（机械设计及理论专业论文）一种螺旋往复式磁力驱动自动清淤器研究.pdf

中南大学硕+ 学位论文 摘要 摘要 电磁流量计的内壁结垢一直是有色冶金行业普遍而突出的问题，由于内壁 结垢致使流量检测不准确，导致对生产过程参量的控制难以准确化，影响生产 效率和产品质量。在此背景下，防止、消除电磁流量计的内壁结垢成为了各企 业的急切期待。综合考虑电磁流量计工作原理、物流的物理化学特征，本文设 计、研制了一种非接触磁驱动式自动清淤器。论文的的主要研究内容如下： 1 以实现非接触传动、螺旋往复清淤运动为目标，设计了一滑轨螺旋 运动转换和内外磁力非接触传动为主体的筒式清淤装置。 2 以获得较大磁力传动力矩，在保证小的流体阻尼条件下，对清淤器磁转 子的永磁体材料、磁路形式、磁极对数、磁隙、永磁体的厚度和长度、轭铁的厚 度进行了优化设计，计算出耦合力矩。采用a n s y s 有限元分析软件分析了磁转 子的磁路和磁感应强度分布图，并分析了磁力组合推拉磁路的运行机制，计算出 耦合力矩并对比分析了其它各种磁路。 3 对自动清淤器进行总体设计，详细设计了导轨、滑槽及连接部件、外磁 转子位置传感器以及以间隙、自动清淤为目标，采用定时控制技术设计了清淤器 控制系统，实现了自由设定开机、停机时间的自动清淤功能。 4 实验验证耦合力矩和效率的分析结果，工业试验表明，研制的磁力驱动 自动清淤器可实现对电磁流量计在线清洗，在冶金行业具有广阔的应用前景。 关键词：磁转矩，磁转子，优化设计，有限元分析 中南大学硕士学伊论文 摘要 a b s t r a c t t 1 1 ed e p o s i t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sa l w a y st h es e r i o u s p r o b l e m so ft h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y t h ed e p o s i t i o no fi n w a l lm a k e s t h em e a s u r eo fe m fi n c o r r e c t i tb r i n g st h ed i f f i c u l t i e so f p a r a m e t e r s c o n t r 0 1 a f f e c t st h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n d p r o p e r t i e s u n d e rt h i sb a c k g r o u n dt h ew a yt op r e v e n ta n dc l e a rt h e d e p o s i t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sh o p e df o rb ya l l m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y c o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fe m fa n d p h y s i c o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h em a t e r i a lt h i sa r t i c l ed e v i s e san e wa u t o m a t i c - - c l e a n i n gd e v i c e w h i c hi sn o n - c o n t a c tw i t hp i p e s t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sa r t i c l ei sa s f 0 1 l o w s ： 1 t od e v i s e sak i n do fb a r r e l t y p em e c h a n i s mw i t ht h ep u r p o s eo f n o n e o n t a c t c l e a r i n gm o v e m e n tb yt h ew a yh e li c a l t r a v e r s e t h e m e c h a n i s mi sc o m p o s e do ft r a n s f e rd e v i c e o fr a c ka n dh e l i c a lm o v e m e n t 2 t h eo p t i m a ld e s i g no fp e r m a n e n t - m a g n e t m a t e r i a l ，p l a c e m e n t 。n u m b e r ， t h ed i s t a n c eo ft h ei n n e ra n do u t e rr o t o r s ，t h i c k n e s s ，l e n g t h ，y o k e i r o n st h i c k n e s sa n dt h ec o m p u t a t i o no ft h em a g n e t i ct o r q u eo ft h e r o t o r sw i t ht h ep u r p o s eo ft h eh i g h e rm a g n e ti ct o r q u eo ft h er o t o r s a n dt h ew e a k e rd r a gf o r c eo fm a t e r i a l t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fr o t o r su s i n gt h ea n s y ss o f t w a r e ，g a i n e dt h ep l o to ft h em a g n e tf l u x l i n e sa n dt h em a g n e tf l u xd e n s i t y ，a n a l y s e dt h em e c h a n i s mo fr u n n i n g ， c a l c u l a t e dt h em a g n e t i ct o r q u eo ft h er o t o r sa n da n a l y s e dt h eo t h e r r o t e r s 3 t h et o t a ld e s i g no ft h ea u t o m a t i c - - c l e a n i n gd e v i c ea n dt h ep a r t so f t r a c k ，c o n d u i ta n di t sc o n n e c t i o n ，p o s i t i o ns e n s o ro ft h eo u t e r r o t o r s ，c o n t r o ls y s t e mm a k i n gu s e d o ft i m e ra n da c c o m p li s h i n gt os t a r t a n ds t o pc l e a r i n go n t i m e 4 t h ec h e c ko ft h em a g n e t i ct o r q u eo ft h er o t o r sa n di t se f f i c i e n c yb y 中南大学硕士学竹论文 摘要 e x p e r i m e n t i n d u s t r i a lt e s t si n d i c a t e st h a tt h ea u t o m a t i c - - c l e a n i n gd e v i c e d r i v c db yp e r m a n e n td r i v i n gc a nc l e a nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w r a c t e ro nl i n ea n dh a s e x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y k e w o r d ： m a g n e tt o r q u e ， o p t i m a ld e s i g n ， m a g n e t i cr o t o r s ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s l l i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 磁力驱动技术的原理及研究现状 磁力驱动是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作 用，来实现力或转矩( 功率) 无接触传递的一种新技术i l l 。该技术早2 0 世纪3 0 年代就己被人们所提出，但是由于当时对这一技术尚缺乏足够的认识，而且也受 到永磁材料发展局限性的制约，因此在这时期内虽然对这一技术进行很多的实验 研究，但未取得较大的进展。2 0 世纪5 0 年代一些科学技术工作者又提出了对这 一技术的重新探讨、研究和研制，虽有一些进步，但由于条件的限制，其结果基 本与以往一样 2 1 2 0 世纪7 0 年代起随着现代工业的进步和发展，工业生产中日 益重视对新技术的需求和对环境的保护，西方发达国家还相继制定了严格的环境 保护和产品可靠性等法规，促进了新技术，新产品的开发和利用。磁力驱动技术 在这一时期又被一些科技工作者重视和关注，从而引起了进一步的深入研究，因 此有了很大的发展和工业的逐步应用，如磁力驱动技术在泵上的应用就是显著的 一例。随着工业的发展，对工业用泵轴封的泄露问题提出了苛刻的要求，因此开 发无泄露全密封的各种设备就成为工业界的重要课题。由于技术上的突破和设计 设计工艺等方面的改进，使磁力驱动的可靠性和经济性均有较大的提高。因此进 入2 0 世纪8 0 年代后，磁力驱动技术在工业上的应用得到迅速发展，磁力驱动设 备已成为石油、化工，制药等许多领域中的常用设备。 磁力驱动密封装置也叫磁力耦合器或磁力联轴器，磁力耦合器由主动机构和 从动机构两部分组成，其工作原理如下。 在静止状态时耦合磁极n 和s 极相互吸引并成一直线，其转矩为零。当主 动机构在外力作用下旋转时，从动机构由于摩擦力作用等关系，在主动机构开始 旋转的瞬时，从动机构仍处于静止状态。当耦合磁极的滑移角达到一定值并足以 克服从动机构的摩擦力矩时，从动机构就随着旋转，这时从动机构或( 或主动机 构) 的一个磁极始终受主动机构( 或从动机构) 的两个磁极的吸力和斥力作用， 所有磁极都处于。啮合”状态，如同齿轮联轴器的工作状态】。因此，当主动 机构旋转时从动机构也随着同步旋转用隔套将从动机构及介质屏蔽，与外界隔 离，磁力线穿过隔套，实现无接触的密闭传动，不存在动密封，密封可靠，无泄 中南大学硕士学位论文第一章绪论 露。 磁力驱动技术的应用特点 6 1 1 可将轴传递动力的动密封转化为静密封，实现动力的零泄露传递 磁力驱动传递力或力矩，是利用磁场力作用特性而实现的。由于磁力驱动并 不需要两个永磁件之间相互接触或连接，因此当主动件旋转时，在磁场力的作用 下即可实现从动件同时进行旋转，而隔套内外之间不需要主动轴穿过隔套来达到 工作的目的，从而可实现动力传递过程的静密封状态，彻底做到零泄露。 2 避免振动传递，实现工作机械的平稳运行 由于主动件与从动件相互无接触，不存在刚性连接问题，因此在主动件发生 突变或振动时都不会直接传到从动件上。同时从动件发生突变或振动时同样也不 会影响主动件的工作状态，从而可避免振动或突变的传递，实现工作机械的平稳 运行。 3 可实现工作机械运行中的过载保护 在主动件与从动件无刚性连接的条件下，设计时可适当增加工作转矩以增加 安全运动感，但当从动件负载突然增加超载过大时，两件之间可产生滑脱而结束 转矩的传递，对电机起到了保护作用。 4 与刚性联轴器相比较，安装、拆卸、调试、维修均较方便 磁力驱动式装置在结构上较为方便，主动件与从动件之间存在问隙，因此易 于安装拆卸和维修，既可减少设备维修的难度和劳动强度，又可提高设备的工作 效率。 5 磁力驱动传递力的运动方式 磁力驱动传动力时可作直线运动、旋转运动以及直线运动与旋转运动相结合 的螺旋型复合运动；同时与不同机械结构设计相结合，实现三维空日j 的有序运动、 其它一些不同方式的运动或一定距离的位移及任意角度的定向运动。 6 可净化环境，消除污染，实现文明生产 环境保护是我国经济可持续发展的一项基本国策，在石油、化工、制药、有 色金属冶炼，食品等行业的生产流程中，物料输送时应用磁力驱动泵可完全避免 有毒、有害、易燃、易爆、强酸、强碱等腐蚀性介质的泄露，既保护了操作者的 安全，又防止了对环境的污染。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 虽然磁力驱动技术比较完善，但磁力驱动技术在应用中仍存在一些问题。 1 场的存在可干扰周围环境 磁场在某一空间的存在干扰了周围环境，使某些应避免磁场干扰的仪器与设 备的使用受到了限制。 2 磁力驱动器在启动过程中易产生滞后 在启动运转过程中主动磁转子的磁转角与从动磁转子的磁转角存在着转角 差并随着时间变化而变化：在正常运转中负载转矩变化时磁场力转矩也同样发生 变化，从而导致主，从动件之间产生错动，因此在要求精确设备的使用上受到了 限制。 3 磁力驱动器与接触式密封装置相比较，效率相对较低 这主要是因为采用金属材料作为隔套时，由于金属隔套处于正弦交变磁场 中，该磁场不但大小变化而且方向也发生变化，因此由于这种变化可导致金属材 料隔套中在垂直于磁力线方向的截面上感应出涡流电流。这种涡流的产生，既能 减弱工作磁场，降低传递转矩，又可以产生涡流损失，并以焦耳热的形式释放出 能量，从而消耗7 主轴的一部分传递功率，降低了传递效率。 英、德、日、美、意等国对磁力技术研究和开发较早。比较出名的公司如英 国的h m d 、s e a ll o s s ，德国的d i c k e r 、k l a u s 、k c a c s ，美国的d r e s s e r , 日本的三和 特殊制钢株式会社等，他们对磁力驱动技术研究都比较透彻。 当今国际上磁力技术发展最快的是德、英、日、美等国家。日本主要在7 5 k w 以下功率领先，特别是其塑料泵，工艺、质量都很好，日本国内化工行业已普遍 使用。德国已发展到3 0 0 k w 。英国h m d 公司近年研制的两级磁力驱动泵，其流 量为5 6 0 m 3 h ，扬程为5 0 0 m ，输送介质温度达2 0 5 。c ，功率达3 5 0 k w 我国较早开展磁力驱动泵研制的甘肃省科学院磁性器件研究所，已先后成功 地试制了稀土钴磁力驱动器和磁力驱动泵的系列产品，其技术水平在某些方面已 达到国际先进水平。该所开发的新型组合推拉式稀土钴磁力驱动器和磁力驱动设 备，已投入大批量生产，在许多工业部门中得到了广泛的应用。所生产的磁力驱 动泵的功率已达到1 8 5 k w ，流量1 5 0m 3 p a ，扬程达3 8 0 m 。 目前除甘肃省科学院磁性器件研究所外，国内一些泵生产企业也都在搞磁力 驱动泵的试生产和工业应用。主要产品为小功率泵，多用于中小型化肥、化工等 工业部门中 3 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 从国内外磁力驱动泉的发展情况看，目前的发展方向是小功率向大功率方向 发展，在使用的技术要求以及产品的结构设计、内在质量、工艺性能等方面也越 来越高。 近年来正在开发的特种工程用塑料磁力驱动泵，特别是小型泵，发展十分迅 速。近几年随着具有高强度、耐磨和耐高温的纳米材料的问世及纳米磁性材料研 制的研制成功，将会使磁力驱动泵的应用领域更加拓宽，在化工、制冷、汽车用 泵、加热循环系统、饮料业和日常生活用泵等领域中，必将得到进一步的应用， 发展前景十分可观。例如：英国t o p t o n 泵公司开发的高扬程磁力驱动泵，其零 件采用聚丙烯或耐化学性能的聚偏二氟乙烯( p v d e ) 注塑成型，泵壳耐压 1 5 m p a ，耐液温1 5 0 。c 。德国r i c h t e r 公司，日本的岩本公司等开发的普通泵、 旋涡泵、多级泵其泵壳、叶轮均采用聚四氟乙烯，轴承采用高密度和高纯度氧化 铝陶瓷制造。我国开发生产的磁力驱动离心泵轴承采用三氧化二铝陶瓷制造，叶 轮、泵壳、隔套均采用聚四氟乙烯( f 4 ) 、六氟丙烯( f 6 ) 共聚物制造。目前氮化 硅、碳化硅、氧化锆等陶瓷轴承也已投入试用。 随着磁力驱动技术的应用和研究开发，进一步开拓了磁力驱动技术的应用领 域，除了各种磁力泵，还应用在反应搅拌斧、真空设备、高速机床、阀门的传动 机构、液压传动机构、仪器仪表、检测机构等设备和装置。 磁力驱动技术发展到现在已使人们产生了较新的认识，设计与技术较为成 熟，工艺、生产较为完善，磁力驱动技术的应用具有很大的发展空间。 1 2 磁力驱动自动清淤器的研究意义 随着信息时代的到来，自动化大生产必然是各个行业的发展方向。我国有色 金属冶炼行业要形成自己的核心竞争力，必须在生产上有所突破。自动化生产必 须要求检测手段的自动化。有色冶金行业物料的自动检测一般是利用电磁流量计 的数据直接输入到计算机终端，而物料传输管道的结垢一直是在有色冶金行业突 出问题，它会对在流量计衬里和电极结上一层污垢，影响流量计的准确测量，因 而影响了生产工艺要求和生产过程的自动检测，因此防结疤型流量检测仪研制对 整个有色冶金行业具有革命性的意义。 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量 的仪表。其检测原理如图1 - 1 所示。 4 中南大学硕十学位论文第一章绪论 图1 - 1 电磁流量计检测原理 e = k b d v e 一感应电动势，即流量信号； k _ 系数； b 一磁感应强度，t ； 伊一测量管内径，m ； v 一平均流速，m s 设液体的体积流量为 吼= 力2 p 4 ，则 e = ( 4 k b z l ) ) q v = 均， k 为仪表常数，k = 4 k b 恤d 电磁流量计由流量传感器和转换器两大部分组成。传感器典型结构示意如图 1 2 ，测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极 装在测量管内壁与液体相接触。引出感应电势，送到转换器。激磁电流则由转换 器提供。 图1 - 2 电磁流量计传感器结构 5 中南大学硕十学付论文第一章绪论 衬咀和电极结垢可导致磁场强度下降( 屏蔽作用) ，使输出电仃正减小，但流 量汁在流量计算时将d 、b 、k 视为常量，因此流量计会显示出流量减小了，但这 一流量减小并不代表真正意义上流量减小，是由测量误差导致。当结垢到一定程 度后，流速增加导致的输出电压上升超过磁场强度下降造成的输出电压下降，此 时输出表现为流量上升的奇异结果。这种由结垢带来的流量奇异变化使现场技术 人员无法得到真实流量数据。尤其在氧化铝生产中，料浆的结垢十分严重。结垢 的主要成分是铝硅酸钠，质地- 簪硬而又附着力强。传感器结垢后，需要定期进行 清理，如果不进行清理则管径改变，测量误差增大。但清理结垢是十分困难的事， 结垢的清理往往要影响到传感器的使用寿命。在检修过程中通常采用以下方法处 理 7 l ： ( 1 ) 机械除垢 用于强腐蚀性物料流速测量的电磁流量计的衬里一般为聚四氟乙烯，采用机 构除垢，容易损坏衬哩，有时也会损坏电极。 ( 2 ) 化学除垢 利用5 l o 硫酸冷泡，硫酸与结垢( 铝硅酸钠) 中的钠起作用，生成可容性 硫酸钠，从而破坏铝硅酸钠结构，使结垢松软，并使之脱落而达到除垢的目的。 以上两种方法都必须在传感器拆之后才能进行清理。仪表维护及检修人员 的工作量比较大。因此设计一个能在线对电磁流量计进行定时清洗的装置就很有 必要了。 目前对电磁流量计的清洗研究也比较多，清洗方法也各种各样，比如采用机 械刮除器对流量计电极进行清洗，如图1 3 所示。当从外面转动细轴时，刮刀紧贴 电极端平面转动，刮除污垢。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图l 一3 机械刮除器示意图 还有可更换的电极结构，如图1 4 所示。弹簧的作用使电极只能从引管挤进 测量管，阻止反向移动。更换时，打开电极盒的的盖子，用新的电极向管内对准 旧的电极挤去，实现电极替换。 图1 - 4 可更换的电板结构示意图 还有钢丝刷除垢，见图卜5 ，通过钢丝刷的运动实现清洗电极。 7 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 图1 - 5 钢丝刷除垢结构示意图 研究出来的装置各种各样，而缺点是没有对电磁流量计的衬咀进行清洗，更 重要的是因为采用机械密封，因此肯定或多或少出现管道泄露，这在工业生产之 中是步允许的，特别是在一些化工行业。 还有一些其它清洗方法，比如运用权重函数理论的电磁流量计的设计，或改 变电极的形状，虽然国内外对各种类型的流量计研究颇多嘲，但所有这些改进效 果不是很明显。基于权重函数理论的电磁流量计在理论上就存在分歧，产品效果 也不是很好嘲。电极形状的改变并不能使流量计衬哩污垢状况得到改观，而目前 的一些应用实例也表明改进形状的电极仍然会积垢，因此针对工作在有色金属冶 炼恶劣工况下的电磁流量计的研制一直没有突破性进展。 磁力驱动自动清淤器利用磁力带动一个毛刷对流量计的衬里和电极进行高 效清洗。自动清淤器是用在物料管道上的，因此可以把物料管道理解成隔套，明 显属于同轴型的，因此自动清淤器采用同轴型磁力耦合器结构。电磁流量计的工 作原理就是电磁感应，因此清洗装置不能对流量计的工作产生影响，考虑永磁铁 的磁场的能很快哀减的特点，因此可以在远离流量计处安装自动清淤器。 磁力驱动最大的特点是非接触式磁力耦合，由于应用磁力驱动密封装置的机 械设备没有轴封结构，故不存在动密封，能实现高压、真空机械设备密闭传动， 密封极为可靠，可以达到无泄露，不损失物料，不污染环境，所以在冶金化工、 石油化工、煤化工、生物化工和医药等行业得到广泛的应用。因此要想在外界能 对电磁流量计电极和衬里进行有效清洗可利用磁力来驱动。 s 中南大学硕士学位论文第一章绪论 自动清淤器是安装在管道上面的，平时清淤器不工作时只要停止带动清淤器 的电机即可，不用拆下来，要工作只要启动电机就行了，能实现在线清沈，减轻 了电磁流量计维护人员的工作量。 1 3 论文的研究目标和主要研究内容 1 3 1 研究目标 根据电磁流量计的应用场合，设计一个能对流量计的衬里和电极进行在线高 效清洗的机械装置，对其关键部件一内外磁转子进行优化设计，并进行有限元 分析和实验验证。 3 2 主要研究内容 1 自动清淤器整体设计和关键部件设计 ( 1 ) 整体机构设计 ( 2 ) 关键部件设计 2 磁转子的优化设计 ( 1 ) 磁转子磁铁材料和磁路设计 ( 2 ) 研究出最理想的优化数学模型 ( 3 ) 选择最佳的优化方法 ( 4 ) 求出优化参数 ( 5 ) 根据优化结果对其它参数进行优化设计 3 磁转子的有限元分析 ( 1 ) 校核由理论公式计算出来的组合推拉式磁路的耦合转矩 ( 2 ) 分析其它各种磁路的耦合机理 ( 3 ) 对比各种磁路的磁场分布和磁转矩 ( 4 ) 定性分析组合推拉式磁路的优点 4 实验 ( 1 ) 祸合磁转子静态性能分析 ( 2 ) 耦合磁转子动态性能分析 9 中南大学硕七学位论文 第_ 二章自动清淤器功能与原理设计 第二章自动清淤器功能与原理设计 防止电磁流量计的内壁结疤的方法很多，然而所有的方法都离不开其具体 的应用环境。有色冶金行业尤其是氧化铝行业的电磁流量计结疤与石油、医药 等行业的结疤不同，其结疤更严重，范围更广，速度更快，而且不容易清洗。 2 1 氧化铝行业中物料计量技术现状 2 1 1 电磁流量计在氧化铝行业中的应用 在氧化铝生产中，从铝矿石到生产出合格的氧化铝产品，需经过多次物理 化学反应，生成多种中间料浆，如石灰乳、生料浆、原料浆、混合赤泥、熟料 浆、原液、母液等，这些料浆因其在生产中所处的工序不同，成分亦不相同， 大多数具有温度高、腐蚀强、易结疤等特点。 流量计的种类很多，有压差、涡流、浮子、电磁、超声波等形式流量计， 压差、涡流、浮子等流量检测技术均会影响实际流道，而且在输送矿浆两相流 液体时，检测仪通流部件易磨损，故一般不用。目前，我国绝大多数氧化铝厂 使用的流量计为电磁流量计，少数采用超声波流量计。这两种流量计均具有使 用方便、不改变正常流道面积的特点。 2 2 电磁流量计在氧化铝行业中的工况 山东铝业公司的提供的数据表明有的电磁流量计一装上就开始结疤，一般 的结疤速度是2 毫米，月，结疤情况与管道一样，结垢的主要成分是铝硅酸钠，质 地，呸硬而又附着力强。 物料的性质也比较恶劣，物料温度约为8 0 9 5 。c 的高温强碱液，有的物料 的温度高达1 2 0 c ，并且料浆中含有约1 0 0pm 的颗粒。由于管道之间的焊缝有 焊渣或料浆仍存在铝矿石的颗粒，因此物料还存在少数大的颗粒。如此严重的 结疤，流量计在工作约半个月时，读数约下降一半。 电磁流量计的工况决定了清淤器装置要求： l o 中南大学硕七学伊论文第_ 二章自动清淤器功能与原理设计 1 能耐高温、强碱： 2 具有运动灵活性，不受颗粒的影响 3 具有防泄漏功能 4 装置可控，可根掘各流量计具体结疤情况定时清洗 5 结疤不同，工作阻力不同，因此工作驱动力可根据结疤情况来调节 2 2 永磁传动结构与特点 因为永磁驱动独特的功能和多样的结构形式，决定了自动清淤器能对电磁 流量计内壁进行有效清洗。 2 2 1 永磁驱动的结构方式 按磁体冲磁方向和耦合磁极的排列不同，可分为平面型磁力祸合器和同轴 型磁力耦合器。磁体以轴向冲磁、耦合磁极成轴向配置的叫平面型磁力耦合器； 磁体以径向冲磁、耦合磁极成径向配置的叫同轴型磁力耦合器，见图2 - 1 、图 2 2 啪 图2 - 2 同轴型磁力耦合器 中南大学硕士学伊论文 第二章自动清淤器功能与原理设计 可以把管道理解成隔套，管道内部通有物料，不可能在两端安装主动、从 动机构，而管道径向其有自由空间，因此自动清淤器可以采用同轴型磁力耦合 器形式。 2 2 2 永磁驱动的特点 永磁驱动是利用主动机构运动时通过磁力耦合从动机构也随着同步运动。 由于其力的传递是通过磁场来实现的，因此其本身具有其它机械装置无法替代 的特点。 1 可将轴传递动力的动密封转化为静密封，实现动力的零泄漏传递 这可以很好的解决碱液的泄漏问题。其实以前很多的清淤装置的设计都是 动密封，虽然有些装置具有很高的应用价值，但由于没很好解决泄漏问题，因 此应用范围具有局限性。该类方法可能适合对泄漏要求不是太高的行业，如啤 酒行业。自动清淤器采用磁力驱动，可以把管内的清洗和管外的动力源分开， 实现零泄漏，完全适合对泄漏要求很高的氧化铝生产行业。 2 避免振动传递，实现工作机械的平稳运行 物料中的颗粒对清洗装置的运动肯定有影响，装置旨定会出现振动。机械 传动机构若全部是硬性的机械连接，管内的振动必然会影响到管外，结果是外 部的运动传递结构发生偏转，机构可能会卡住，因此装置的运动可靠性就有所 降低。磁力驱动情况就有所不同，由于磁力耦合的缓冲作用，它可以缓和激烈 的振动，把运动的影响因数降到最低度。 3 可实现工作机械运行中的过载保护和工作驱动力的自动调节 由电磁流量计的应用情况知道，有的流量计的结疤情况很严重，质地t 骚硬 的铝硅酸钠需要很强的驱动力，若是一般的机械装置则只是硬性根据工作阻力 来调节，工作阻力太大时，出现损害动力源( 电机) 。化学液清洗，一般会造 成对物料成分的改变，另一个缺点是，针对结疤严重的情况，清洗液可能不起 作用。自动清淤器则不同。自动清淤器的耦合原理如图2 - 3 所示。 中南大学硕七学位论文 第l 二章自动清淤器功能与原理设计 静态平衡状寿工作状杏 图2 - 3 耦合转角与工作状态 。角为耦合转角，静态平衡状态下，因为没有耦合力矩，因此内外磁转子 的耦合转角为o ；当工作阻力增加时，内外磁转子通过调节耦合转角。来改变 耦合力矩。力矩和转角关系如图2 - 4 所示。 n 0 入 fo 歹j n a m v 0 0 p , 2 r , 圉2 - 4 力矩与转角关系图 当工作阻力小时，磁转子减小祸合转角；当工作阻力大时，磁转子增加耦 合转角；当结疤严重工作阻力超出电机的负载能力时，磁转子脱耦，保护电机。 因此自动清淤器采用永磁驱动对流量计内壁进行清洗，适合流量计的多种结疤 程度。 4 多种磁力驱动传递力的运动方式 中南大学硕十学位论文第二章自动清淤器功能与原理设计 永磁驱动运动形式丁分为直线运动、旋转运动、复合运动以及其它些特 殊运动等。 自动清淤器一方面要对电磁流量计进行清洗，另一方面要不能肘电磁流量 计造成干扰，自动清淤器必须停在电磁流量计安装的上游测，因此纯粹的旋转 运动肯定不适用。由于制造和运动的误差，纯梓的直线运动也不能对流量计内 壁进行高效清洗。自动清淤器采用复合运动形式的磁路结构，这样对流量计内 壁清洗效果比较好。 2 3 自动往复清淤器功能与原理 2 3 ， 清淤而不干涉流量计工作 自动往复清淤器安装在电磁流量计的下游侧，不工作时整个装置静止，根 据电磁流量计的安装要求，此种装置对电磁流量计的测量没有影响。当清淤器 工作时，由于清沈用毛刷的螺旋运动，会对所测物料的流向状态造成影响，且 考虑磁转子靠近流量计也会造成一定影响，但清淤器的工作时日j 相对流量计的 整个工作时间是很短的，因此这种负面作用可以忽略不计。 清淤器不工作时与流量计和物料管道连接在一起，不用卸下来，不影响整 个系统的工序流程，不影响流量计的正常检测。 2 3 2 定时自动间隔清淤 电磁流量计一般都处于工作状态，其内壁的污垢会越结越多，需要对其进 行自动间隔清洗。内外磁转子是同步运动的，因此只要能实现主动机构的控制 就能实现整个装置的控制。自动清淤器采用电机作为动力源，因此装置具有良 好的可控性。对电机进行定时开、关就可以实现定时自动间隔清淤。 2 3 3 可靠性 因为自动清淤器的磁力祸合是柔性连接，因此即使因结疤严重也不会损害 主动机构。自动清淤器采用永磁驱动，因此能很好解决泄露问题，外部精密的 传动环境也不会被内部的物料所破坏。根据耦合力矩和磁转角关系可知，当工 1 4 中南大学硕士学位论文第一二章自动清淤器功能与原理设计 作阻力减小时，耦合转角会减小，耦合力矩和驱动力也会减小，因此清淤器玎t 以根据结疤情况自动调节工作驱动力，机构具有良好的运动稳定性。 2 3 4 往复一间隔一自动回位清淤原理设计 自动清淤器的结构示意图如图2 5 所示。 1 从动机构 4 毛屏q 图2 - 5 自动清淤器的结构示意图 2 主动机构3 管道 5 电磁流量计6 电磁流量计内壁 作螺旋运动的主动机构通过磁力耦合带动从动机构同步运动，固定在从动 机构的毛刷对电磁流量计内壁进行往复螺旋式清洗。装置静止时不能对电磁流 量计造成影响，因此需停在下游侧，要有停止自动回位功能，这可从对电机的 控制来实现。在对磁转子进行详细分析之后，将对自动清淤器进行机电系统设 计。 2 4 本章小结 分析了电磁流量计的结疤情况和自动清淤器的应用工况，对磁力传动的结 构和特点进行讨论，并针对自动清淤器功能、结构原理进行了设计。 中南大学硕士学位论文第三章磁转子磁路设计与优化 第三章磁转子磁路设计与优化 磁转子是自动清淤器的核心部件，磁转子的功能与结构影响到整个装置的 效果，因此需要对磁转子进行优化设计。磁转子的优化设计一般包括材料的选 择、磁路的设计和结构参数的优化。 3 1 磁转子材料和磁路设计 3 1 1 磁铁材料 磁力驱动器磁性材料的选用规则 1 根据使用温度、腐蚀、振动、结构等技术及环境条件，选用不同的磁性 材料，以满足技术与设计要求。 2 研究磁力驱动器在设备上启动、运转等特性状态，考虑优化设计磁路和 选材以及使用过程的可靠性。 3 进行使用情况的技术分析，合理地选用磁性材料，做到成本低，既经济 又实用。 各种永磁材料的磁特性、物理特性如表3 一l 所示。 表2 - 1 不同永磁材料的磁特性、物理特性 性能单位永磁材料 铁氧体 s m 2 c 0 1 7n d f e b a i n i c of e c r c o ( 钐钻)( 钕铁硼)( 铝镍钴)( 铁铬钴) 剩磁b r t0 3 91 0 51 1 71 1 51 4 k g s3 9 1 0 51 1 71 1 51 4 磁感应矫顽力 k a n l 2 4 06 7 6 8 4 4 5 l 7 4 磁 h 出 1 2 7 3 6 k o e 3 08 51 0 6 1 6 l0 6 5 5 特 内禀矫顽力 k 刖m 2 5 61 1 9 41 5 9 5 5 2 5 4 h q 1 2 7 - 3 6 性 k o e3 21 52 01 6 l0 6 6 1 6 中南大学硕士学位论文 第三章磁转子磁路设计与优化 最大磁能积k j f m ，2 72 0 9 9 62 4 7 2 6 38 7 5 6 4 7 7 6 ( b h ) m a xm g s o e3 42 每v 3 03 7 。8l o 1 25 7 b r 温度系数 ，c- o 1 8- o 0 3旬1 2 60 0 2_ o 0 3 可逆磁导宰p h ，mi 1 1 0 3 i 0 5 1 3 2 6 居里温度t cc 4 6 0 6 7 8 5 0 3 4 0 4 0 0 物密度d g ，c m ， 5 o8 47 47 37 7 电阻p q m 1 0 68 5 0 01 4 4 0 0o 0 d 4 50 0 0 6 5 理 抗弯强度 m p a1 2 7 47 62 4 5 k g f m m 2 1 31 22 5 特 抗压强度 m p a5 0 9 67 3 5 k g f m m 2 5 2 7 5 性 热膨胀系数i 矿 l l 9 3 4 ) 1 11 2 ，。c - 4 双上) 永磁材料的主要参数是剩磁、矫顽力以及磁能积 铁氧体应用最早，其价格便宜，但磁能积低( 小于3 6 k j m 3 ) 。用它制成的 磁力驱动器结构尺寸大，适用于传动转矩小、功率不大的装置上，工作温度为 8 5 以下；n d - f e b 近年来广泛用于磁力驱动器件上，因它的b f 值可达1 2 5 t ， 磁能积( b h ) 。2 8 0 k j 艋3 ，工作温度1 5 0 以下；s m 2 c o l 7 是一种高级合金， 对于高温工况，选择它最为有效，工作温度可达3 0 0 ，但价格较昂贵。 自动清淤器的内磁转子的运行工况为：物料温度为$ 0 - 9 5 ，呈强碱性。 综合各因素，选用n d - f e b 中的n 3 5 h ，其物理性质为：剩磁b r = 1 1 7 1 2 1 t ， 磁感矫顽力h c 1 3 5 3 k a m ，最大磁能积b h m a x = 2 6 32 7 9 k j m 3 ，最高工作温 度1 2 0 ，n 3 5 h 表层渡镍铜镍，用来抗碱性腐蚀。 3 1 2 磁路设计 磁路的设计要根据不同用途和不同功能的需要，设计不同型式的磁路排列。 磁力驱动自动清淤器内外磁转子要实现的功能是螺旋传动的磁力耦合，目前应 用于螺旋传动的磁力耦合机构不是很多，螺旋传动的磁路主要应用在分子束外 延设备1 1 1 , 1 2 1 磁路的设计还和磁性材料有关。 中南大学硕士学伊论文 第二章磁转子磁路设计与优化 在第二、第三代永磁材料问世之前，主要采用的足日j 隙分散式的磁路形式， 如图3 1 所示。 门 图3 - 1 间隙分散式磁路平面展开 这种磁路的主要缺点是体积大，产生的磁力或转矩小，且易于退磁，不适 合于工业应用。 随着第二、第三代永磁材料研制成功，出现了各种磁路结构，如图3 - 2 所 示就是其中应用最广的一种，该多行紧密排列磁路也称组合推拉式磁路，它是 同轴型磁力驱动器中最佳的磁路结构。 图3 - 2 组合推拉式磁路平面展开 其轴向和周向磁力耦合原理如图3 - 3 所示。 t - 1t - 己l2 秀堑垦塾。 厂西重重露 3 图3 - 3 组合推拉式磁路传递原理 l 一永磁体；2 一软磁材料；3 一隔套；f l 一拉力；f 2 一推力；t g 一工作间隙 根据同极相斥，异极相吸的原理，该种磁路轴向和轴向相邻两磁极对磁极 的作用力在旋转方向上是叠加的，这有助于获得高传动转矩和轴向力，因此能 实现螺旋传动。同时通过磁场力的作用，可以减轻甚至抵消径向作用力，对支 撑轴承的寿命有利。而且由于磁极轴向磁场的互相抵消，可以很好的抑制涡流 1 8 中南大学硕七学伊论文第二章磁转子磁路设计与优化 1 1 4 1 5 m 6 1 7 1 。 自动清淤器采用组合推拉式磁路，可以获得比较理想的运动传递效果。 3 2 磁路结构参数优化 磁路结构参数有磁极对数、永磁体厚度、轴向长度、工作气隙、轭铁厚度， 每一参数的变化对驱动器转矩的传递均有直接的影响。即便是同样质量的永磁 铁，不同的结构尺寸分布，所产生的效果也不同，为了设计一种最佳性价比的 磁转子本文对磁路结构参数进行优化设计。 在这些参数之中，磁极对数、工作气隙在m a t l a b 优化之前必须确定下来， 轭铁厚度在m a t l a b 优化设计之后确定下来，m a t l a b 优化的参数是永磁体和长度。 磁路结构的物理模型如图3 - 4 所示。磁转子由五部分组成：内转子轭铁、内永 磁体、工作气隙，外永磁体、外转子轭铁。 图3 - 4 同轴型磁转子结构 r i 一内磁转子轭铁内半径；r 1 一内永磁体内半径；r 2 一内永磁体外半径； r 3 一外永磁体内半径；r 4 一外永磁体外半径；r 5 一外磁转子轭铁外半径； t i i 一内磁转子轭铁厚度；t i m 一内磁转子磁体厚度；t g 一工作气隙宽度； t o m - - # l 磁转子磁体厚度：t o i - - 外磁转子轭铁厚度；l b 一瓦形永磁体轴向长度：a 一瓦形 永磁体张角 1 9 中南大学硕七学位论文 第二章磁转子磁路设计与优化 3 2 1 工作气隙和磁极对数的确定 从理论上来讲，工作气隙越小，气隙的退磁作用就越小，磁通密度大，磁 转矩越大。但工作气隙会受到自动清淤器的结构和安装的制约。 由自动清淤器的结构可知，工作气隙包含：实现螺旋传动的螺母( 5 m m 厚) ， 物料管道( 考虑还要加工螺旋传动梯形螺纹，采用1 0 m m 厚) ，空气气隙( 考虑 内转子制造和安装误差，采用1 5 m m 厚) ，内磁转子包封( 起保护内转子永磁 铁作用，l m m 厚) 。因此工作气隙为：5 + 1 0 + 1 5 + 1 = 1 7 5 m m 磁极数的多少对转矩的大小有直接的影响。当n 、s 极每变化一次，静磁 能的存储便增加一次，这样磁极数多有利于静磁能的存储，静磁能最终被转换 为动能而被释放，所以说磁极数多，有利于转矩的传递。但磁极数也不能太多， 否则，不同磁极接触多、漏磁多，使得气隙磁通密度减小，传递的转矩也会下 降。 通过设计计算与实验测试认为：磁力驱动设计中磁作用半径小时，磁极数 相应选少些；磁作用半径大时，磁极数相应选多些。气隙大时，磁极数相应选 少些；气隙小时，磁极数相应选多些。 由自动清淤器结构决定工作气隙为1 7 5n t n l ，内永磁体外半径为1 2 4 m m ， 外永磁体内半径为的作用半径为1 4 1 5 m m ，因此磁作用半径为( 1 2 4 + 1 4 1 5 ) 2 = 1 3 2 7 5 m m 。借鉴其它设计资料【1 8 1 9 抛2 1 , 2 2 1 ，自动清淤器的磁极数设计为1 8 。 3 2 2 永磁体的厚度、长度优化 虽然磁转子有些结构尺寸已确定，可永磁体厚度和长度还是可以根据需要 设计的。在一定范围内，随着永磁体厚度的增加，转矩增加得很快。由于永磁 体的磁阻和漏磁，当磁体厚度增加到一定厚度时，转j 电增加得比较慢或不增加。 永磁体长度的改变对耦合转矩也有类似的影响，除此之外，长度的增加还会带 来涡流的增加。虽然永磁体的尺寸比较自由，可也要受整个机构的尺寸所限制， 磁转予的设计还要充分考虑磁转子空日j 。n 3 5 h 属于高性能的永磁铁材料，价 格也比较高，设计也要考虑用量问题。不同永磁体所组成的磁转子性能足差异 很大的，因此需要对永磁体结构尺寸进行优化。 一数学模型的建立 磁转子的作用是磁力祸合、传递力矩，因此磁转子的主要性能指标就是耦 中南大学硕七学位论文第三章磁转子磁路设计与优化 合转矩。由于物料管道属于导电的金属材料，磁转子运动时会在其表面产生涡 流，因此磁转子的优化目标为：尽可能大的转矩，尽可能小的涡流。因此磁转 子的优化属于多目标规划问题。 优化设计的磁转矩数学模型采用经验公式求解法鲫。根据番加原理，耦合 磁场气隙中心的磁场强度，可按内外相对应的两块永磁铁产生的磁场强度的叠 加进行计算。 内磁环上永磁体产生的磁场强度： e=b石tg。乏i尚一留。i石：_=i：i7霉il：!亏xilib尹亏丽1 ( 3 - 1 ) 外磁环上永磁体产生的磁场强度： 肌b 窟, t g - t ，g ：l + , 3 厶x l ：6 露一留q 瓦i 丽l i s 4 x l 雨bi 雨亍1 ( 3 - 2 ) t 作气隙中的磁场强度： 以= + h o ( 3 3 ) 耦合力矩： 1 k 2 专耳日。r h 广内磁环上永磁体产生的磁场强度，o e ； h o _ 一外磁环上永磁体产生的磁场强度，o e5 b ，一永磁体剩余磁感应强度，g s ； t g _ 工作气隙宽度，m m ； t - 岫- 一内