（机械设计及理论专业论文）新型耐高温实心转子磁力联轴器的研制.pdf

j 一 独创性声明 删i riiiiiiiii1111111111iiiiiij ? 、y 18 0 9 。8 6 8 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己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： 日期： 确乌 ， f 钞月阳日 1 一 新型耐高温实心转子磁力联轴器的研制 r e s e a r c ho fan e w - t y p er e s i s t i n gh i g h t e m p e r a t u r es o l i dr o t o rm a g n e t i cc o u p l i n g 姓 江苏大学 二零零五年十一月 0 ，一 一| 1一- 江苏大学硕士学位论丈 摘要 磁力联轴器的出现，彻底解决了某些机械装置中动密封存在的泄 漏问题。为了进一步拓宽采用高性能钕铁硼稀土永磁体的磁力联轴器 的使用范围，借鉴感应式异步电机的工作原理，研制了一种不同于以 往的利用永磁体同性相斥、异性相吸原理工作的同步式磁力联轴器的 异步涡流型耐高温实心转子磁力联轴器。首先，根据工作情况，选择 了永磁材料与软磁材料，并对磁路与内外转子的结构参数进行了设 计。其次，为了从理论上论证和分析这种新型磁力联轴器的工作原理， 本文从磁路、电路及电磁关系的角度建立了该新型联轴器的理论模 型，从便于分析联轴器的电磁参数的角度出发，将其外转子变换为等 效的异步电机的定子绕组，然后将“路 与“场”的理论相结合推导 出了联轴器磁路及内转子的各电磁参数的计算公式，并做了实例计 算。将内转子的频率进行折合后，绘出了联轴器各电磁参数的等效向 量图。为了简化分析并提高精确度，运用a n s y s 有限元软件，在对磁 力联轴器的结构和不同转差率下的动态特性作了一定的处理后，对磁 力联轴器的内部涡流场进行了较精确的分析计算，并进而推导出了电 磁力矩和电磁功率的计算公式。最后，分析了联轴器运行中的各种损 耗，得出了联轴器效率的计算公式，并对如何提高效率提出了一些改 进措施。为了验证理论分析正确与否，对联轴器的传动性能进行了实 验分析。 关键词：磁力联轴器，实心转子，稀土永磁，电磁参数，有限元， 转矩，功率，损耗 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 cc o u p l i n g ss o l v e sc o m p l e t e l yt h ep r o b l e mo fl e a k a g ef o rd y n a m i cs e a li n s o m em e c h a n i c a ld e v i c e s i no r d e rt ow i d e nt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fm a g n e t i cc o u p l i n g s m a k i n gu so fn d f e br a r e - e a r t hm a g n e t i cm a t e r i a l s a na s y n c h r o n o u si n d u c t i o nr e s i s t i n g h i g ht e m p e r a t u r em a g n e t i cc o u p l i n g h a sb e e n d e v e l o p e d o nt h e p r i n c i p l e o f a s y n c h r o n o u sm o t o r , w h i c hd i f f e r sf r o mt h ep r e v i o u ss y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g s t h a tw o r k so nt h ep r i n c i p l eo ft h es a m ep o l e sm a g n e t sr e p u l s ee a c ho t h e ra n dt h e o p p o s i t ep o l e sm a g n e t sp u l le a c ho t h e r f i r s t ，p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l sa n ds o f t m a g n e t i cm a t e r i a l sw e r ec h o s e n ，a n dt h e nt h ec o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ro ft h em a g n e t i c c i r c u i ta n dt h ei n n e rr o t o ra n dt h eo u t e rr o t o rw e r ed e s i g n e db yw o r k i n gc o n d i t i o n s s e c o n d ，i no r d e rt oe x p o u n da n da n a l y z et h ew o r kp r i n c i p l eo ft h i sc o u p l i n gt h e o r e t i c a l l y , i t st h e o r e t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt h r o u g hm a g n e t i cc i r c u i t ，e l e c t r i cc i r c u i ta n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m ，a n di no r d e rt oa n a l y z ei t se l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r ss i m p l y , i t so u t e rr o t o rw a sc h a n g e de q u i v a l e n t l yi n t ot h es t a t o rc o i lo fa n a s y n c h r o n o u sm o t o r , t h e nf o r m u l a so fe l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r so ft h em a g n e t i c c i r c u i ta n di n n e rr o t o rw e r ew o r k e do u tb yv i r t u eo ft h ec o m b i n a t i o no ft h e o r i e sa b o u t c i r c u i ta n df i e l d ，a n da ne x a m p l ew a sc a l c u l a t e di nt h el i g h to ft h et h e o r i e s a f t e rt h e f r e q u e n c yo ft h e i n n e rr o t o rw a sc o n v e n e d ，a ne q u i v a l e n tv e c t o rg r a p ha b o u t e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sw a so b t a i n e d i no r d e rt os i m p l i f ya n a l y z i n gp r o c e s sa n d i m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h er e s u l t , a n s y sf e as o f t w a r ew a sp u tt ou s e a f t e rt h e c o u p l i n g sc o n f i g u r a t i o na n dp r o p e r t i e sa te a c hs l i pr a t i ow e r ef i g u r e do u t ，t h ee d d y c u r r e n tf i e l di nt h ei n n e rr o t o rw e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e da c c u r a t e l ya n dt h ef o r m u l a f o rr e s o l v i n ge l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n dp o w e ro ft h ec o u p l i n gw e r ew o r k e do u t f i n a l l y a l lk i n d so fl o s s e sp r o d u c e dw h e nt h ec o u p l i n gr u n sw e r ea n a l y z e da n dt h ef o r m u l af o r t h ew a s t a g e sc a l c u l a t i o nw a sa c q u i r e d ，f i m h e r m o r e ，s o m ei m p r o v i n gm e a s u r e sw e r e b r o u g h to u to nh o w t or e d u c et h ew a s t a g e s i no r d e rt om a k es u r et h a tt h et h e o r i e sa r e c o r r e c t , a ne x p e r i m e n to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o u p l i n gw a sc a r r i e do u t k e yw o r d s ：m a g n e t i cc o u p l i n g s ，s o l i dr o t o r r a r e - e a r t hp e r m a n e n tm a g n e t s ， e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t o r q u e ，p o w e r , w a s t a g e n 一 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 j 者论1 引言1 磁力联轴器的发展历史及现状2 目前常用磁力联轴器的概况和存在的问题4 新型耐高温磁力联轴器的方案设计5 本课题的研究内容6 磁力联轴器的整体设计8 永磁材料的选择8 2 1 1 几种常用永磁材料的性能特点一8 2 1 2 不同永磁材料的适用范围。l o 软磁材料的选择：1 1 磁路设计1 2 2 3 1 磁体工作点的确定1 2 2 3 2 磁体磁化方向的确定1 2 2 3 3 磁极布置方式。1 3 2 3 4 磁极厚度与磁极对数的确定1 3 2 3 5 气隙长度的确定1 4 磁力联轴器转子设计1 4 隔离套的设计1 5 联轴器的磁场分析及参数计算1 7 概述17 磁路分析与计算18 3 2 1永磁体励磁磁密分析1 8 3 2 2 磁路参数的计算2 0 联轴器的电磁分析2 5 3 3 i 永磁体等效为定子绕组2 5 3 3 2 内转子参数的计算2 6 3 3 3 内转子频率的折合3 2 1 i i 江苏大学硕士学位论文 3 4 实例计算与分析3 3 第四章联轴器的功率、转矩和效率的分析3 7 4 1 有限元法简介3 7 4 2 联轴器的有限元求解模型3 8 4 3 联轴器内部磁场的有限元求解3 9 4 4 电磁转矩和电磁功率的计算4 3 4 5 联轴器的损耗分析4 4 4 5 1 隔离套的损耗计算4 4 4 5 2 内转子涡流损耗的计算4 5 4 5 3内转子磁滞损耗的计算4 7 4 6 联轴器的功率方程及效率4 7 第五章磁力联轴器的性能改进。4 9 5 1内转子材料相对磁导率对联轴器性能的影响4 9 5 2内转子的结构对联轴器性能的影响5 0 5 2 1 内转子两端加装端环。5 0 5 2 2 内转子表面开槽。5 0 5 2 3 双层实心转子磁力联轴器5 l 第六章实验及结果分析。5 3 6 1 实验装置5 3 6 2 实验所用永磁材料及参数5 4 6 3 实验过程及结果5 5 6 4 实验结果分析5 6 第七章结束语5 8 参考文献6 0 致谢6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 3 i v 1 1 引言 第一章绪论 在很多机械产品和装置中，泄漏一直是设计者和使用者极为关注的问题。在 工程上，泄漏现象往往是比较常见的，这会造成工作介质的流失及周围环境的污 染。如果工作介质为有毒有害或易燃易爆气体或液体，这将造成极为严重的后果。 因此，泄漏问题不仅是一个经济或技术的问题，而且是关系到安全和生命的大问 题，这就迫使人们想方设法地防止泄漏，也就是需要对可能泄漏的部位进行密封。 密封按照所密封的部件之间有无相对运动可分为静密封和动密封。一般来 说，静密封的密封效果良好，而动密封的密封效果较差。自上个世纪二十年代开 始，世界各国的工程师和科学家就对动密封问题进行了深入地研究，出现了各种 各样的密封形式及方法，例如填料密封和机械密封，这使得泄漏问题得到一定程 度的缓解和控制，尤其是机械密封比填料密封有了很大的进步。例如某炼油厂的 油泵过去使用压盖填料密封，每台泵的年漏油量约l o r e 3 ，后来采用机械密封使 年漏油量降低至0 1m 3 以下1 4 引。但是，由于一些大型化工企业有上千台泵，这些 泵的泄漏量累加起来也是十分惊人的，它一方面造成巨大的资源浪费和经济损 失，另一方面，如此巨大的泄漏量将远远超过有关环境保护法律所许可的范围。 因此，面对越来越高的可靠性和越来越少的泄漏量要求，即使机械密封也已 经无法满足这些要求了。同样，对于很多机械产品和装胃中的普通联轴器来说， 它所连接的主动轴和从动轴，往往工作在两种不同的介质中，也需要进行密封， 而且通常只能采取动密封中的油封密封或机械密封。为了保证密封可靠，有时只 好加大密封件的密封压力，但这会增大轴的旋转阻力，增加功率损耗，甚至造成 轴及机体的严重发热。但是，当降低密封压力时，又会引起泄漏的增加。而且， 密封件多为橡胶件，随着它的磨损、老化，泄漏将会加剧。而磁力联轴器的出现， 则有望从根本上解决这一问题。因为它是通过永磁体的磁力实现无接触传动的， 主动轴和从动轴并没有直接的刚性的或柔性的连接，这样就可以用一个隔离套将 从动轴封闭在机体内部，从而将轴与机体的动密封问题化为隔离套与机体的静密 封问题，而静密封一般可实现零泄漏。如果将磁力联轴器应用于普通泵的驱动装 江苏大学硕士学位论文 置中，设计开发磁力联轴器传动泵，则可以彻底解决传统密封方法无法解决的泄 漏问题。 由于磁力联轴器所具有的优良特性，目前它在石油化工、真空、航天、潜水、 饮食、医药、电影、电镀、仪表等行业都有应用，尤其适用于一些处理易燃易爆、 有毒、腐蚀、贵重的工业流体的设备。磁力传动实现了绝对密封，避免了工业流 体的泄漏对环境的污染，节约了资源，因此它符合当前绿色设计和绿色制造的新 理念，而这一理念是国家可持续发展战略所提倡的。因此，磁力联轴器的应用前 景是十分广阔的。本课题所研究的耐高温磁力联轴器尤其适用于在高温介质中工 作的泵、阀门和反应器中，从而进一步拓展了磁力联轴器的应用范围。 1 2 磁力联轴器的发展历史及现状 磁力联轴器最初是为了解决输送危险性介质的化工泵的泄漏问题而研制的， 而且磁力联轴器目前也主要应用在磁力泵上，因此，它主要由磁力泵厂家生产， 可以说磁力联轴器技术的发展与磁力泵的发展密不可分 2 7 1 1 2 9 1 。 所谓磁力泵就是将磁力联轴器应用于普通泵的驱动装置中所形成的新型无 密封泵，无密封是指泵转子部分完全封闭在一个压力容器内，泵转子与压力容器 之间只有静密封，因此无密封泵是绝对的无泄漏泵。磁力联轴器技术早在1 9 3 7 年首次由日本有关专家提出，但由于当时人们对该技术缺乏认识以及磁性材料的 局限性，经反复试验，最终以失败告终。直到1 9 4 7 年，英国h m d 泵公司的吉弗 旱哈瓦德( g e o f f r e y h w a r d ) 研制成功了磁力泵，随后许多国家也相继进行了 开发研究。然而，直到近几十年磁力泵才得到广泛应用，其原因有两方面：一方 面由于以前人们对于环保问题并不是很重视，只是到了上个世纪七十年代左右， 环境保护的思想日益深入人心，一些国家相继制定了严格的环境保护法和产品可 靠性法，以法律形式对泵轴封的泄漏提出了苛刻的要求，这无疑推动了磁力泵的 应用；另一方面是由于当时所拥有的磁性材料只有铁氧体磁钢和铝镍钴磁钢，这 类永磁材料一般剩磁小，矫顽力低，磁能积小，容易受到外部因素的影响，磁性 能不稳定。采用这些磁性材料的联轴器工作中容易发生滑转、过载或堵转现象， 永磁体也容易发生退磁。为了传递一定的功率，磁体体积必须很大，要占很大的 空间，且磁体上的损失也很大，效率较低，加上技术上的不完备，造价和维护费 2 江苏大学硕士学位论文 用很高，这些因素均制约了磁力泵的广泛应用。上个世纪七十年代以后，由于材 料科学的发展，相继出现了第一代、第二代和第三代稀土永磁材料。这些永磁材 料的性能大为提高，从而使磁力联轴器在运行过程中磁能损失较少，效率大为提 高，工作稳定，结构得以小型化、紧凑化。磁性材料性能的提高以及技术上的一 些突破，使磁力驱动泵的可靠性和经济性有了惊人的提高。近二十年来磁力泵的 应用急剧增多，它已经成为一种常见装备。 磁力联轴器在国外经过几十年的发展，技术上已较为成熟砼”t 4 t 6 1 。目 前生产磁力泵的主要厂家有英国的h m d 无密封泵公司、托顿( t o t t o n ) 泵公司、 希尔格( h i l g e ) 泵公司、美国高德( g o u l d ) 泵公司、德国克拉奥斯联合公司( k l a u s u n i o n ) 、迪克( d i c k k o w ) 公司、阿尔维勒( a l l w e il e r ) 公司、西伊( s i h i ) 公 司等。其中，英国的h m d 公司已在世界范围内销售了7 万台磁力泵，每年销售额 达2 8 0 0 万英镑。这些公司的产品已走向标准化和系列化，设计也越趋复杂化。 比如，磁力联轴器中的重要部件隔离套：为了避免它工作时由于涡流所产生 的能量损失和发热，这些公司相继设计开发了金属叠层、陶瓷和炭纤维复合环氧 树脂隔离套。还有人将现代控制技术与磁力传动技术相结合，在磁力联轴器内部 安装泄漏传感器、温度传感器及p l c ( 可编程控制器) 来实时监控磁传动的工作 状况。 在我国，永磁传动技术的研究与应用起步较晚，可以说比英国h m d 公司要落后 3 0 年。现有的产品规格较少，市场占有份额也小。但经过研究和设计人员的不懈 努力，也取得了长足的进步。例如：在设计理论方面提出了推拉组合磁路和优化 设计的概念；通过大量实验得出了一些经验公式。但总的来说，国内磁力联轴器 的研究与开发，还有不少技术问题有待解决，这在一定程度上影响了磁力联轴器 的推广和应用。尤其是本课题所研究的高温磁力传动，在国内几乎是一片空白， 在国外也只有少数几家公司，如英国的h m d 公司开发的涡流型磁力联轴器，可用 于输送高温介质的磁力泵中。 近年来，磁力联轴器技术有从泵类向其它密封机械扩展的趋势，技术上主要 集中于设备的可靠性、抗介质腐蚀、新材料研究，流体技术及制造装配的精度等 方面。由于永磁材料价格较贵，所以在磁力联轴器的设计中，应当以最少的永磁 材料使用量获得最大的传递转矩和效率，并尽量减少产品的制造周期，提高使用 3 江苏大学硕士学位论文 寿命和可靠性，这是当前以及今后磁力联轴器技术发展的必然趋势。 1 3目前常用磁力联轴器的概况和存在的问题 目前广泛应用于化工等部门的磁力联轴器由于其内外转子转速同步也称为 同步磁力联轴器。这种磁力联轴器的结构如图1 1 所示。它的内外转子上各固定 有均匀排布的几对磁体，n 极和s 极交错排列，内外转子之间安装了一个隔离套， 密封所输送的介质【2 5 1 。同步磁力联轴器是利用磁极同性相斥、异性相吸原理来工 作的。其具体工作方法已众所周知，本文就不介绍了。 1 输出轴2 泵体3 内磁体4 内转子5 输入轴6 隔离套7 外转子8 外磁体9 密封圈 图i 1同步磁力联轴器 随着永磁材料的不断发展，出现了第三代稀土永磁材料，它具有剩磁大、矫 顽力高、回复线与退磁曲线相重合等优点，故被广泛应用于同步磁力联轴器等永 磁机构中。然而，磁性材料都有一个居里温度，当温度高于居里温度时，磁性材 料就会发生不可逆退磁现象。稀土永磁钕铁硼材料的居里温度较低，只有3 1 0 - - - 4 1 0 左右，因而工作温度只有1 5 0 c 左右，温度系数也较高，因此，材料磁性 能的热稳定性较差，而化工等行业中输送的有些介质温度很高，这将使内转子上 的磁钢温度高于其居里温度而发生退磁现象。磁体一旦发生退磁现象，磁力联轴 器将不能正常工作。如果采用居里温度较高、温度系数较低的钐钴类永磁体，虽 然在一定程度上能满足温度的要求，但它们的价格极为昂贵，几乎为钕铁硼磁体 的3 倍，普通用户难以承受。这使同步磁力联轴器在高温场合下的应用受到了极 大的限制。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 新型耐高温磁力联轴器的方案设计 随着我国国民经济的不断发展，各部门输送的高温介质越来越多，同时工程 中常发现同步磁力联轴器在运行一段时间后，内转子磁钢因温度升高而发生不可 逆退磁现象，工程界迫切需要解决这一问题。如何能使磁力联轴器驱动的磁力泵 输送温度较高的介质而又不发生永磁体退磁问题呢? 一种方法是研制出既耐高 温、磁性能又好、价格也较低的永磁材料，以用于磁力联轴器中，这有待于材料 科学的进一步发展。本文提出的方法利用电磁感应原理所设计开发的一种新型磁 力联轴器，在内转子上不用永磁体，从而彻底摆脱了内转子永磁体受温度影响的 缺点，它的结构原理如图1 2 所示。 1 输出轴2 泵体3 内转子4 输入轴5 隔离套6 外转子7 永磁体8 密封圈 图i 2 新型磁力联轴器的结构 当输入轴4 带动外转子6 旋转时，其内圆表面布置的永磁体7 就会在气隙中 形成一个旋转磁场，由电磁感应原理，在内转子3 表面产生感应电流( 涡流) ， 此电流与旋转磁场相互作用，而使内转子3 受到一个与旋转磁场方向相同的电磁 转矩，从而带动内转子3 和输出轴1 旋转。由于在运行过程中，内外转子总存在 一定的转速差，所以这种联轴器亦可称为感应涡流式异步磁力联轴器。由于它的 内转子表面没有布置钕铁硼磁体，故不会产生像同步磁力联轴器那样的永磁体高 温退磁问题，同时又由于隔离套5 的阻隔作用，外转子与所传递的介质并不接触， 这样就可以采取一些冷却措施，使外转子上的永磁体温度不会太高。这样，介质 温度的高低就不会影响这种磁力联轴器的正常工作。所以，这种联轴器特别适用 于在高温介质中工作的磁力泵、阀门或搅拌反应釜等装置中。 江苏大学硕士学位论文 这种新型感应式异步磁力联轴器工作可靠，生产成本进一步降低，维修方便， 使用寿命长。一旦这种磁力联轴器投入使用，将解决目前同步磁力联轴器不能用 于高温场合下的问题，使磁力联轴器的应用范围得到进一步的扩大，具有很大的 市场潜力。 1 5 本课题的研究内容 这种新型磁力联轴器的设计研究需要考虑以下几个方面的内容g 1 磁力联轴器的整体结构设计研究 磁力联轴器的整体结构设计包括根据使用情况，选择适当的永磁材料和内外 转子的材料，进行磁路、内外转子和隔离套的设计，并考虑联轴器的冷却和散热 等问题，这些可借鉴同步磁力联轴器、稀土永磁电机和异步电动机的设计方法， 以设计出在整体上具有较好经济技术效益的磁力联轴器。 2 磁力联轴器内部磁场的研究 通过对磁力联轴器内部磁场的研究，可以了解各种设计参数对磁力联轴器工 作性能的影响，为磁力联轴器的改进打下基础。对于磁力联轴器的内部磁场，将 通过磁路、电路及电磁关系三者的理论结合进行分析，以求取磁通和磁动势等磁 路参数，并进一步求取内转子上的各电磁参数。 3 功率、转矩、损耗和效率的研究 对该磁力联轴器内部磁场用a n s y s 有限元软件进行分析，以得出联轴器各 点的矢量磁位，进而推导出联轴器电磁功率与电磁转矩的计算公式。这种新型耐 高温磁力联轴器，隔离套和内转子中均有涡流损耗，还有一些磁滞损耗和机械损 耗，故它的传动效率没有同步磁力联轴器高。目前同步磁力联轴器传动效率已经 达到百分之九十以上，而这种感应式异步磁力联轴器如设计不好，则其传动效率 可能比同步磁力联轴器会低很多。因而在设计中，应考虑如何尽量提高联轴器的 效率，减少能量的损失。 4 磁力联轴器的改进方法研究 内转子的材料相对磁导率对联轴器的性能影响极大，其结构形式也影响着磁 力联轴器传递转矩的能力。这是由于它一方面会使磁力联轴器永磁体产生的磁场 回路不同，另一方面也会使产生的感应磁场不同，从而影响磁力联轴器传递转矩 6 江苏大学硕士学位论文 的能力。因此，需要研究如何选择适当的内转子材料相对磁导率及结构形式以进 一步改进磁力联轴器的性能。 目前国内这种新型耐高温磁力联轴器的研究报道较少，国外虽有少数几家磁 力联轴器生产厂家已试生产出了类似的感应式磁力联轴器，但有关这方面的文献 也很少。因此对于它的理论研究，尤其是内部电磁场关系的研究，只能参考异步 电动机和永磁电机的研究方法，然而，由于这种磁力联轴器并没有像电机中那样 的定子绕组，所以其内转子表面感应涡流的计算就无法参照电机电磁场分析的方 法，如何解决这一问题成为本文研究的关键问题之一。此外，由主磁通产生的旋 转磁场在内转子表面感应的涡流又会产生一个附加磁场，由于这种联轴器无法像 电机那样在定子绕组中自动产生一个补偿电流来抵消这一附加磁场对主磁通的 影响，故联轴器的主磁通必然会受到影响，因此这种联轴器内部的电磁关系是极 其复杂的。这种联轴器利用了涡流来传递转矩，但显然涡流过大会造成损耗( 发 热) 的急剧增加，故如何提高这种联轴器的效率也是本文所要研究的重点问题。 本研究课题获得了以下基金项目的资助： 1 国家自然科学研究基金项目“非接触式永磁感应磁力传动的设计方法与实验 研究”( 5 0 5 7 5 0 9 6 ) ： 2 江苏省高校自然科学基金项目“电磁感应式磁力传动的传动机理及性能研究” ( 0 3 k j a 4 6 0 0 2 0 ) 。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章磁力联轴器的整体设计 磁力联轴器的整体设计，主要涉及永磁材料的选择、内外转子的参数设计及 材料选择、磁路各参数的确定等问题，此外，还应考虑隔离套的参数确定以及联 轴器的冷却散热问题。 2 1 永磁材料的选择 磁力联轴器的性能与永磁材料的性能密切相关，因为它不仅决定磁力联轴器 的启动和运转过程是否稳定可靠，而且也是评价磁力联轴器性能的重要依据。对 于一定的磁路尺寸和参数来说，要得到最大的气隙磁感应强度，就需要选择最适 合的永磁材料。 通常，可用于传递转矩的永磁材料应具备三个条件：一是要有较高的剩余磁 感应强度母，即退磁曲线上磁场强度为零时的磁感应强度值，耳越大，充磁后 的磁性材料的磁性能越强，才能得到较大的磁力和磁转矩：二是要有高的矫顽力 以，即退磁曲线上使磁场强度为零时的磁感应强度值，皿越大，永磁材料保持 磁性的能力越强，或者说抗退磁作用的能力越强，即永磁材料应有较高的磁能积 ( b h ) ；三是要有良好的磁性能的稳定性，包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定 性和时间稳定性。热稳定性表征永磁体磁性能受所处环境温度影响的程度，故又 称为温度稳定性，永磁材料的温度特性可用居里温度和最高工作温度来表示。磁 稳定性表示永磁材料抗外加磁场干扰的能力。化学稳定性是指永磁材料受酸、碱、 氧气和氢气等化学元素的作用后，内部或表面化学结构所发生的变化并影响磁性 能的程度。时间稳定性是指永磁材料充磁以后，即使不受其他外界因素的影响， 其磁性能也要随时间而变化的情况，通常以一定尺寸形状的样品开路磁通随时间 损失的百分比来表示。 2 1 1 几种常用永磁材料的性能特点删嘲口刀 目前，在工程实际中常用的几种永磁材料主要有铝镍钴( a l n i c o ) 、铁氧体、 稀土钴( 足c d i ，) 、钐钴( s m 2 c o l ，) 和钕铁硼( m 一凡一b ) 等，其性能比较如表2 - - 1 所示。 r 江苏大学硕士学位论文 表2 - - 1 几种常用永磁材料的磁及物理特性比较i 永磁材料 性能 单位 铁氧体钐钴 钕铁硼 铝镍钴 to 3 91 0 51 1 71 1 5 剩磁耳 ( k g s ) 3 9 l o 51 1 7之1 1 5 k a m 2 4 0 6 7 68 4 41 2 7 3 6 磁 磁感应矫顽力如 ( k o e ) 3 08 5l o 61 6 1 内禀矫顽力h e ： i 认m 2 5 61 1 9 41 5 9 51 2 7 3 6 特 ( k o e ) 3 21 5 2 0o 6 1 k j m 3 2 7 2 0 9 92 5 58 7 5 6 最大磁能积( 明) 懈 ( m g s 0 e ) 3 4 2 83 71 1 性 温度系数 一o 1 8一o 0 3- 0 1 2 60 0 2 可逆磁导率 h m1 11 0 31 0 51 3 居里温度瓦 4 6 07 6 03 6 5 密度d g ? c 瑚 5 08 47 47 3 物 电阻率pq m 1 0 6 8 5 0 01 4 4 0 00 0 0 4 5 理 m p a 1 2 7 41 1 7 6 2 4 5 抗弯强度 k g f m m 2 1 31 22 5 特 m p a 5 0 9 6 7 3 5 抗压强度 k g f m m 2 5 27 5 性 热膨胀系数 1 0 巧 1 193 41 l 铝镍钴( a l n i c o ) 永磁材料是2 0 世纪3 0 年代研制成功的。当时它的磁性 能最好，温度系数又小，当时使用较多。但随着铁氧体永磁和稀土永磁的相继出 现，铝镍钴永磁应用范围逐渐减小，它的主要特点是：剩余磁感应强度较高，最 高可达1 3 5 t ；矫顽力很低，通常小于1 6 0 k a m ，因而抗去磁能力低，需事先进 行稳磁处理且应避免与铁器接触；温度稳定性高；铝镍钴永磁硬而脆，可加工性 能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工。 铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，常用的有钡铁氧体( b a o 6 凡，q ) 和锶铁氧体( s r o f e ：0 3 ) 。它们的磁性能相差不多，锶铁氧体的以值略高于 9 江苏大学硕士学位论文 钡铁氧体。它们的主要特点是：价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵重金属； 制造工艺较为简单：退磁曲线接近于直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分 重合，无需稳磁处理：矫顽力较大，日。为1 2 8 - 3 2 0 k a m ，因而抗去磁能力强： 密度小，质量较轻：剩磁不高，b ，仅为0 2 o 4 4 r ，最大磁能积仅为6 4 4 0k j m 3 ；铁氧体永磁材料硬而脆，不能进行电加工，仅能切片和进行磨削加 工。 稀土钴永磁材料是6 0 年代兴起的磁性能较优异的永磁材料，其特点是：剩 余磁感应强度b ，很高，一般高达0 8 5 1 1 5 丁，接近铝镍钴永磁的水平；矫顽 力很高，日，可高达4 8 0 - 8 0 0k a m ，大约是铁氧体永磁的3 倍；最大磁能积 ( 明) 一也很高，1 ：5 型永磁体的最大磁能积已超过1 9 9 k j m 3 ，2 ：1 7 型永磁 体的最大磁能积已达到2 8 5 6k j m 3 ：稀土钴永磁的退磁曲线基本上是一条直 线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力强：稀土钻永磁材料硬而脆，抗 拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花或线切割加工：温度稳定性好， 居里温度点高；磁性强，磁极在充磁后运输和装配时均须采取措施以保证人身安 全；稀土钴永磁材料价格比较昂贵。 钕铁硼永磁材料是1 9 8 3 年研制成功的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀 土钴永磁，是目前磁性能最高的永磁材料，它的主要特点有：剩余磁感应强度很 高，室温下b ，可高达1 4 7t ；矫顽力很高，。可高达9 9 2k a m ：最大磁能积 也很高，( b h ) 眦达3 9 7 9k j m 3 ：温度稳定性较差，居里温度较低：由于钕资 源丰富，铁、硼价格便宜，又不含战略物资钴，钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁 便宜；因其含有大量的铁和钕，容易锈蚀，化学稳定性较差。 2 1 2 不同永磁材料的适用范围 永磁材料种类很多，性能相差又很大，因此在设计磁力联轴器时，首先要选 择好永磁材料的品种和具体性能指标。 铁氧体应用最早，其价格便宜，但磁性能低( 小于3 6 k j m 3 ) ，用它制造 的磁力联轴器结构尺寸大，适用于传动转矩小、功率不大的装置上，工作温度为 8 5 c 以下：钕铁硼近年来广泛应用于磁力联轴器部件上，因它的b ，值可达1 2 5 t ， 磁能积( 明) 眦可达2 6 0 k j m 3 ，t 作温度可达1 5 0 c ；s m 2 c o i ，是一种高级合金， 1 0 江苏大学硕士学位论文 稀土与合金之比为2 ：1 7 ，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。 另外，从表2 1 可以看出，铝镍钴剩磁丑，的温度系数绝对值最小，铁氧体 最差，稀土钴较好，钕铁硼的最大磁能积最大，是铁氧体的近1 0 倍左右；除铁 氧体外，其他的磁性材料密度都较高，钕铁硼的抗弯强度比铁氧体和稀土钴高一 倍，其抗压强度也比稀土钴高，热膨胀系数最小。因此，在选择永磁材料时，应 结合具体的使用环境，在保证磁力联轴器气隙中产生足够的气隙磁场强度的条件 下，兼顾永磁材料磁性能的稳定性、机械加工和装配性以及经济性。 对于本课题所研究的磁力联轴器来说，应选用稀土钴或钕铁硼永磁材料，考 虑到价格因素后，选用钕铁硼材料，至于其居里温度低的缺点，采用对联轴器进 行特殊的结构设计来克服。另外，对于这种材料，还应注意以下几点：由于它的 实际磁性能与生产厂家的具体制造工艺有关，其值与标准规定的数据之间往往存 在一定的偏差。在设计中如果用到材料的参数曲线时，最好向厂家索取数据曲线， 或自己测试；由于钕铁硼材料性能优异，价格偏高，须精心设计，力求用最小的 磁体体积达到预期的效果：由于钕铁硼永磁质脆，磁性强，与其它永磁体或铁磁 物质相接近时，易发生撞击而损坏。在安装时应避免过大的振动；钕铁硼永磁容 易氧化和腐蚀，在高温高压潮湿环境下工作时必须有防腐蚀涂层。 2 2 软磁材料的选择 软磁材料是一种导磁介质，在磁路中它可以改变磁路中的磁通密度的大小和 分布，调整磁路漏磁的大小，从而影响磁体的工作状态，故常用作永磁系统的磁 导体、附件及磁屏蔽材料等。 磁导率是表示软磁材料磁性能的重要参数，对确定的材料而言，其最大磁导 率与初始磁导率是一个常数。由于软磁材料具有高磁导率和低矫顽力，故它很容 易被磁化，也容易退磁。工程上一般要求软磁材料磁导率越高越好，矫顽力越低 越好，饱和磁化强度越大越好；几种常用的软磁材料有工业纯铁、硅钢、铁镍合 金、铁铝合金、铁钴合金、恒导磁合金、磁温度补偿合金以及软磁铁氧体等。 在磁力联轴器中，永磁材料是装在外转子上的，由于永磁材料之间的磁通必 须要经过内、外转子才能形成回路，因此内外转子都必须由磁导率较高的软磁材 江 苏大学硕士学位论文 料制成。由于外转子上的软磁材料是作为磁导体来使用的，它基本不受变化磁场 的影响，故不必考虑铁损问题，因而可选用磁导率较高、矫顽力较低且机械加工 性能较好的工业纯铁。由于低碳钢的磁性能与工业纯铁十分相似，而且容易加工， 价格也便宜，故常用低碳钢取代工业纯铁。内转子上的软磁材料亦是作为磁导体 来使用的，可选用制造方便，价格低廉的铸铁。 2 3 磁路设计 2 3 1 磁体工作点的确定 本节所讨论的磁路中磁体工作点的确定和选择问题是磁力联轴器磁路设计 的基础，它直接决定材料的利用以及磁路设计是否经济合理。 一般情况下，软磁体工作点在磁化曲线上，永磁体工作点在以退磁曲线为基 础的回复线上。若永磁体为稀土永磁体时，其回复线与退磁曲线重合，这样可避 免因磁密不可逆变化造成的磁力联轴器磁性能不稳定问题。为了确定磁体的工作 点位置，需要考虑磁体形状、排列和分布、在磁路中的位置以及外磁路的情况。 在磁体工作点位置选择中，对软磁体而言，负载线与磁化曲线的交点就是软磁体 的工作点：而对永磁体而言，负载线( 需考虑电枢反应的影响) 与永磁体的回复 线的交点为永磁体的工作点，为了使永磁体利用率较高，应使工作点尽量接近最 大磁能积点。 磁体工作点的具体确定，可参考有关书籍【3 6 】【3 9 】。 2 3 2 磁体磁化方向的确定 所谓磁体磁化方向是指永磁体按易磁化方向充磁后，在磁力联轴器中的不同 放置方法。永磁体磁化主要有三种方式：径向磁化、切向磁化和轴向磁化。径向 磁化是指永磁体磁化方向和联轴器气隙长度方向一致：切向磁化是指磁体磁化方 向与联轴器气隙长度方向相正交；而轴向磁化则表示磁体磁化方向和联轴器轴向 相一致。切向式结构多用于低速电动机、低速测速发电机和力矩电机中：轴向磁 化结构多应用于盘式电机；径向磁化方式应用最广，可应用于任何功率要求的电 机中。为了提高气隙磁感应强度和减少漏磁，该新型耐高温磁力联轴器中磁体磁 化方向为径向磁化。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 磁极布置方式 磁力联轴器中磁极布置方式有多种形式，如图2 1 所示。磁力联轴器在采用 稀土永磁材料后，不同磁极间的相互干扰( 使磁化强度值下降) 大大减弱，以前 常采用的间隔磁路布置方式已可以用紧密排布方式取代。在紧密排布中，不同磁 极磁体交错排布，加之磁力联轴器中内外转子之间的气隙与一个磁极宽度相比相 差不是很大，这会使较多的磁力线仅在外转子和气隙中形成了回路，使漏磁通增 大，而主磁通减小，磁体磁性能没有得到很好的应用。为了减小漏磁通的损失， 可采用聚磁布置的形式。研究表明，永磁材料时间稳定性与永磁体尺寸比厶仍 有关，厶为永磁体轴向长度，仍为永磁体等效直径，尺寸比越大，随时间的磁 通损失越快，所以永磁体尺寸比要尽可能的小，为满足传递一定转矩的要求，可 采用多排聚磁排布。 a 一网隔挥布b 一紧罾捧布c 一多排紧密排布d 一阃隔拼块式排布 e 一闻隔多捧拼块式柞布f 一紧密拼块式柞布g 一紧密多排拼块式摊布 图2 1 磁力联轴器的磁极布置方式 2 3 4 磁极厚度与磁极对数的确定 磁体在磁路中提供磁势，磁路中气隙磁密