（流体机械及工程专业论文）基于数值模拟的冲压磁力泵研究.pdf

独创性声明 | i i i ii iuli ii i ii ii i ii ii 18 9 4 8 5 5 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。 学位论文作者签名：妇夺如 2 f j 年f 乙月1 与自 学位论文 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 r e s e a r c ho ns t a m p i n g w e l d i n gm a g n e t i cd r i v ep u m p b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 姓 选! ! 塾 江苏大学 2 0 1 0 年1 2 月 摘要 随着现代工业的进步和发展，对新技术的研究日益重视，特别是对环境保护 和节约能源的要求已成为全球共识。西方发达国家相继制订了严格的环境保护和 能源节约等法规，促进了新技术、新产品的开发和利用。目前磁力泵和冲压泵成 了国内外热门研究的环保产品。 磁力泵是利用永磁铁的磁力传动，实现扭矩的无接触传递。磁力泵是一种新 型的无密封、无泄漏、无污染的工业用泵。磁力泵相比机械密封泵具有无泄漏、 传递振动小、噪声低、过载保护等优点，但是在相同参数下，磁力泵效率较普通 泵要低一些。随着磁性材料的发展，磁性联轴器的效率得到提高，为磁力泵提供 了发展空间。 冲压泵与传统的铸造泵相比，冲压件的形状和尺寸精度容易得到保证，叶轮的流道 光洁度高，所以冲压泵性能稳定，效率较高。另外，由于冲压泵的生产以冲压、焊接为 主，易于实现自动化生产，与铸造泵相比，生产效率可成倍增长，同时减少了铸造加工 的污染，节能和节材。对于铸造困难的窄流道叶轮，采用冲压工艺更能显示其优越性。 本课题根据实际应用的需要，对冲压磁力泵进行了研究，主要研究内容如下： 1 对磁性联轴器的结构形式、磁路类型及矩角特性以及磁转矩和隔离套涡流损失 的计算方法进行了分析总结。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、传动转矩和隔离套的涡流损失等进行数值计算和分析。 2 根据冲压离心泵自身的特点，针对冲压磁力泵的具体参数，研究冲压磁力泵的冲 压工艺。在盖板冲压成形过程中的应力应变、厚度变化、压边力变化以及冲压力变化等 方面的研究具有创新性。 3 利用计算流体动力学c f d 软件对不同工况下冲压磁力泵内部全流场速度、静压 和总压分布进行定常分析，并对蜗壳流道内特定监测点的静压进行了非定常分析。在流 场计算的基础匕进行泵扬程和水力效率的预测，并将冲压磁力泵模拟的性能和普通磁力 泵性能进行比对，从而验证冲压磁力泵相对普通磁力泵具有一定的优越性。 关键词：磁力泵冲压工艺磁转矩涡流损失数值模拟 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , t h er e s e a r c ho nn e w t e c h n o l o g yi sb e i n gt a k e ns e r i o u s l y , e s p e c i a l l y f o rt h ed i s c u s s i o no fp r o t e c t i n g e n v i r o n m e n ta n ds a v i n ge n e r g yh a sb e e nc o n s e n s u si ng l o b a l t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s h a v es e ts t r i c tr e g u l a t i o n sf o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n ，w h i c h h a sp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n ta n du s eo fn e wt e c h n o l o g ya n dn e wp r o d u c t s a n dn o w , t h em a g n e t i cd r i v ep u m pa n ds t a m p i n g w e l d i n gp u m p ，w h i c ha r ee n v i r o n m e n t f r i e n d l y ， h a v eb e e np o p u l a rb o t hh o m ea n da b r o a d m a g n e t i cd r i v ep u m pi sd r i v e nb yt h em a g n e t i cf o r c eo fp e r m a n e n tm a g n e tt o t r a n s m i tt o r q u ew i t h o u tc o n t a c t i ti san e wn o s e a l e d ，n ol e a k a g e ，n op o l l u t i o ni n d u s t r y p u m p c o m p a r e dw i t hm e c h a n i c a l s e a l p u m p ，m a g n e t i cd r i v ep u m ph a sm o r e a d v a n t a g e s ，s u c ha sn ol e a k a g e ，l o wt r a n s m i s s i o nv i b r a t i o n ，l o wn o i s ea n do v e r l o a d p r o t e c t i o n ，b u ti nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m p i sl o w e rt h a nc o m m o n p u m p h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t i cm a t e r i a l ，t h ee f f i c i e n c y o f m a g n e t i cc o u p l i n gh a sb e e ni m p r o v e d ，a n dt h i sw i l lp r o v i d eag r e a tf u t u r ef o rm a g n e t i c d r i v ep u m p s t a m p i n g w e l d i n gp u m p ，c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc a s t i n gp u m p ，i se a s i e rt o e n s u r et h es h a r pa n dd i m e n s i o no fs t a m p i n gp a r t s ，a n dt h ei m p e l l e rc h a n n e li sm o r e s m o o t h ，s ot h ep e r f o r m a n c e i ss t a b l ea n dt h ee f f i c i e n c yi s h i g h i na d d i t i o n ， s t a m p i n g - w e l d i n gp u m p i sm a i n l yb a s e do ns t a m p i n ga n dw e l d i n g ，t h e r e f o r ei t se a s i e r t or e a l i z ea u t o m a t e dp r o d u c t i o n ，a n dt h ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c yc o u l db er a i s e dl a r g e l y , w h i l el e s sp o l l u t i o n ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a t e i a l f o rt h ei m p e l l e rw i t hn a r r o w c h a n n e l ，i ti sag r e a tp r e p o n d e r a n c et oa d o p ts t a m p i n gt e c h n o l o g yi n s t e a do fc a s t i n g t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c ho fs t a m p i n g - w e l d i n gm a g n e t i cd r i v ep u m p t h e m a i nw o r ka sf o l l o w i n g ： 1 s u m m a r i z ea n da n a l y z et 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 eo fm a g n e t i cc i r o a i t , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft o r q u ea n dt h em e t h o dt oc a l c u l a t et o r q u ea n de d d yc u r r e n tl o s si nt h e m e t a ls h e l l ；b a s e do nm a x w e l le q u a t i o n sa n da n s y ss o f t w a r e ，s i m u l a t em a g n e t i cf i e l d , i i i 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 m 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 so fm a g n e t i cc o u p l i n ga n de d d yc u r r e n tl o s si nt h em e t a l s h e l l 2 f o ras t a m p i n g - w e l d i n gm a g n e 缸d r i v ep u m p ，s t u d yt h es t a m p i n gc r a f ta n da n a l y z et h e c h a n g eo fs t r e s s ，t h i c k n e s s ，b l a n kh o l d e rf o r c ea n ds t a m p i n gf o r c ea c ：o ( ) m 培t oi t s o w n c h a r a e t e r e t i e s ，w h i c hi si n n o v a t i v e 3 a n a l y z et h ed i s t r i b u t i o n so fv e l o c i t y , s t a t i cp r e s s u r ea n dd y n a m i cp r e s s u r ef o ra s t a m p i n g - w e l d i n gm a g n e t i cd r i v ep u m pu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n si nas t e a d y n u m e r i c a lm e t h o d ；a n a l y z et h es t a t i cp r e s s u r eo ft h em o n i t o r i n gp o i n t si nt h eh o u s i n gi na n u n s t e a d yn u m e r i c a lm e t h o db yl l s i l 坞c f d ；f o r e c a s tt h eh e a da n dh y d r a u l i ce f f i c i e n c yo ft h e s t a m p i n g - w e l d i n gm a g n e 缸d r i v ep u m pa c e o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n ；c o m p a r et h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n dt e s t , a n dp r o v et h ea d v a n t a g e so fs t a m p i n g - w e l d i n gm a g n e t i cd r i v ep u m p k e yw o r d ：m a g n e t i cd r i v ep u m p ；s t a m p i n gc r a f t ；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 ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 磁力泵的技术特点及发展综述1 1 2 冲压泵的技术特点及发展综述2 1 3 本课题研究的主要内容和意义3 第二章磁性联轴器的性能分析5 2 1 磁性联轴器的设计原理5 2 2 磁转子的矩角特性6 2 3 磁转矩的经验计算7 2 3 1 高斯定量求解法7 2 3 2 经验公式求解法8 2 4 涡流损失的分析9 2 4 1 涡流损失的产生9 2 4 2 涡流损失的计算1 0 2 5 基于数值模拟的磁性联轴器磁场分析及性能计算1 2 2 5 1 电磁场数值分析法1 2 2 5 2 有限元计算的控制方程1 3 2 5 3a n s y s 分析磁场原理1 5 2 5 4 磁性联轴器性能的二维分析与计算1 6 2 6 二维模型计算后处理分析1 8 2 6 1 磁性联轴器的磁场分布1 8 2 6 2 磁转矩与磁转角的关系2 2 2 6 3 涡流损失的产生2 2 2 6 4 影响涡流损失的因素2 4 2 7 磁性联轴器性能的三维分析与计算2 5 2 7 1 三维模型磁场计算的数学模型2 5 2 7 2 三维模型的建模及数值模拟2 6 2 7 3 三维模拟的后处理分析_ 2 6 第三章冲压泵的冲压工艺的研究2 8 3 1 冲压磁力泵的结构与水力设计2 8 3 1 1 冲压磁力泵的结构2 8 v 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 3 1 2 冲压磁力泵的叶轮水力设计2 8 3 1 3 冲压磁力泵的蜗壳水力设计3 0 3 2 蜗壳的成形过程3 2 3 3 叶片的成形过程3 4 3 4 盖板成形的具体工艺分析程3 5 3 4 1 盖板拉伸工艺的理论分析3 7 3 5 盖板拉伸成形工艺参数的设定及其模具设计4 0 3 5 1 拉伸的参数成形工艺确定4 0 3 6 拉伸成形过程的数值模拟4 4 3 6 1 板料成形分析软件d y n a f o r m 的介绍4 4 3 6 2 板料成形过程数值模拟的一般过程4 6 3 6 3 板料拉伸成形模拟过程4 8 3 6 4 板料拉伸成形的后处理分析4 9 第四章基于c f d 技术的泵内部流场数值计算5 7 4 1c f d 技术和相关软件简介5 7 4 2 泵内流场的数值模拟方法和计算过程5 7 4 2 1 控制方程5 7 4 2 2 网格的生成5 9 4 2 3 边界条件5 9 4 3 离心泵内全流道三维几何造型及网格形成6 0 4 4 泵内流场定常分析6 1 4 5 泵内部不稳定流场的数值模拟6 5 4 5 1 泵的压力脉动分析6 6 4 6 性能对比分析6 9 4 6 1 磁力泵功率损失和效率分析6 9 4 6 2 普通磁力泵的实验与模拟结果对比7 1 4 6 3 冲压磁力泵与普通磁力泵模拟性能比较7 3 第五章总结与展望7 5 5 1 研究结果与总结7 5 5 2 研究展望7 5 参考文献7 6 致谢7 9 在读学位期间发表的论文8 0 v l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁力泵的技术特点及发展综述 磁力泵是利用永磁铁的磁力传动，实现扭矩的无接触传递，是一种新型的无密封、 无泄漏、无污染的工业用泵。广泛运用于石油、化工、航天等领域，用以输送贵重、有 毒、易燃、易爆等物质【1 】。磁力泵同机械密封泵相比具有几个方面的特点： 1 以静密封代替动密封，从而解决了轴封泄漏问题。在磁力泵的结构中，用隔离套 将泵的工作介质与外界完全隔离，保证了泵完全无泄漏。 2 由于相对隔离套的交变磁场作用，隔离套由金属材料制造，磁力泵在运行时隔离 套内会产生涡流损失，磁力泵有冷却回路，因而影响了磁力泵的效率。 3 转矩传递振动小、噪声低。机械密封泵转矩传递是硬连接，产生振动大、噪声大。 而磁力泵采用磁力驱动，振动小、噪声低、运行平稳，提高了泵运行的可靠性。 4 过载保护。机械密封泵在运行过程中，一旦发生过载，会发生泵轴损坏、电机烧 坏等事故。而磁力泵在过载情况下，内、外磁转子会自动作相对滑脱运动，不会出现泵 轴损坏或电机烧毁的现象。 1 9 4 3 年由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 ) 使用田。几年后西德的f r a n zk l a u s 也相继开发成功磁力泵【3 】。在 随后的3 0 年里，由于磁力泵的价格较高、产品的可靠性较差，主要用于输送对生命有 威胁或极其危险的流体【4 】，磁力泵的应用范围受到了限制。 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，铝镍钴( 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， 使得铝镍钴生产成本很高。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，也限制了磁力泵的使用范围。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眄衄为1 4 0 k j m 3 的s m c o s 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 r o j i i m 等人利用粉末冶金法研制出( b 均b 缸为 2 3 8 8 k j m 3 的s 玎晒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 1 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、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 5 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。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 1 6 1 。 国内磁力泵从2 0 世纪7 0 年代末开始试制，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。当 。时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。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 m 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 。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。现在江苏大学在泵c a d 、低汽蚀 余量变螺距诱导轮设计、大型多级磁力泵轴向力平衡等方面取得了重要成果，将为我国 磁力泵发展起到推动作用嗍。 1 2 冲压泵的技术特点及发展综述 根据泵类产品的结构特点，冲压成形技术于上世纪七十年代开始应用到泵的制造中 嗍。冲压工艺就是利用安装在压力机上的冲模对材料施加压力，使其产生分离或者变 2 江苏大学硕士学位论文 形，从而获得所需的零件，冲压生产工艺通常采用金属板材为原材料。泵的各零部件冲 压成形后，根据焊接工艺的要求将各个零部件组合焊接起来。采用冲压成形的泵在性能 等各个方面相比于铸造泵有很大的提高，与铸造泵相比有几个方面的优点【1 1 】： 1 节约材料。冲压泵的材料的综合利用率很高，重量只有铸造泵的k 分2 _ 一左右。 2 高效节能。由于形位公差、尺寸精度、光洁度高于铸造泵，效率高于铸造泵4 _ 5 1 t 2 。 3 生产效率高。冲压工艺易于实现机械化与自动化，适合大批量生产。 4 环保。冲压泵原材料为板材，生产过程中不会产生废气、废水、废渣，不会对环 境产牛- - 次污染。 国外冲压技术是由丹麦的格兰富公司于上世纪7 0 年代首先运用到泵的生产。 到了9 0 年代，国外冲压泵技术有了较大的发展，采用冲压焊接技术制造的叶轮直 径已达4 0 0 m m ，并向标准化、系列化、通用化方向发展。日本的荏原公司于9 0 年代中期在意大利特伦帝诺德克莱斯离心泵厂生产单级单吸冲压泵，年产量达4 0 万台。其他的国际知名公司也开始从事冲压焊接泵的大规模生产。在过去的十几 年中，国外冲压焊接成形技术更加成熟，一些大的水泵企业开始采用智能机器人 来完成。丹麦格兰富公司、日本荏原公司、美国r r r 下的意大利l o w a r a 公司 都相继采用机器人来进行叶轮的组合焊接，其智能化程度相当高。 国内自上世纪8 0 年代后期开始进行冲压焊接叶轮的研究，最初由合肥通用机 械研究所科研小组组织实施，并研制出c y b 系列不锈钢冲压焊接离心泵，其性 能达到了国外同类产品。其后上海理工大学、安徽工学院、上海交通大学曾开展 这方面的研究。虽然冲压焊接离心泵在国内有了很大的发展，但是与国外相比， 由于起步晚，在水力设计和制造工艺方面还有不足，主要是冲压焊接离心泵的制 造工艺水平比较落后，尤其是在叶轮制造工艺方面【1 3 , 1 4 。 1 3 本课题研究的主要内容和意义 磁力泵由于具有无泄漏等优点，广泛运用于石油、化工、航天等多领域用于输送贵 重、有毒、易燃、易爆等物质。但磁力泵存在涡流损失，影响其总的效率，由于冲压泵 尺寸精度高，效率高，能有效弥补磁力泵的涡流损失。因此，研究于推广冲压磁力泵的 应用具有重要的意义。本课题的主要研究内容有： 1 对磁性联轴器的结构形式、磁路类型及矩角特性以及磁转矩和隔离套涡流损失的 计算方法进行了分析总结。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 3 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 性联轴器的磁场、传动转矩和隔离套的涡流损失等进行数值计算和分析。 2 根据冲压离心泵自身的特点，研究冲压磁力泵的冲压工艺，并就盖板冲压成形过 程中的应力应变、厚度变化、压边力变化以及冲压力变化进行了分析，具有创新眭。 3 利用计算流体动力学c f d 软件对不同工况下冲压磁力泵内部全流场速度、静压 和总压分布进行定常分析，并对蜗壳流道内特点监测点的静压进行了非定常分析。在流 场计算的基础上进行泵扬程和水力效率的预测，并将冲压磁力泵模拟的性能和普通磁力 泵性能进行比对，结果表明冲压磁力泵相对普通磁力泵具有一定的优越性。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章磁性联轴器的性能分析 2 1 磁性联轴器的设计原理 磁力传动的基本原理是利用磁体能够吸引铁磁物质以及磁体或磁场之间有磁 力作用的特性，透过器壁传送扭矩，带动内部机件，达到力矩的无接触传递【1 5 】。 磁力泵用磁性联轴器的结构如图2 1 ( a ) 所示。主要由泵轴、泵盖、密封圈、 外磁块、外磁钢体、驱动轴、隔离套、内磁钢体和内磁块等组成，内外磁钢体是 同心的。内外磁块分别由n s 极、s - n 极一一相间排列分布。图2 1 ( b ) 是静态 磁性联轴器内外磁钢的相对位置n6 | 。 ( a )( b ) 图2 1 磁力泵用磁性联轴器的结构 卜泵轴；2 - 泵盖；3 一密封圈；4 _ 外磁块；5 一外磁钢体；6 - 驱动轴；7 - 隔离套； 8 _ 内磁钢体；9 _ 内磁块 当磁力泵工作时，内外磁钢的状态见图2 2 所示，即内外磁钢产生了一相位 角。 图2 - 2 磁性联轴器工作状态内外磁钢的位置 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。当驱动轴旋转瞬间，内磁转子存在 5 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 叶轮负荷，最初保留在原来位置。外磁转子旋转到一定相位角时，由于内磁转子 磁块n - s 及与外转子磁块s n 极产生吸引力只，在内磁转子下一磁块s n 极与外 磁转子磁块n s 产生拆力e ，县与e 合力f 。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、外磁块的相位角不变。即内外磁 转子是同步旋转的。当负荷变小时，f 力矩大于阻力矩，f 减小，相位角护变小， 只、e 变小，使得f 力矩与阻力矩再次平衡。 2 2 磁转子的矩角特性 图2 - 3 内外磁钢受力图 分析和实验表明，磁力矩z 和内外磁钢之间错开的角度口并不是呈线性变化 关系，而是按正弦规律分布，如图2 4 所示。它表明，当8 = 0 时t - - 0 。当日逐渐 增大时z 也增大，但有饱和倾向。当日达到某个数值- - - 吼m 时( m 磁极数) ，t 达到它的最大值x 。当日继续增大时，z 随之减小，直至为零。当内磁转子负 荷变大时，相位角增大，当相位角增大到极限时，内外磁转子将滑脱不能同步， 内、外磁钢在磁力线交变切割作用下很快退磁。 6 江苏大学硕士学位论文 2 3 磁转矩的经验计算 i ( 0 ) f 0 气 - 1 尔 心。 o i 图2 4 内外磁钢相位角与转矩关系图 在磁性联轴器的设计中，磁转矩的计算十分重要，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。这里将 介绍两种工程上常用的计算磁转矩的方法。 2 3 1 高斯定量求解法【1 5 , 1 7 这种方法是采用高斯定理和永磁材料的b - h 曲线来求解磁转矩的。通常是将计算式 编成程序，在计算机匕对各种磁路模型进行反复运算，改变已知参数进行优化设计的工 程上常用的一种计算方法，其转矩表达式为 z = ( 志2k 朋月m s t h r s i n ( 孚) c 埘c m ) c 枷 式中： 酪- 磁路系数，磁路不同，k 值不同，对于工程上常用的组合推拉磁路， k - - 4 - 6 4 ； 卜兹化酸，m = 警 岛，广_ 工作点的磁感应强度和磁场强度； 仔咏磁体产生的磁场强度，日= 1 4 n m ( 1 一告) 7 7 ( 仇) ； 心t ；+ t ： m 极面形状的经验系数，扇形面n j = 1 0 5 ，矩形面m - 1 2 4 ； 7 钉兹体厚度，c m ； 矿一工作气隙宽度，c m ； 铲磁极弧长，t o = l 2 ( 内磁极外弧+ 夕h 磁极内弧) ，c m ； 融气隙中心到旋转中心的半径，e r a ： 矽转差角，度。 当s i n 碍夕) = s i n 9 0 。时，转矩达到最大值。即内外磁体的位移为磁体在移动方向的 宽度的一半时转矩达到最大。 2 3 2 经验公式求解法【1 5 】 这种计算方法求解气隙中心的磁场强度，可按内外相对应的两块磁体的磁场强度的 叠加进行计算，其值分别为 ( 2 - 2 ) 耻b 吖rl t _ 1 名以l s + 3 鬈x l 露b 石赤学赢 c h s = h l + h o 式中： q 内磁转子上永磁体产生的磁场强度，o e ； 日。外磁转子上永磁体产生的磁场强度，o e ； 以工作气隙中的磁场强度， 耳永磁体剩余磁感应强度，g s ； 工作气隙宽度，c l l l ； 厶永磁体轴向长度，a l l ； k l 内永磁体内弧长，a m ； 8 ( 2 - 4 ) 江苏大学硕士学位论文 k ：内永磁体外弧长，c m k ，外永磁体内弧长，锄； k 。外永磁体外弧长，a m ； 内永磁体厚度，c m ； - 外永磁体厚度，锄。 当外磁转子被电机驱动旋转后，由于内磁转子存在负载转矩，所以只有在内外磁转 子相差一个口角后，内磁转子才开始同步转动。当转角旋转到a 2 时，由于内磁转子上 的永磁体受到邻近两块外磁转子匕永磁体的吸力局和足斥力的联合作用产生一个最大 转矩，该转矩与磁场之间的关系可按公式2 - 5 计算： k = ( 去) 2 去以s m 尺旧c m ) ( 2 _ 5 ) 式中： e 永磁体剩余磁感应强度，卫 以工作气隙中的磁场强度，o e ； 瓯内外永磁体磁极相互作用的总面积，c m 2 ； 尺一内外永磁体平均作用半径，c m 。 从式c 2 5 ) 可以看出，最大磁转矩7 麟与永磁体的剩磁、气隙中心处的磁场强度、永 磁体的几何形状、气隙长度、永磁体的剩磁密度有关。因此根据公式可以找出磁转子的 最佳设计方案，从而避免设计的盲目性。经验公式求解法作为种简易快速的工程设计 方法，具有一定的实用性。 2 4 涡流损失的分析 2 4 1 涡流损失的产生 根据电磁感应原理，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。当外磁转子带动内磁转子同步旋转时，相当于隔离套相对于 磁场转动。图2 - 5 所示的就是一段隔离套相对磁场顺时针旋转。由于相邻磁极磁性相反， 结果在隔离套中产生感生电流，此感生电流在隔离套内自行闭合，像流体的旋涡样， 式中： r 磁性联轴器的输出功率； p w 涡流损失功率，一般为5 反，产生一反力 ( 撕) 图2 - 5 涡流的产生 2 4 2 涡流损失的计算 精确计算涡流损失的数值是比较困难的，但是如果能比较准确的把握隔离套内涡流 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，是设计磁力泵的重要条件。 涡流的反扭矩可以通过试验测量得到，也可以通过计算来预测。根据测试数据分析 提出了一个与磁路计算不直接联系的确定涡流反转矩和最大静磁能转矩的比率公式 【1 5 l ： mo 二巳：2 9 x1 0 8 刀，旦( 2 - 7 ) k夕 式中： 巧涡流反转矩，n i n ； z 觚最大静磁能转矩矩，n m ； ，r 糍，r i n i n 1 ： r 书鬲离套平均半径，m ： 1 0 江苏大学硕士学位论文 万隔离套壁厚，m ； 夕隔离套材料的电阻率，q i i l 。 根据m 删方程推导出隔离套中涡流功率损失p w 为【1 8 1 ： 只= 胁。( 岛耐叫2 吾而d l = r 百万3 n 矿2 8 2y ( w )( 2 - 8 ) 式中： r 电机转速，r r a i n ； 卜隔离套壁厚，m ； 7 电导率，s m ： r 隔离套内半径，m ； 如电流密度，a i m 2 ； 氐磁感应强度，t ； 卜磁化长度，m 。 此外工程上还有如下计算方法计算涡流损失： 耻4 万3 d y l x r xpt df 2 8 0 2 ( k 哪 式中： d y 隔离套内径，m 5 工磁极轴向长度，m ； 三石隔离套轴向磁化长度，m ；l x = ( 1 0 1 - - 1 0 5 ) l ； p 隔离套材料电阻率，q m ； t d 隔离套壁厚，c i l l ； 作用在隔离套上的磁感应强度，g s ： 厂磁极工作频率，h z ： 仉磁化系数，根据d y ，l 。的特征尺寸确定。 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： ( 2 9 ) 取较大的电 的一次方成 值，有利于 磁性联轴器中增加了隔离套导体，单一的气隙旋转磁场则变为磁场与感应电场的耦 合场。国内外学者在对磁性联轴器的气隙永磁场研究方面积累了大量的经验，尤其是随 着c a e 技术的不断应用，已经能够快速准确地对不同几何形状、尺寸，不同磁性材料 的磁性联轴器的气隙磁场进行数值模拟、磁转矩计算和几何尺寸优化设计等【1 9 - 2 1 。目前， 国内针对磁性装置中磁涡流场的研究大多采用经验公式求解法，在一定范围内可以满足 、 设计需要。但是也有明显的不足，主要表现在以下几个方面： 1 要依赖一些来自有限几种典型结构的经验系数和经验公式，离开这些结构所覆盖 的范围就会导致很大的偏差甚至错误，所以这类方法缺乏普遍性，只有有限的理论预言 范围； 2 很难仔细考虑磁性材料的非线性，所以计算精度比较低； 3 基于磁路计算只能给出积分意义下的机构各部分的能量平均值，而不能给出机构 各处微分意义下的磁场分布的真实情况。这意味着不能掌握永磁磁极在不同矽角度下各 个局部的工作点，以至不能在设计阶段防止磁转子运行后产生的不可逆退磁，也不能设 计在较高温度下能可靠运行的磁力泵。 本课题在磁性联轴器磁场数值模拟的基础上，对磁性联轴器不同磁转角下的磁转矩 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 5 1 电磁场数值分析法 自m a x w e l l 提出“位移电流 新概念并且建立m a x w e l l 方程组以来，电磁场直沿 着高频微波技术和低频电工技术发展圈。把场的问题转化成路的问题进行处理，在相 1 2 江苏大学硕士学位论文 当长的一段时间里是设计电工产品的主要方法。磁性联轴器中的电磁场研究是基于 m a x w e l l 方程组，将电磁场计算归结为一定边界条件下对偏微分方程组的计算，各种求 解偏微分方程组的数学方法也可以适用于研究磁性联轴器中的电磁场问题。常用的方法 般为解析法和数值分析法两大类。用解析法求解得到的结果可以清晰的反映出各变量 之间的函数关系，对整个问题可以有个全面的认识和了解，因此解析法一般只适合于 简单的场合，在考虑磁性联轴器中的漏磁、边缘效应以及磁饱和现象时，用解析法无法 建立准确的模型。 数值法是个基于离散化的问题，它使电磁场问题的分析研究从解析的经典解法进 入到离散系统的数值分析法，从而可以通过计算机辅助分析获得高精度的离散解。 e s i l v e s t e r 和m v i c c h a d 最早将有限元引入到电磁场计算中，这是电磁场数值计算分析 中的一个重要转折点。电磁场数值分析主要有三种方法：有限差分法、矩量法和有限元 法。近二十年来，由于数值处理技术的提高，如采用c h o l e s k y 分解法、i c c g 法和自适 应网格剖分等方法，使得有限元在电磁场数值计算中越来越占据主导地位。 有限元法以变分原理为基础，有剖分插值的方法建立起各自自由度空间的相互关系， 把二次泛函的极值问题转化为一组多元代数方程组来求解。目前，有限元法已涉及到瞬 态涡流场、非线性涡流场和非线性瞬态涡流场的计算。磁性联轴器没有确定的磁路，与 传统的磁力计算方法相比较，有限元方法的适用面更广，能够描述磁性联轴器的气隙磁 场以及导体中磁涡流分布情况。其核心在于将连续的场域看成由有限多个小区域组成， 利用离散化将连续的电磁场问题变为有限节点数的计算，通过选着合适单元的大小和形 状，使近似解达到满意的精度，不仅适用于复杂的几何形状和边界条件，而且能够处理 各种复杂材料性质问题，其应用范围十分广泛阎。 2 5 2 有限元计算的控制方程 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 方程组的微分形式可写成刚： 乳，可 ( 2 - 1 0 ) 【v 曰= 0 式中： v 矢量微分算子； 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 j 2 r e ( 2 - 1 1 ) 1 一 - 【e = 日 隔离套磁导率，h m , y 隔离套电导率，s m 当考虑铁磁材料曰坷的非线性特性，则是h 的函数。 f 。覃去b 归一去曰2 础 协 z = 可去c 椰矿b 一去酽r 础 躬) ： z 真空磁导率，4 0 = 4 x x 1 0 7 h m 。 i b = v a 应：一v 一号事 2 - 1 4 1 4 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。 磁转子的磁场计算是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l ，将磁场分布的三维问题当作二 维问题进行处理。计算长度三为 t = 厶一( o 8 1 2 以 ( 2 - 1 6 ) 2 5 3a n s y s 分析磁场原理 电磁场的分析和计算通常归结为求微分方程的解。对于描述磁力泵内部电磁场的偏 微分方程，使其解成为唯一的辅助条件可以分为两种：一种是表达场的边界所处的物理 情况，成为边界条件；另一种是为确定场的初始状态，成为初始条件。目前永磁转子中 电磁场问题主要研究的是没有初始条件而只有边界条件的定解问题边值问题圆。 边界条件通常有三种情况： 1 d i r i c h e t 条件：在这种边界条件中，最常是定义a = 0 ，它意味着阻止磁通穿过边界。 zn e u m a n 条件：定义了沿边界a 的法向分量通常取娑：0 ，这种定义保证了磁场 d n 垂直边界穿过，高磁导率的金属边界属于这种边界，物理模型中，不同介质的交界线( 与 永磁体交界线除外) 属于这种边界。 3 r o b i n 条件：也称混合边界条件，描述了a 与它的法向分量挲的关系，物理模 a 咒 型中永磁体交界线属于这种边界。 a n s y s 程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达式，包括各项正交各项异性的 线性磁导率，材料的b - h 曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能能显示磁力线、磁通 密度和磁场强度并进行力、力矩和其他参数的计算。 a n s y s 电磁场分析可以分为四个阶段： 基于数值模拟的冲压磁力泵研究 1 定义物理环境，包括为每个永磁体( s m 2 c 0 1 7 ) 建立局部坐标系，并定义其相对磁导 率和矫顽力，对于轭铁( d t 4 ) 输入相对磁导率，隔离套( 1 4 ) 定义相对磁导率和电阻率； 2 对求解对象进行几何建模，然后对把已选的单元、定义的材料以及坐标系分配给 模型的各个区域，其中定义隔离套所在的单元的速度，速度单位为r s ( 比) ； 3 对单元进行网格划分，单元网格的疏密程度根据具体情况