的应用和节能环保的 需要，高速磁力泵在石油、化工行业具有广阔的应用前景。 本文结合某装备的实际需要，设计研制了高速磁力泵。主要研究工作有： 1 结合相关资料，对磁性联轴器的结构形式、磁路类型及矩角特性进行了分 析，总结了磁转矩和隔离套涡流损失的经验计算。基于电磁场m a x w e l l 方程组和 有限元商业软件a n s y s 对磁性联轴器的磁场、磁转矩、隔离套涡流损失及各参 数对转矩值和隔离套涡流损失的影响进行数值分析。 2 结合以往经验，对高速磁力泵的水力设计进行总结。用计算流体动力学 ( c i ) 工程软件，对不同工况下的高速磁力泵内部全流场速度、静压和总压分 布进行定常分析。在设计工况下，对泵体出口总压和叶片进出口监测点的静压进 行非定常分析。在高速磁力泵吸入口设置变位导流栅，分析其对泵进口液体的导 流作用，降低泵必需汽蚀余量的原因。 3 对高速磁力泵的容积损失、过流部件的水力损失、内转子圆盘端面和圆柱 面的摩擦损失进行了分析。对同一磁力泵隔离套分别用不同材料t c 4 和 1 c r l 8 n i 9 t i 进行试验，得到涡流损失的数值，并与有限元数值分析结果进行比对。 据全流场数值模拟的后处理数据，求解出高速磁力泵的容积损失、水力损失、内 转子摩擦损失。并将模拟的扬程和效率曲线与试验曲线进行验证。 4 进行高速磁力泵的轴向力分析，结合全流场模拟数据，求解出不同工况下 的轴向力大小；通过有限元分析，求解出隔离套的变形、应力和应变；对高速磁 力泵的内流场进行了热分析，得到冷却液温度场的分布。 关键词：高速磁力泵，磁转矩，涡流损失，能耗，轴向力，隔离套，冷却回路 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i cd r i v ep u m pw i t hm a g n e tc o u p l i n gt r a n s f e r sm o m e n tn o n c o n n e c ta n d c o m p l e t e l ys o l v e st h ep r o b l e m so fl e a k a g ea n dp o l l u t i o nc a u s e db yp u m pw i t hs h a f t s e a l t h em a g n e t i cd r i v ep u m p 、析t ht h ec h a r a c t e ro fl o wf l o wa n dh i g hh e a da f t e r b e i n gd e s i g n e dw i t hh i l g hr o t a t i o ns p e e dc a i ln o to n l yr e d u c et h ev o l u m ea n dw e i g h t ， b u ta l s oi m p r o v ei t se f f i c i e n c y w i t ht h ea p p l i c a t i o no fv a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n i q u e a n dt h er e q u i r e m e n to fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，h i g h - s p e e d m a g n e t i cd r i v ep u m p w i l lb eu s e di np e t r o l e u ma n dc h e m i c a li n d u s t r i e s b a s e do na l le q u i p m e n to fm i l i t a r yp r o j e c t ，t h eh i g h s p e e dm a g n e t i cd r i v ep u m p w a sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e d t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w i n g 1t h es t r u c t u r eo fm a g n e t i cc o u p l i n g ，t h et y p e so fm a g n e t i cc i r c u i ta n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a g n e t i ct o r q u ea n dm a g n e t i cr o t a t i n ga n g l ew e r ea n a l y z e d t h e c a l c u l a t e df o r m u l a so fm a g n e t i ct o r q u ea n de d d yc u r r e n tl o s s e so fc o n t a i n m e n ts h e l l w e r es u m m a r i z e d t h em a g n e t i cf i e l d ，t h em a g n e t i ct o r q u ea n dt h ee d d yc u r r e n t l o s s e so fc o n t a i n m e n ts h e l lw e r en u m e r i c a la n a l y z e db yu s i n gm a x w e l le q u a t i o n sa n d a n s y ss o f t w a r e t h em a g n e t i ct o r q u ea n dt h ee d d yc u r r e n tl o s s e so fc o n t a i n m e n t s h e l lv e r s u sa l lp a r a m e t e r so fm a g n e t i cc o u p l i n gw e r en u m e r i c a la n a l y z e db yu s i n g a n s y ss o f t w a r e 2t h e h y d r a u l i cd e s i g no fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sf o rh i g h s p e e dm a g n e t i cd r i v e p u m pw a ss u m m a r i z e db yr e f e r r i n gt ot h ep a s te x p e r i e n c e t h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n s o fa b s o l u t ev e l o c i t y , s t a t i cp r e s s u r ea n dt o t a lp r e s s u r ea td i f f e r e n tp u m po p e r a t i n g p o i n t sw e r es t e a d ya n m y z e db yu s i n gc f ds o f t w a r e f l u e n t t h et o t a lp r e s s u r e d i s t r i b u t i o no fp u m pd i s c h a r g ea n dt h es t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n so fm o n i t o r i n g p o i n t sa ti n l e ta n do u t l e to fb l a d e sw e r eu n s t e a d ya n a l y z e da td e s i g n e do p e r a t i n gp o i n t t h ei n l e tb l a d e sw e r ei n s t a l l e da ti n l e to fp u m ps u c t i o n t h er e a s o no fg u i d i n gf l o wa t s u c t i o na n dr e d u c i n gt h ep u m pr e q u i r e m e n tn e tp o s i t i v es u c t i o nh e a do fi n l e tb l a d e s w e r es t u d i e d 3t h ev o l u m e t r i cl o s s e s ，h y d r a u l i cl o s s e s ，f r i c t i o nl o s s e so nd i s kf a c e sa n d c y l i n d e rf a c e so fh i g h s p e e dm a g n e t i cd r i v ep u m pw e r ea n a l y z e d t h em a g n e t i cd r i v e p u m pw i t hd i f f e r e n tc o n t a i n m e n ts h e l lm a t e r i a l s ，t c 4a n d1 c r l 8 n i 9 t i ，w a st e s t e d 江苏大学硕士学位论文 t h ee d d yc u r r e n tl o s s e so fc o n t a i n m e n ts h e l l sw e r eo b t a i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s e o b t a i n e df r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ev o l u m e t r i c l o s s e s ，h y d r a u l i cl o s s e so f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，f r i c t i o nl o s s e so nt h ei n n e rr o t o ro fh i g h s p e e dm a g n e t i cd r i v e p u m pw e r ec a l c u l a t e db ya n a l y z i n gt h ed a t eo ft h ew h o l ef l o wf i e l ds i m u l a t i o n t h e h e a dc u r v ea n de f f i c i e n c yc u r v er e s u l t i n gf r o ms i m u l a t i o nw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s e f r o mt e s t 4t h ea x i a lf o r c e su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gp o i n t sw e r ec a l c u l a t e df r o mt h e r e s u l to fs i m u l a t i o no ft h ew h o l e f l o w - f i e l d t h ed e f o r m a t i o n ，s t r e s sa n ds t r a i no f c o n t a i n m e n ts h e l lw e r eo b t a i n e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fc o o l i n gc i r c u i tw a so b t a i n e df r o mt h et h e r m a la n a l y s i so fi n n e rf l o w f i e l do fh i 曲一s p e e dm a g n e t i cd r i v ep u m p k e yw o r d s ：h i g h s p e e dm a g n e t i cd r i v ep u m p ；m a g n e t i ct o r q u e ；e d d yc u r r e n tl o s s e s ； e n e r g yc o n s u m p t i o n ；a x i a lf o r c e ；c o n t a i n m e n ts h e l l ；c o o l i n gc i r c u i t m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密幺 学位论文作者签名： 指导教师签名：卜榨享_ 触 沙矿7 年f2 ，月1 日 沙7 年i 瑚沙日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签置乏乒_ 荔 醐沙7 纠 日 江苏大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 磁力泵技术发展综述与发展趋势 1 9 4 3 年c h a r l e sh o w a r d 和g e o f f r e yh o w a r d 兄弟通过他们的公司霍华德机械 发展有限公司( h m d ) 获得了磁力驱动泵的首项专利权，并用铝镍钴( a l n i c o ) 永磁体成功研制了第一台磁力泵。1 9 4 7 年h m d 公司研制了首台可用于工业的磁 力泵，最先在英国帝国化学工业公司( i c i ) 使用【1 1 。几年后西德的f r a n zk l a u s 也相继开发成功。在随后的3 0 年里，由于磁力泵的价格较高及产品的可靠性较 差，磁力泵的应用范围受到限制，主要用于输送对生命有威胁或极其危险的流体。 磁力泵是随着永磁材料的发展而发展的。2 0 世纪3 0 年以后，铝镍钻( a l n i c o ) 以其优异的性能，很长时间内在永磁材料中占了统治地位。但由于含有稀缺物质 镍和钴，使得成本很高。5 0 年代，铁氧体永磁材料投人工业生产，其原料易得， 工艺简单，价格低廉，得以迅速发展。由于铁氧体永磁材料剩磁小，磁性能受温 度影响大，温度稳定性差，也限制了使用范围。1 9 6 6 年，美国学者k j s t r a n t 等 人在实验室研制出最大磁能积( b h ) m x 为1 4 0 k j m 3 的s m c 0 5 粉末粘结永磁材料， 成为第一代稀土永磁材料诞生的里程碑。1 9 7 7 年日本的t o j i m a 等人利用粉末冶 金法研制出( b h ) m 缸为2 3 8 8 k j m 3 的s m 2 c 0 1 7 永磁材料，达到当时实用永磁体磁 能积的最高值，标志着第二代稀土永磁材料诞生。1 9 8 3 年，日本住友特殊金属 公司的m s g a w a 等人用粉末冶金方法成功制备钕铁硼( n d f e b ) 磁体，同时美 国通用汽车( g m ) 公司宣布了以n d z f e l 4 1 3 相为基的实用磁体开发成功，标志第 三代钕铁硼永磁材料诞生。1 9 8 4 年2 月中国科学院物理研究所和电子所等单位 宣布研制出磁能积为2 6 3 k j 加3 的钕铁硼永磁材料，达到了日、美以纯钕生产的 钕铁硼水平，而成本降低了5 0 【2 】。1 9 9 0 年日本东北金属公司的研究者称可以得 到磁能积为4 1 8 4 k j m 3 的n d f e b 磁体。1 9 9 3 年1 0 月美国金属学会年会上，住友 公司又宣布已规模生产出磁能积高达4 3 3 6 k j m 3 的n d f e b 磁体。2 0 0 0 年k a n e k o y 宣布制备出磁能积4 4 4 k j m 3 的n d f e b 永磁体【3 】。 2 0 世纪7 0 年代，工业界日益重视环保问题，西方发达国家制订了严格的环 境保护法和产品可靠性法，对化工、核动力等工业中所使用泵的轴封泄漏提出了 严格要求。这一时期，磁力驱动技术备受关注，促使磁力泵在工业上的广泛应用。 随着高磁性能n d f e b 的出现，使得磁性联轴器的尺寸大幅度缩小，效率大幅度 提高，加速了磁力泵的发展。国外许多厂家研制或批量生产各种不同技术规格、 1 江苏大学硕士学位论文 不同类型的磁力泵。2 0 0 0 年美国石油学会出版了a p l 6 8 5 石油、重化学和天然 气工业用无密封式离心泵，对屏蔽泵和磁力泵两种无密封泵制定了严格的规范 和要求1 4 1 。2 0 0 1 年h m d 结合屏蔽泵和磁力泵的优点，研制出了一种新型的屏蔽 磁力泵( c a n n e dm a g n e tp u m p ) ，此泵具有结构简单现场维护方便寿命长安全可靠 等优点，具有第二层保护防止泄漏，真正实现同步转速。代表着无泄漏泵未来的 发展方向【5 1 。但是受到永磁电机的制约，目前这种泵的流量最大才达到1 0 0 m 3 h 。 国内磁力泵从2 0 世纪7 0 年代术开始试制，较早从事磁力泵开发研究的单位 有合肥通用机械研究所、甘肃磁性器件研究所、上海化工研究院以及温州工业科 学研究院，主要是消化吸收国外磁力泵技术，根据进口电影洗片设备配套的微型 磁力泵样机，进行了微型磁力泵的研制。8 0 年代以后，国内开始注重产品开发 与研究。原航天5 1 0 所设计出的1 0 种磁力泵在兰州、镇海、南海等炼油厂应用 成功。2 0 0 4 年江苏大学流体中心研制了4 0 0 h z 高速磁力泵，填补国内空白，综 合技术指标达到国际先进水平1 6 1 。2 0 0 6 年杭州大路实业有限公司成功研制出用作 导热油循环泵的高温磁力泵，设计温度3 5 0 。c ，设计压力5 m p a ，流量7 0 0 m 3 h ，扬 程7 0 m ，配套功率2 0 0 k w ( 1 0 k v ) ，代表了目f i 国内的最高水平。 目前磁力泵的发展有如下四个趋势【7 】： ( 1 ) 磁力泵在技术性能上向微型化、大型化、高速化发展 微型磁力泵，机泵一体化封闭联接，采用2 4 v 、3 6 v 直流电源，用于激光器 的冷却、分析仪器的供料、化学剂的补充、生物工程、冷却循环，以至于打印机 的喷嘴。如日本1 w a k i 公司的m d 系列微型磁力泵的传动功率为3 0 - - 一2 4 9 w 。几 十年以来，h m d 进行了大量的技术革新，使磁力泵由最初用于常温、低压场合 的小功率泵发展到功率5 0 0 k w 以上，使用温度为4 5 0 和压力2 5 m p a 的高温、 高压的大功率磁力泵。结合高速泵的优点，采用变频高速电机驱动的磁力泵得到 应用。提高效率的同时，还能减小泵的体积和重量。 ( 2 ) 广泛采用新材料 隔离套是磁力泵的关键部件，它的破裂会导致流体泄漏而发生灾难性的危 害。单层陶瓷z r 0 2 隔离套，耐酸碱，耐腐蚀，具有高硬度和良好的滑动性能及 高的机械强度，可用于工作压力2 5 m p a ；美国i m o 泵的隔离套是用碳纤维与环 氧树脂制造，适于操作压力3 1 m p a 、温度2 3 2 。c ，传动扭矩4 0 7 n 。m ，在3 6 0 0 r m i n 下功率达1 4 9 k w 。 滑动轴承由高耐磨性材料s i c 或石墨制造。江苏大学流体中心研制的f 5 0 c 新型耐磨材料【羽，采用干粉共混模压工艺，以聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯为基体， 2 江苏大学硕士学位论文 填充一定量的石墨和少量的二硫化钼制备，具有优良的耐磨和减摩性能，满足了 磁力泵轴承材料需求。 工程上还广泛应用p t f e 、p v d e 及工程塑料等非金属材料作为泵壳衬里的 磁力泵，用于输送酸、碱、卤素、金属盐溶液、醇等液体。 ( 3 ) 二次保护和监测系统 国外有些机组具有二次保护功能，随机装备基于泵保护系统的微处理器，实 时监测泵的状况。流量传感器可以安装在用户管线上，确定断流或流量不足；数 字式功率控制监控器确定超载条件。隔离套的泄漏探测传感器、内轴承温度传感 器，使用p l c 实时监控磁传动的工作情况，发出传动磁体、轴承磨损以及干运 转警报【9 】。 ( 4 ) 永磁电机 永磁电机能够实现同步转速，安全可靠等优点，代表着无泄漏泵未来的发展 方向。 1 2 高速磁力泵 高速磁力泵主要应用于军工、航天重要领域。对泵有较高的要求，一方面由 于泵的安装空间限制，要求泵的体积越小越好，同时还要泵具有较高的扬程；另 一方面，还要求泵具有无泄漏的工作性能。因此，为实现上述目标，有必要开发 研究高速磁力泵。提高转速，不仅可以有效减少泵体积，减轻泵的重量，还有利 于提高泵的效率。随着变频调速技术的应用和节能环保的需要，高速磁力泵在石 油、化工行业具有广阔的应用前景。 1234s 图1 - 1 高速磁力泵结构示意图 1 导流栅；2 泵体；3 内磁转子；4 - 隔离套；5 一外磁转子；6 高速电机 图1 - 1 为江苏大学流体中心开发的高速磁力泵。磁力泵由泵、磁性联轴器、 3 江苏大学硕士学位论文 高速电动机三部分组成。经变频器转化后的高频电流输送到高速电机。电动机带 动外磁转子( 外磁钢) 旋转时，通过磁场的作用，磁力线穿过隔离套带动内磁转 子( 内磁钢) 和叶轮同步旋转，实现动力的无接触传递，将动密封转化为静密封。 由于泵轴、内磁转子被泵体、隔离套完全封闭，从而彻底解决了“跑、冒、滴、 漏”问题，消除了炼油化工行业易燃、易爆、有毒、有害介质泄漏的安全隐患， 有力地保证了操作者的身心健康和安全生产。 1 3 高速磁力泵的关键技术 ( 1 ) 磁路计算 高速磁力泵的磁路设计是保证在一定的气隙条件下，传递一定转矩时，使磁 性联轴器具有合理的尺寸、重量、效率和成本。磁转矩和隔离套涡流损失的精确 计算是一个复杂的物理、数学问题。目前大量的文献都介绍了磁传动力矩和隔离 套涡流损失的经验计算公式f 1 0 1 。基于有限元法计算的磁转矩和隔离套涡流损失 值已经在试验中得到了验证，可指导工程实践f 1 1 1 。 ( 2 ) 高速磁力泵的水力设计和内流场数值计算 目前离心泵速度系数设计方法的各项系数都是在转速低于3 0 0 0 r r a i n 下取得 的。在参考大量文献基础上，总结了高速磁力泵的水力设计方法。泵内部流场复 杂，采用c f d 技术对高速磁力泵内部流场进行分析和性能预测，可减少试验次 数，提高泵的设计水平。 ( 3 ) 冷却循环回路 当隔离套为金属材料时，隔离套产生的大量涡流热，使永磁体工作环境温度 上升。当温度升高到永磁体的居里温度时，永磁材料性能下降，磁性联轴器将逐 渐失去作用直至停止工作。因此设计合理有效的冷却散热系统是必不可少的。 泵体高压 隔离套 后推力盘 后导轴承 墓量擎承叶轮进口t t 前推力 1 拍丑” 图1 2 磁力泵冷却循环回路示意图 目前磁力泵主要的散热方式是内循环冷却散热方式，利用泵输送的介质，在 泵腔内部开导流通道，冷却介质从泵腔内的高压区进入内磁钢和隔离套的间隙， 一部分冷却液通过轴中一t x , 孑l 的回流来完成循环，另外一部分则进入滑动轴承冷却 并回到与进口相连的低压区。同时，冷却循环回路对前后导轴承、推力盘起到滑 4 江苏大学硕士学位论文 润作用，如图1 2 所示。 根据磁力泵内外磁钢及前后导轴承、推力盘的功率消耗和循环液的允许温 升，即可确定出循环液的流量。冷却流量过大，会降低磁力泵的效率；冷却流量 过小会使冷却不充分，降低泵的可靠性。通常认为循环流量约为泵流量的 1 一5 ，对小流量磁力泵来说，循环液可能大于5 的泵流量。 ( 4 ) 轴向力的平衡 磁力泵与一般托架式化工泵不同，它整个转子都浸在有压的介质中。故应对 整个转子进行受力计算。设置叶轮后口环、平衡孔或叶轮背叶片以及轴向力自动 平衡机构，以平衡轴向力。根据泵进口压力，叶轮前后口环尺寸，叶轮平衡孔的 位置、大小、数量，隔离套尺寸间隙，前后导轴承间隙等可估算出轴向力。当计 算轴向力不合格时，调整叶轮后口环及平衡孔尺寸是很有效的。 ( 5 ) 低汽蚀余量设计 高速磁力泵由于转速高，使得叶轮进口处的液流速度很大，从而使泵的汽蚀 性能变差，因此有必要对高速磁力泵进行低汽蚀设计。 ( 6 ) 隔离套的变形及校核 隔离套是磁力泵中最重要的部件，关系到泵的安全性和可靠性。磁力泵工作 时，隔离套内腔有高速旋转的流体，同时隔离套产生的涡流热使介质的温度升高， 介质温度过高会在隔离套底部发生汽化，将隔离套击穿f 1 2 1 。由于内外磁钢间的 间隙很小，隔离套受到液体压力会发生变形，严重时隔离套径向变形过大，与外 磁钢接触而磨穿。因此，有必要对隔离套进行变形计算及校核。 1 4 本课题研究的主要内容和意义 高速磁力泵具有绝对无泄漏、扬程高、体积小、重量轻和可靠性高等特点， 比常规磁力泵有明显的优势。近几年来，小型高速磁力泵取得了重要研究成果， 并在多个领域得以推广，成为泵行业关注的一项新型技术。本文研究的主要内容 有： ( 1 ) 对磁性联轴器的结构形式、磁路类型及矩角特性进行了分析；总结了 磁转矩和隔离套涡流损失的经验计算。从电磁学的基本理论出发，利用有限元商 业软件a n s y s 对磁性联轴器的磁场分布、传动扭矩及隔离套的涡流损失进行计 算分析，在此基础上对影响磁性联轴器性能的各个结构参数进行数值分析，并提 出优化设计方案。 ( 2 ) 结合以往经验，对高速磁力泵过流部件的水力设计进行总结。用计算 5 江苏大学硕士学位论文 流体动力学( c f d ) 工程软件，对不同j t ：况下的高速磁力泵内部全流场速度、静 压和总压分布进行定常分析。在设计工况下，对泵体出口总压和叶片进出口监测 点的静眶进行非定常分析。用数值分析说明在高速磁力泵吸入口设置变位导流 栅，对泵进f 的液体起导流作用，降低了泵的汽蚀余量。 ( 3 ) 对高速磁力泵的容积损失、过流部件的水力损失、内转子圆盘端面和 圆柱面的摩擦损失进行了分析。在开式试验台上，对同一磁力泵隔离套分别用不 同材料t c 4 和1 c r l 8 n i 9 n 进行试验，得到涡流损失的数值，并与有限元数值分 析结果进行对比。对全流场数值模拟的后处理数据进行分析，求解出高速磁力泵 的容积损失、水力损失、内转子摩擦损失。并将模拟的扬程和效率曲线与试验曲 线进行对比。 ( 4 ) 进行高速磁力泵的轴向力分析，结合全流场模拟数据，求解出不同工 况下的轴向力大小。通过有限元分析，求解出隔离套的变形、应力和应变。对高 速磁力泵的冷却润滑回路进行了热分析，得到冷却液温度场的分布。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章磁性联轴器的性能计算与分析 2 1 磁性联轴器的原理与结构 磁力传动是根据磁性物质同性相斥异性相吸实现传动的。各种磁力传动均可 简化成基本模型，如图2 1 所示。当主动磁极以速度y 运动时，从动磁极也跟着 运动，主动磁极对从动磁极的作用力在运动方向上的分量相叠加，而在垂直于运 动方向上的分量则方向相反基本抵消。因此从动磁极随主动磁极以同样的速度1 ， 运动，实现了运动和力的传递。在主从动磁体运动状态达到稳定，即两者以相同 的速度运动时主从动磁体之间交错的位移保持恒定。 f 1f 2 v 图2 - 1 磁力传动的基举模型 磁力泵磁力传动正是基于上述原理，不同之处在于磁力泵中磁体的排列是圆 周形的。如图2 2 所示：当电动机驱动外磁转子，外磁转子通过磁力作用带动与 叶轮一体的内磁转子旋转，内外磁体保持恒定同步转速时，内外磁体角度差将保 持为一恒定值。由于内外磁转子之间有隔离套隔开，从而实现了液体无泄漏输送， 也就是说能量转换是通过磁性联轴器的磁场无接触传递。 矗一 图2 - 2 磁性联轴器结构简图 1 泵轴；2 泵盖；3 静密封；4 一外磁块；5 外磁钢体； 6 驱动轴；7 隔离套；8 一内磁钢体；9 内磁块 根据磁路结构，可以把磁性联轴器分为：间隙分散磁路、聚磁磁路、缓变式 磁路和感应式异步磁性联轴器，如图2 3 所示。 7 江苏大学硕士学位论文 间隙分散磁路就是两磁极之间按照一定间隙距离进行排列，用隔离块把相邻 的磁极隔开，如图2 - 3 ( a ) n 示，磁极的形状为瓦形或长方形【1 3 l ；聚磁磁路中的磁 极靠紧排列，磁极一般为瓦形，如图2 - 3 ( b ) 所示。在相同体积下的磁性联轴器， 聚磁磁路能排列较多的磁极，可以传递较大转矩；传递相同转矩时，聚磁磁路磁 性联轴器的外形尺寸较小。可见聚磁磁路比间隙分散磁路有明显的优势。 ( a ) ( c ) ( d ) 图2 - 3 磁性联轴器的类别 ( a ) 间隙分散磁路；( b ) 聚磁磁路；( c ) 缓变磁路；( d ) 感应式异步磁路 渐变磁路【1 4 1 ，也称h a l b a c h 阵列，是种新型永磁体排列方式，它将不同磁 化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使得阵列一边的磁场显著增强而另一边显 著减弱，且很容易得到在空间较理想正弦分布的磁场，如图2 3 ( c ) 所示，h a l b a c h 阵列的这些特性使其在核磁共振和永磁电机领域中具有广阔的应用前景。 感应式异步磁性联轴器是将内磁转子改为鼠笼式转子，外转子结构基本不变 如图2 - 3 ( d ) 所示。当外转子在电机驱动下旋转产生旋转磁场，内转子导条上会因 切割磁力线而产生感应电流，感应电流产生的磁场和外转子上永磁体产生的磁场 相互作用，使内转子随外转子一起转动并传递转矩。磁性联轴器是利用电磁感应 8 江苏大学硕士学位论文 作用来传递转矩的，在运行过程中，内外转子总存在转速差，所以可称为感应式 异步磁性联轴器【1 5 - 1 6 1 ，h m d 称为带扭矩环的磁性联轴器。这种联轴器内转子上 不需要永磁材料，介质温度高低将不会影响这种磁性联轴器正常工作，可用于输 送高温介质的磁力泵。 2 2 磁转矩的分析 2 2 1 磁转子的矩角特性 泵在没有运转的初始状态，此时内外磁块在磁力的作用下一一对应。内外磁 块相互吸引，作用力是径向力，切向分力为零。当驱动轴驱动外磁钢旋转瞬间， 内磁转子存在叶轮负荷，最初保留在原来位置。外磁转子旋转到一定转差角时， 由于内磁转子磁块n s 及与外转子磁块s n 极产生吸引力e ，与外磁转子磁块 n - s 产生斥力疋，互与易合力f ，如图2 4 所示。即每一磁块在f 力的作用下带 动内磁转子旋转。在一定负荷的阻力矩下，f 力矩与其平衡，内、外磁块的转差 角不变，即内外磁转子是同步旋转的。 图2 - 4 内磁钢受力图 当内磁转子负荷变小时，f 力矩大于阻力矩，f 使转差角减小，互、易变小， 使得f 力矩与阻力矩再次平衡；当内磁转子负荷变大时，f 力矩小于阻力矩，转 差角增大，五、最同时增大，f 增大达到和载荷力平衡。如果负载超范围增大， 转差角增大到极限时，内外磁转子将滑脱不能同步，内、外磁钢在磁力线交变作 用下很快退磁。 图2 5 是一磁性联轴器不同转差角对应的转矩曲线，可见转矩按正弦规律分 布。 9 江苏大学硕士学位论文 1 1 ( e ) l 口 i i瓜 o l 图2 - 5 内外磁钢转差角与转矩关系图 2 2 2 磁转矩的经验计算 在磁性联轴器的设计中，磁力矩的计算十分重要，其计算方法很多，如等效 磁荷法、m a x w e l l 应力法、静磁能理论转矩求解法、气隙数值法、转矩有限元计 算法等。把常用的几个公式f 1 7 乞1 】列表，见表2 - 1 所示。 表2 1 磁转矩计算公式 序号计算方法计算公式备注 高斯定理 ， 和b - h 曲 1 线的经验 公式 2经验公式 r = ( 志) 2k m h s t h 叫譬) 卜磁路融k = 4 6 4 k = 蕊1 ) 2 隽以觥( 埘册) 丁- 0 0 4 毕启厶叫n i l 8 0 陋) m r , x - - 最大磁能积 l，竹 4 基搿。i 4 1 仨( 半) 2 ( 1 - 赤) 卜鬻鬈数， 足；一工作点的漏磁系数 5 群弘i _ _ l b r 2 a , , r k l , , , z k k 口。+ s 每i ncpc事os cp22to 5 曲线法和 l g 一瓜，一，1 rl 。c o s 缈、 磁导法r 。k 8 已 ， 一工作点的磁阻系数 咖矿= 乞，拉可万 c 。s 妒= 删厢 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 3 涡流损失的分析 2 3 1 涡流损失的产生 导体在磁场中运动会产生感生电流。磁力泵由于有压力要求，隔离套大多采 用金属材料。外磁转子带动内磁转子同步旋转，相当于隔离套相对于磁场转动。 图2 - 6 所示一段隔离套相对磁场顺时针旋转。由于相邻磁极极性相反，结果在隔 离套中产生感生电流，此感生电流在隔离套中自行闭合，像水的旋涡一样，因此 称为涡流。由楞次定律，感生电流的磁场方向与永磁场方向相反，产生一反力矩； 另外隔离套相当于电机设备中的铁心一样会产生大量的热，浪费了一定的能量， 使得泵机组效率降低。 图2 - 6 涡流的产生 2 3 2 涡流损失的计算 精确计算涡流损失的数值并非易事。如果能够比较准确的计算隔离套内涡流 损失的大小，就能比较准确地预测磁力泵的效率和合理地选择功率配套，并正确 地进行冷却系统的设计。因此精确计算涡流损失的大小，是发展高速、高压磁力 泵的重要条件。 计算涡流的经验公式【咎2 8 1 也很多，列表如2 2 所示。 由上面所列计算公式与理论分析表明涡流损失的大小与多个因素有关： ( 1 ) 隔离套的厚度，在满足强度的条件下，隔离套厚度越小越好。 ( 2 ) 涡流损失大小与隔离套的电导率y 成正比关系，因此隔离套应选择较 小电导率的材料，即较大电阻率的材料。 ( 3 ) 涡流损失的大小与磁场旋转半径r 的三次方成正比，而与磁极轴向长 度l 的一次方成正比。在满足磁转矩设计要求的情况下，转子应尽量减小r 值， 适当增加l 值，有利于控制涡流损失，即内磁转子宜制成细长状。 ( 4 ) 涡流损失的大小还与转子的转速1 1 的平方成正比。 表2 - 2 涡流损失的计算公式 1 1 江苏大学硕士学位论文 2 4 基于数值模拟的磁性联轴器磁场分析及性能计算 目前磁性联轴器的研究主要是基于磁路理论和经验数据进行的，过分依赖于 有限几种典型结构的经验公式和经验系数。随着c a e 技术的不断应用，已经能 够快速准确地对磁性联轴器的磁场进行数值模拟【咎刈，并应用于磁转矩计算和优 化设计【3 1 1 。本文在磁性联轴器磁场数值模拟的基础上，对磁性联轴器不同转差角 下的磁转矩和涡流损耗进行研究，并对影响转矩和涡流损耗的各种因素进行分 析，使磁性联轴器的设计准确性得到提高，以期对磁性联轴器的工程设计提供有 益的参考。 2 4 1 数学模型与基本假设 电磁场问题用m a x w e l l 方程组来描述和求解，方程组由安培环路定理、法拉 第电磁感应定理、高斯电通定理和高斯磁通定理组成，在无自由电荷的磁性联轴 器系统，m a x w e l l 方程组的微分形式1 3 2 1 可写成： j 乳，。 ( 2 【v b = 0 式中：v 一矢量微分算子；删场强度，a m ；j 二传导电流密度，a m 2 ； 删通密度，t 。 实际电磁场求解过程中还必须附加方程： j = y 雹 1 - 一 = 1 t h 1 2 ( 2 - 2 ) 江苏大学硕士学位论文 式中：一隔离套磁导率，h my 一隔离套电导率，s m 当考虑铁磁材料b - h 的非线性特性，则是日的函数。 根据电磁理论磁场对于载流导体和铁磁物质之间存在力的作用，沿磁力线方 向存在纵张力，垂直于磁力线方向存在侧压力。按m a x w e l l 应力法对于稳态或缓 变磁场作用在某一物体的作用力，可通过计算包围该物体的任意封闭表面上电磁 应力的面积分得到，因而总电磁力和总电磁转矩分别为： f 2 9 去( 椰归一瓦1 如凼 ( 2 _ 3 ) z 2 亨去c 枷矿曰一去研础 q 。， 式中：n 一沿s 表面法向方向的单位矢量；b 一表面的磁感应强度，t ；i 一面 积上的场点到旋转轴线问的距离，m ；一真空磁导率，心= 4 丌x 1 0 h m 。 交变磁场涡流求解过程中常引入矢量磁位a 、标量电势矽，满足： 陋= v 五 t 豆：一v 一要 2 5 ) 在考虑导体的速度效应时，运动导体中涡流密度为： 歹：仃r 一一门 (2v矽+vx(vxa 一6 ) ，= 仃i _) l ( 一6 式( 2 6 ) 是实际求解电磁场问题的基本公式，适用于稳态磁场、似稳磁场、 交变磁场以及考虑运动导体速度效应的电磁场分析。 磁性联轴器的磁场源由永磁体提供，没有其他励磁，其磁场问题为没有初始 条件只有边界条件的定解问题。当磁性联轴器处于平衡状态时，磁转子的内外轭 铁均为导磁体，边界处的磁感应强度线与边界平行，即边界外磁体外径和内磁体 内径处a = 0 ，为第一类边界条件【3 3 1 。 磁转子的磁场计算是一个非线性的三维问题，磁转矩传递的物理过程主要发 生在气隙中，考虑端部效应和漏磁的影响，引入计算长度，将磁场分布的三 维问题当作二维问题进行处理。计算长度l 为 。= 6 一( 0 8 1 2 ) l g ( 2 7 ) 1 3 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 计算模型与计算过程 ( 1 ) 选用a n s y s 软件进行磁场分析。以内磁转子外半径r 2 、磁转子轴向 长度【由、气隙l 譬、内磁体厚度、外磁体厚度t o m 、内转子轭铁厚度t i i 和外转子 轭铁厚度t o i 作为参数建立数学模型，得n - 维模型图； ( 2 ) 分别定义内外永磁体、内外轭铁、气隙及隔离套的材料属性，隔离套 定义相对磁导率和电阻率； ( 3 ) 把已选的单元、定义的材料以及坐标系分配给模型的各个区域，速度 单位为r s ( h z ) 1 3 4 1 ； ( 4 ) 采用a n s y s 自带的智能网格划分器划分网格，利用智能尺寸选项来 控制网格大小。 ( 5 ) 对联轴器内外边界线上加通量平行边界条件；然后选择所有实体求解 静态磁场，进行模拟。求解结束后，进入后处理查看相关结果。 2 4 3 磁性联轴器的性能分析 现以高速磁力泵的磁性联轴器为例，考察用上述方法计算磁转矩以及磁转矩 与联轴器结构尺寸各因素的关系。表2 3 为磁性联轴器的参数。 表2 3 磁性联轴器的参数 永磁体材料 s m 。c o ， 内磁体厚度t i m m 3 5 隔离套材料t c 4 外磁体厚度t o m m3 5 磁极数日i n 2 4 内转子轭铁厚度t 。衄4 转子轴向长度l b 咖 1 6 外转子轭铁厚度t o i u l l n 4 内磁转子半径硼 3 6 隔离套厚度t m 0 6 气隙l g m m 2 5电机转速n r m i n l7 8 0 0 对于表2 3 的磁性联轴器在有限元分析软件a n s y s l l 0 进行数值分析，利 用a n s y s 后处理中的t o r q c 2 d 命令求出内磁转子外圆上的磁转矩，以及隔离套 中的涡流损耗功率。在二维图中，转矩和功率的单位n m m 和w m ，与轴向长 度相乘便得到整个内磁转子的转矩和隔离套中的涡流损耗功率。 1 磁性联轴器的磁场分布 图2 7 为对该磁性联轴器模拟得到的磁力线分布图，在转差角8 = 0 。时，气 隙中的磁力线分布均匀，磁场感应强度最大；当8 = 4 。时，气隙中的磁力线扭曲， 磁场传递扭矩；在最大转差角8 = 7 5 。时，磁力线重度扭曲，磁极以相反的磁化 方向正对，无法传递扭矩，处于不稳定状念。 1 4 江苏大学硕士学位论文 魄 鬻 爹 ! 猢 。 n nw * ， _ _ l1jz ” 图2 - 8 气隙中o 的磁场分布( 0 = 4 。) 性分布，周期数与磁极数目m 相等，最大的磁感应强度b 比剩磁b r 小很多。 引入的矢量磁位a z 在该圆周方向上也是呈周期分布，周期数为m 2 ，最大值与 最小值之问大小相等，方向相反。 2 磁转矩与转差角的关系 躅2 - 9 中，磁转矩与转差角的关系基本为正弦曲线。在转差角0 = 0 。时，磁 极以相同的磁化方向彼此j 下对，磁性联轴器处于稳定状态：随着转差角逐渐增大， 黪 江苏大学硕士学位论丈 磁转矩随之增大直到最大值z ，l l 埘m o 2 = 9 0 + ；转差角再继续增太，磁转矩 减小，在m o 2 = 9 0 4 1 8 0 “范围内，磁性联轴器耦台小稳定发生滑脱现象 图2 - 9 磁转矩与转差角的关系 3 隔离套的涡流损失 罔2 1 0 为隔离套中的磁感应电流密度的矢龟图( 0 - - 4 。) 。磁感应电流密度 在隔离套圆周方向上正弦曲线分和，周期数为m 2 。 篓 w 。，一