（机械设计及理论专业论文）新型耐高温磁力联轴器设计与分析计算.pdf

一 7 、 独创性：申明 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。除文中已经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- t - ，, 啪i 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：易宏烈 矽f 年弓其踟 l - ， i ， ，j l 一 j p 矿 一 一 、 0 新型耐高温磁力联轴器设计与分析计算 t h e d e s i g n ，a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fn e w t y p e r 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 s 指导教师姓名 整生筮熬援 杨超莶副熬拯 研究 江苏大学 二零零四年十月 p - , - i i i 、 - 拿 b 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文运用鼠笼式异步电动机工作原理设计的一种新型耐高温磁 力联轴器，即感应式异步磁力联轴器，它填补了国内高温磁力传动的 空白，有效地解决了同步磁力联轴器中内转子磁钢在高温条件下的退 磁失效问题。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来建立该新型联轴器的理论 研究模型，并推导出相关的理论计算公式。在磁场的求解中，本文提 出了用有限元软件对联轴器的静态磁场进行分析来反求磁路磁导的 新方法，同时在负载磁路计算中创造性地运用等值磁导来代替电枢反 应磁动势的作用，这样通过这二者的有机结合来求解联轴器的动态磁 场，从而克服了传统做法所存在的不足；在联轴器功率及转矩的推导 中，本文则采用频率归算的方法把联轴器内转子变为等效的静止转 子，而后对此加以分析计算，克服了常规做法所存在的缺陷。此外， 在联轴器隔离套的涡流损耗计算中，本文采用了矢量磁位来求解平面 麦克斯韦方程，从而获得涡流损耗的计算公式。最后，我们通过大量 实验对磁力联轴器的传动性能进行了验证。 关键词：磁力联轴器；有限元；磁路；。电路；电磁关系；等值磁导； 电枢反应；频率归算；转矩 江苏大学硕士学位论文 - - 一 a bs t r a c t a n e w t y p er e s i s t i n gh 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 gw h i c hw o r k so nt h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e so fs q u i r r e lc a g ea s y n c h r o n o u sm o t o rw a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i tf i l l e dt h eb l a n ks p a c eo ft e c h n o l o g ya b o u tt h ed o m e s t i ch i 曲t e m p e r a t u r em a g n e t i c f o r c ed r i v e ，a n de f f e c t i v e l yr e s o l v e dt h ep r o b l e mt h a tt h em a g n e t so ni n t e r n a lr o t o r so f s y n c h r o n o u sm a g n e t i cc o u p l i n g sw e r ed e m a g n e t i z e du n d e rt h eh i 曲t e m p e r a t u r e t e r m 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 sk i n do fn e w m a g n e t i c f o r c ec o u p l i n g so nt h e o r y , w ee s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lm o d e la n dd e r i v e dt h e c o r r e l a t i v et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h en e w - t y p ec o u p l i n gt h r o u g hm a g n e t i c c i r c u i t ，e l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ee l e c t r o m a g n e t i s mr e l a t i o n s h i p o nt h er e s o l u t i o no fi t s m a g n e t i cf i e l d ，f i r s t ，w ea d o p t e dan e ww a yi nw h i c hw ea n a l y z e di t ss t a t i cm a g n e t i c f i e l db yt h es o f t w a r ea b o u tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h e nc a l c u l a t e dt h em a g n e t i c c o n d u c t a n c eo fi t sm a g n e t i cc i r c u i t ；s e c o n d ，w ea p p l i e dc r e a t i v e l yt h e e q u i v a l e n t m a g n e t i cc o n d u c t a n c et os o l v et h ea r m a t u r er e a c t i o n ，w h i c ho v e r c o m e st h ed e f e c to f t r a d i t i o n a lw a y s ；d u r i n gd e r i v a t i o no ft h i sc o u p l i n g sp o w e ra n d t o r q u e ，w es m a s h e d t h ec o m m o nr u l eo n c em o r e ，a n da d o p t e dt h em e a n so ff r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o nt o r e p l a c et h ei n t e r n a lr o t a t i n gr o t o rb yt h em o t i o n l e s se q u i v a l e n to n e ，a n dt h e np u t a n a l y s e sa n dc a l c u l a t i o no nt h i s ，w h i c ho v e r c a m et h ed i s a d v a n t a g et h a tt h ec o m m o n w a y h a db r o u g h t m o r e o v e r , i no r d e rt oc a l c u l a t et h ee d d y c u r r e n tl o s so ft h ev e s s e l ， w ea d o p t e dt h em a x w e l le q u a t i o nt os o l v et h i sp r o b l e m ，a n do b t a i n e dt h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao ft h ee d d y c u r r e n tl o s s f i n a l l y , w et o o kag r e a tq u a n t i t yo ft e s t so nt h i s c o u p l i n g ! ov e r i f yi t sp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：m a g n e t i cc o u p l i n g s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；m a g n e t i cc i r c u i t ；e l e c t r i c c i r c u i t ，e l e c t r o m a g n e t i s mr e l a t i o n s h i p ；e q u i v a l e n tm a g n e t i cc o n d u c t a n c e ； a r m a t u r er e a c t i o n ；f r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o n ；t o r q u e i i j i k ， - ， 一 二 0 江苏大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 磁力联轴器的发展历史及现状2 1 3 目前常用磁力联轴器的概况及存在问题3 1 4 新型耐高温磁力联轴器设计的提出5 1 5 本课题的研究内容6 第2 章磁力联轴器的整体设计8 2 1 永磁材料的选择8 2 1 1 永磁材料的主要性能参数8 2 1 2 几种常用永磁材料的特点1 l 2 1 3 永磁材料的选择原则和注意事项1 3 2 2 软磁材料的选择1 4 2 3 磁路设计1 5 2 4 磁力联轴器转子设计1 7 2 4 1 主要尺寸的确定1 7 2 4 2 内转子槽形的选择1 8 2 5 隔离套的设计一。1 9 2 6 冷却装置的设计1 9 第3 章联轴器内部磁场分析计算2 0 3 1 磁路分析2 0 3 1 1 空载磁路分析2 0 3 1 2 负载磁路分析2 2 3 2 电磁分析2 4 3 2 1 联轴器电磁模型2 5 3 2 2 联轴器内转子等效电路及电压方程2 6 3 2 3 联轴器的感应电势分析2 7 3 2 4 电枢反应的直轴等值磁导2 9 3 2 5 联轴器内转子绕组参数的计算3 l 3 3 联轴器空载时的磁场有限元分析3 6 3 3 1 有限元方法的简介3 6 3 3 2 联轴器空载磁场的有限元分析3 7 i l l 江苏大学硕士学位论文 第4 章联轴器功率、转矩等分析与计算4 2 4 1 频率归算4 2 4 2 功率方程、电磁功率和效率4 4 4 3 转矩方程、电磁转矩和输出转矩4 5 4 4 联轴器功率及转矩的计算结论与分析4 6 第5 章隔离套涡流计算与影响分析o 5 l 5 1 涡流损耗公式的推导51 5 2 影响因素分析5 4 5 3 减小隔离套涡流损耗及对磁场影响的措施5 5 第6 章试验及结果分析5 6 6 1 试验装置5 6 6 2 试验所用永磁材料及其参数j 5 7 6 - 3 试验过程及结果5 8 6 4 试验结果分析6 l 第7 章结束语6 2 参考文献6 4 致谢6 6 攻读硕士学士期间发表的学术论文6 7 i v i r ， j ， 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 长期以来，泄漏问题一直是人们普遍关注的问题，也是十分严重的问题。在 工程上，泄漏现象屡见不鲜而且后果往往比较严重，如输送气体、液体的阀门、 泵类等化工设备一旦泄漏，轻则使得设备不能工作，重则整个系统乃至整个工厂 陷于停顿，不仅如此，有时泄漏还会对环境造成污染乃至对人类的生命健康构成 威胁。因此在生产实践中，人们总是千方百计地防止泄漏，这就必然要涉及到密 封问题，而在密封中难度最大的是动密封。所谓动密封是指在要求有密封的部位 有活动部件的存在。自本世纪二十年代开始，世界各国的工程师和科学家就对动 密封进行了深入地研究，出现了各种各样的密封形式及方法，使得泄漏问题得到 缓解和控制。但是，在对泄漏有着严格要求的特殊环境( 如输送有毒、有害的介 质) 下，泄漏问题仍然没有得到很好的解决。这是因为其密封机理即机械填料密 封这一形式始终没变，尽管它缓解了泄漏的程度，但不能从根本上解决泄漏问题。 随着工业的迅速发展以及安全、环保等方面的要求日益提高，在许多方面机械填 料密封已经跟不上工业生产的要求，它制约着生产的发展。 利用磁超距特性 7 1 ( 即在磁场作用下而不通过接触就能传递力及力矩的特 性) 能成功地解决特殊环境下的动态密封问题。磁力联轴器正是基于这一特性设 计而成的，它把所联接的主动、从动两传动轴截然分开，通过永磁体的磁力实现 两传动轴的无接触传动，而把联轴器的从动部分置于机体内部，从动轴无需伸出 机壳，这样便取消了各式轴封装置，把动密封转化为静密封，而静密封则可实现 零泄漏，这是一般机械式联轴器所无法实现的。 正因为如此，磁力联轴器不仅具有较高的经济价值，而且具有广阔的使用前 景【4 】【8 】【9 】【l o 】【12 1 。如石油、化工、医学、电影、电镀、核动力等行业中的液体大都 具有腐蚀性、易燃易爆、有毒有害或十分贵重等特点，泄漏则会带来工作介质的 浪费、环境污染和安全生产等多方面的问题，因此对此类介质的输送中防止泄漏 是至关重要的，而磁力联轴器与输送泵的结合磁力泵可有效解决以往机械泵 江苏大学硕士学位论文 在运输介质时的跑、漏、滴、冒现象，实现文明生产。此外，将磁力联轴器应用 于阀门上，可使得阀杆不经过阀盖，省略了填料函，形成全封闭无填料永磁传动 阀。该阀的优点在于：无填料函，可长期安全可靠运行；消除了阀杆与填料间的 摩擦力矩，使得传动省力；负压操作无外界气体进入。截止阀、甲板阀、球阀、 蝶阀等一切工业阀门均可以改造成全封闭阀门。反应釜是化工厂广泛使用的一种 混合反应设备，液体的搅拌常常在一定压力下进行，特别是反应物往往具有一定 的腐蚀性、挥发性和毒性等，因此，转轴的密封就成为反应釜的一个重要问题， 这种带有搅拌器的反应设备采用磁力联轴器传动，除了可实现绝对密封之外，尚 可避免介质的氧化和冷凝。可见，磁力联轴器应用是十分广泛的。 未来二十二世纪的制造技术不但将继续制造常规条件下运行的机器与设备， 而且将更加注重适合于极端环境下运行的机器设备的制造。不仅如此，二十一世 纪制造的产品应是符合生态环保、与人友好的绿色产品，而磁力联轴器技术正是 适应了这一发展态势，可以断言，随着技术和材料科学的进一步发展，磁力联轴 器应用前景将更加广阔。 1 2 磁力联轴器的发展历史及现状 磁力联轴器起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【1 2 】【1 3 】【1 5 1 1 2 1 1 1 2 4 1 。 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 0 年磁力联轴器才由英国人c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 首先研制成功，其产 品为磁力泵，随后世界许多国家也相继进行了开发研究。虽然磁力联轴器一出现 就受到了工业界的重视，但其应用只是到上个世纪八十年代才得到迅速发展。这 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，这类永磁体材料一 般剩磁小，矫顽力低，磁能积小，且容易受到外部因素的影响，故磁性能不太稳 定。采用这些磁性材料的联轴器在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。此外，要传递较大的轴功率，用于联轴器上的磁体体积往往 很大，要占很大的空间，这无疑将导致联轴器的体积较大，机械损耗亦较大。再 2 i 乞： 江苏大学硕士学位论文 者当时技术上的不完备，使得磁力联轴器的造价和维护费用亦很高，这些因素均 制约了磁力联轴器的广泛应用。而到了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，永磁材料的性能大为 提高，新的永磁材料的使用使磁力联轴器在运行过程中磁能损失减少，工作效率 及运行稳定性大为提高，同时也使得联轴器结构得以小型化、紧凑化。正是由于 磁性材料性能的提高以及技术上的一些突破，使磁力联轴器的可靠性和经济性有 了惊人地提高。近二十年来磁力泵的应用急剧增多，磁力泵已经成为一种常见装 备就充分说明了这一点。 目前，工业发达国家的磁力联轴器生产厂家有英国的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 su n i o n ) 、迪克( d i c k k o w ) 公司、阿尔维勒( a l l w e i l e r ) 公司、西伊( s 诚) 公司等，它们在技术上日趋成熟，产品已走向标准化和系列 化，设计也越趋复杂化吲【3 】【5 】【l l l 1 2 】【1 3 】【2 4 】。特别是英国的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，并且它们在该磁力联轴器上装有泄 漏传感器、温度传感器、p l c ( 可编程控制器) 来实时监控磁传动的工作状况。 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、新材料研究等方面。 在我国，磁力联轴器研究开发起步较晚，但在研究和设计人员的努力下也取 得了一定的成果。主要表现在：在设计理论方面提出了推拉组合磁路概念【2 3 】，并 开始注重优化设计；通过大量实验得出了一些经验公式；相继出现了一些磁力联 轴器生产厂家。但总的来说，国内磁力联轴器在技术上还有许多问题有待解决， 它影响着磁力联轴器的推广和应用。与国外相比，还存在着一定的差距【1 5 1 1 2 1 1 1 2 2 1 ， 尤其在抗高温磁力联轴器研究方面几乎是空白。我国是一个稀土大国，我们应当 打好稀土这张牌，深入研究磁力联轴器技术，提高磁力联轴器设计水平，拓宽联 轴器应用范围，为加快社会主义现代化建设做出贡献。 1 3 目前常用磁力联轴器的概况及存在问题 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。这种磁力联轴器主要由内磁转子、外磁转子和隔离套组成，( 如 江苏大学硕士学位论文 图1 1 ) 。它的内外转子上均装有磁体，磁体呈均匀布置且n 极和s 极交错排列， 同时在内外转子之间安装一隔离套，密封所输送的介质1 5 】【1 6 】【1 9 1 。该同步磁力联 轴器是利用磁体同性相斥、异性相吸原理来工作的，其具体工作方法己众所周知， 本文就不作介绍了。 i 一从动轴2 一泵体3 一内转子磁体4 一内磁转子 5 一主动轴6 一隔离套7 一外磁转子8 一外转子磁体9 一密封圈 图1 1同步磁力联轴器结构 该同步磁力联轴器由于其具有无轴封、无泄漏、磨损小、噪音低、效率高、 运行稳定等优点，故被广泛应用于石油、化工、电镀、医学、环保和制药等行业 中，用以输送剧毒、强腐蚀性、易燃、易爆、放射性及贵重液体或气体。然而， 由于温度对磁性材料的影响极大，其磁性随温度的升高而降低( 亦称退磁) ，特 别是当磁体所处的环境温度高于居里温度时，磁性材料就会出现完全退磁现象。 通常稀土永磁材料居里温度并不高，而石油、化工等行业中许多要输送的介质其 温度往往是相当高的，再者磁力联轴器运行一段时间后，也会因隔离套电涡流等 一些因素使得内磁转子温度升高，这些都有可能使得内磁转子上磁钢温度较高而 出现严重退磁现象，甚至可使得磁钢温度高于其居里温度而发生完全退磁。磁体 一旦发生严重退磁现象，磁力联轴器将不能正常工作，而且磁钢一旦退磁，当温 度降低后，其中有一部分磁性不会自行恢复，必须重新充磁才能恢复，而且即使 采取充磁措施磁体也不能恢复到原有的磁性。因此，同步磁力联轴器由于在高温 下会发生内磁钢严重退磁的问题，使得它不能用于输送高温介质，从而限制了它 的使用范围。 4 i r i 江苏大学硕士学位论文 1 4 新型耐高温磁力联轴器设计的提出 随着我国国民经济的不断发展，各部门要输送的高温介质越来越多，同时工 程中经常发现同步磁力联轴器在运行一段时间后，内磁转子因温度升高而发生严 重退磁现象，因此工程界迫切要求有一种新型磁力联轴器来解决这些问题。如何 能使磁力联轴器用于高温条件而又不发生介质泄漏问题呢? 当然可以采用研究 出耐高温、磁性能又好的永磁材料用于磁力联轴器中的方法，但就目前来说，尚 有很多困难，故本文提出一种新型耐高温磁力联轴器的设计构想。该设计是根据 电磁感应原理，并从异步电动机及永磁电机等结构中得到启发，将现有磁力联轴 器的内磁转子改为类似于异步电动机的鼠笼式转子，外转子结构基本不变( 如图 1 2 ) 。工作时由外部电机带动该联轴器的外转子旋转，从而在其内侧产生旋转磁 场，在旋转磁场的作用下内转子中产生感应电流，进而产生电磁转矩使得内转子 旋转。这种磁力联轴器是利用电磁感应作用来传递转矩的，因此在运行过程中， 内外转子总存在着转速差，所以亦可称为感应式异步磁力联轴器。该联轴器由于 内转子上不需要永磁材料，故不存在高温引起的退磁问题，同时又由于隔离套的 阻隔作用，外磁转子与所传递的介质并不接触，外磁转子可采取冷却措施，因此 介质温度高低将不会影响这种磁力联轴器正常工作。以后文中如无特殊说明，磁 力联轴器均为这种新型耐高温磁力联轴器。 l 一从动轴2 一泵体3 一导条4 一内转子 5 一主动轴6 一隔离套7 一外磁转子8 一外转子磁体9 一密封圈 图1 2 新型耐高温磁力联轴器结构 江苏大学硕士学位论文 这种新型耐高温磁力联轴器工作可靠，且生产成本进一步降低，同时维修方 便，使用寿命也将延长。可以断言，该磁力联轴器一旦投入使用，不仅有效解决 了目前磁力联轴器因内磁钢退磁而引起的磁力联轴器的失效问题，而且将会使磁 力联轴器技术的应用范围得到进一步扩大，具有很大的市场潜力。 1 5 本课题的研究内容 新型磁力联轴器设计研究需要考虑以下几个方面内容： 1 磁力联轴器磁路布置，内转子结构等与传递转矩关系的研究 通常永磁磁路布置是非常复杂的，而目前国内对于磁路排布还没有进行过 系统的研究。对于国内磁力联轴器以及一些永磁电机的永磁体而言，主要采用 径向磁化方法。磁力联轴器不同的磁路排布对磁力联轴器传递转矩能力有很大 的影响，磁力联轴器磁路排布主要考虑磁体参数( 磁极面积和磁化长度) 、磁极 数、磁体排布方式、气隙大小等。此外，内转子的结构对磁力联轴器传递转矩 的能力也有一定的影响，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的能力。 “2 磁力联轴器的整体结构设计 、 该新型磁力联轴器的整体结构设计有许多方面的问题需要考虑，例如外转子 要受到来自隔离套传来的热量，故需在结构上考虑冷却和散热问题；如果该联轴 器用于磁力泵等设备中，则内转子往往会与酸、碱等腐蚀性介质接触，那么在工 艺上就要考虑防腐问题。因此只有通盘考虑，才能设计出在整体上既符合生产要 求又具有较好经济技术效益的磁力联轴器。 3 磁力联轴器内部磁场研究 通过对磁力联轴器内部磁场的研究，可以了解磁力联轴器各种设计参数对 其工作能力的影响，为磁力联轴器的优化打下基础。而对于磁力联轴器内部磁场 的分析研究，目前市场上的有限元分析软件可以对其静态磁场进行准确地分析， 但缺乏对含有永磁体的动态磁场的分析。故本文将通过磁路、电路及电磁关系三 者理论的结合并利用有限元软件对联轴器的动态磁场进行分析求解。 6 江苏大学硕士学位论文 4 联轴器涡流损失研究 分析金属隔离套涡流产生的原因，通过对隔离套涡流损耗的理论计算，在 此基础上对产生涡流的影响因素进行分析，并提出减小涡流损失的方法。 5 功率、转矩和传动效率的研究 对该磁力联轴器内部进行电磁分析，并通过理论计算，推导出联轴器电磁功 率与电磁转矩的计算公式。另外这种新型耐高温磁力联轴器不同于目前常用的同 步磁力联轴器，由于采用电磁感应原理，能量损失较多，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，我们应尽量提高联轴器的效率，减少能量的损失。 目前，国内关于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己生产这种感应式异步磁力联轴器，但有关这方面的技 术文献很少。本课题将参考永磁电机、异步电动机和同步磁力联轴器的设计方法， 对它进行理论性研究，同时制造出样机进行试验并不断改进，从而找出该种磁力 联轴器的一套设计计算方法，使该磁力联轴器结构更加合理、效率更高以适应工 程界的需要。 7 江苏大学硕士学位论文 第2 章磁力联轴器的整体设计 磁力联轴器的整体设计，主要包括内外转子及隔离套的设计。它涉及到永磁 材料的选择、磁化方向的确定、外磁转子磁极的排布及内外转子的间隙大小( 气 隙长度) 等问题。此外，由于隔离套处于内外转子之间，它既要承受工作介质的 压力又要受到因旋转磁场而产生的涡流影响，因此其材料及尺寸大小的确定，亦 成为一个关键问题。 2 1 永磁材料的选择 磁力联轴器的性能和设计制造等均与永磁材料的性能密切相关。由于永磁 材料种类很多，性能差别很大，故本节将从设计制造联轴器的需要出发，扼要介 绍几种常用永磁材料的基本性能，同时也简要介绍选用永磁材料应注意的事项。 2 1 1 永磁材料的主要性能参数 2 1 1 1 退磁曲线 如图2 1 所示是永磁材料的磁滞回线，磁滞回线在第二象限那部分被称为退 磁曲线，它是永磁材料性能的一个基本曲线。退磁曲线上磁场强度为零时相应的 磁感应强度称为剩余磁感应强度，即剩磁b ，；退磁曲线上磁感应强度为零时相应 的磁场强度称为磁感应强度矫顽力，即矫顽力以。从永磁材料的应用角度来看， 剩磁研越大越好。在磁力联轴器设计中，为了得到所需的气隙磁势，磁体在磁 化方向上必须有一定的厚度，若材料的矫顽力越大，则磁体在磁化方向上的厚度 就可以越d , t 3 2 1 。 图2 1 磁滞回线 江苏大学硕士学位论文 永磁材料退磁曲线上每一点的b h 乘积称为磁能积，它表示磁体对外输出磁 能的大小，最大磁能积( 肼) 一是永磁材料的一个重要的性能参数，它是退磁曲 线上所有点中磁能积的最大值。通常磁力联轴器上的永磁体，其最大磁能积越大 越好，因为在获得相同的磁场能量的条件下，最大磁能积与所用的永磁材料量成 反比【3 1 】【4 1 1 。 2 1 1 2 回复直线 如图2 2 所示，已被磁化的永磁体在外界去磁磁场的作用下，磁感应强度召 将沿去磁曲线b ，c 下降，而后减小去磁磁场，它并不沿去磁i t t i 线上升，而是沿另 一条曲线耐上升，当上升到d 点后，若增大去磁磁场，则它又沿另一曲线如下 降。曲线砒叫做局部磁滞回线，严格地说点c 和点p 是不重合的，但相差十分 微小，所以通常把它近似地看成是一条直线耐，这条直线就叫回复直线。 c 磊d b r 6 h 一| h co 图2 2 水磁体的回复直线 回复直线的斜率称为可逆磁导率或回复系数，可以理解为曲线耐和曲线沈 的平均斜率。回复直线的平均斜率与真空磁导率的比值称为相对磁导率从，去 磁曲线上任意一点的相对磁导率可表示为： ，：土1 纠 所2 瓦i 硎oi 削i 其中，风= 4 万x l o h i m ，为真空磁导率。 当退磁曲线为曲线时，心的值与起始点的位置有关，是个变化量，但对于大 部分稀土永磁材料来说，退磁曲线近似为直线，回复直线与退磁曲线重合，因此， 其相对可逆磁导率可近似认为是常数【2 5 1 1 3 2 】【4 。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 1 3 稳定性 为了使磁力联轴器性能不发生变化，能长期可靠地运行，则要求永磁材料的磁 性能要保持稳定。通常永磁材料磁性能与环境、温度和时间有关，主要有热稳定 性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。永磁材料的稳定性可用磁性能的变化 率来表示。 1 热稳定性 热稳定性是指永磁体由所处环境温度的改变而引起的磁性能变化程度，故又 称为温度稳定性。任何一种永磁体的磁化强度都随温度的升高而降低，直到居里 温度时磁性全部消失。各种永磁体的居里温度并不相同，居里温度越高的永磁体 则其热稳定性越好。如图2 3 所示，当环境温度从瓦升至互时，永磁体的磁感应 强度则由b 。降为b 。，而当温度从五降回至r o 时，永磁体的磁感应强度则回升至 鼠，而不是。其后当温度在r o 和t 之间变化时，永磁体的磁感应强度则在或 和最之间变化。因此，可以看出当温度变化时永磁材料的磁性损失分为可逆和 不可逆两个部分。 图2 3 水磁体的温度特性 可逆损失是指永磁体的磁性随温度恢复而恢复，因而损失是可逆的。其可逆 变化程度可用温度系数口肼来表示p 3 牌1 ，单位为k 。 ，b l 一尉 r2 可不苟 不可逆损失是指当温度恢复后而永磁体的磁性却不能复原的那部分损失，通 常以损失率儿( ) 来表示。 l o 江苏大学硕士学位论文 豇= 塑l o o 玩 通常手册或资料提供的是室温为t o 时的剩余磁感应强度b ，。，换算到工作温 度互时的剩余磁感应强度b ，。为： = b r o ( 1 一盖) 1 一嘣正一瓦) 】 当永磁体的工作温度不太高时，其不可逆损失可以通过预稳定化处理来消 除，则上式应不计不可逆损失这一项，即取l = 0 。 2 磁稳定性 磁稳定性是指外加磁场对永磁材料磁性能干扰的程度。当永磁材料的去磁曲 线为直线且与回复直线重合时，其工作点在回复直线上来回移动，则不会因外加 磁场的影响而造成不可逆退磁现象。 3 化学稳定性 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时，内部 或表面化学结构会发生变化，从而严重影响材料的磁性能。例如，氧化会对钕铁 硼永磁材料的性能产生较大影响。 4 时间稳定性 时间稳定性是指永磁材料充磁以后在通常条件下常时间放置，即使不受周围 环境或其它外界因素的影响，其磁性能也会随时间的改变而发生变化，通常磁体 的时间稳定性是以一定尺寸形状样品的开路磁通随时间而变化的百分数来表示。 为提高永磁体的时间稳定性，通常采用预稳定化处理这一方法可基本上消除这一 不利因素。 2 1 2 几种常用永磁材料的特点【2 5 l 【3 3 1 1 3 4 j 【4 l i 2 1 2 1 铝镍钴永磁材料 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，因而使用较多。但随着铁氧体永磁材料和稀土永磁材料 的相继出现，铝镍钴永磁材料的应用范围逐渐减小，它的主要特点有： 1 剩余磁感应强度较高，最高可达1 3 5 。 江苏大学硕士学位论文 2 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。 3 温度稳定性高。 4 铝镍钴永磁材料硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花 加工。 2 1 2 2 铁氧体永磁材料 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 f e ：0 3 ) 和 锶铁氧体( 曲d f e ：0 3 ) 。它们的磁性能相差不多，但锶铁氧体的日。值略高于钡 铁氧体。它们的主要特点有： 1 价格低廉，不含稀土元素如钴、镍等贵重金属。 2 制造工艺较为简单。 3 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。 4 矫顽力较大，日，为1 2 8 - - - 3 2 0 k a m ，因而抗去磁能力强。 5 密度小，重量较轻。 6 剩磁不高，b ，仅为0 2 - 0 4 4t ，最大磁能积仅为6 4 - - - - 4 0k j m 3 。 7 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。 2 1 2 3 稀土永磁材料 稀土永磁材料主要有稀土钴永磁和钕铁硼永磁，它们都是高剩磁、高矫顽力、 高磁能积的稀土永磁材料，但在某些性能上有较大的差别，下面分别介绍它们的 性能特点。 1 稀土钴永磁材料 稀土钴永磁材料是6 0 年代兴起的磁性能较为优异的永磁材料，其特点是： ( 1 ) 剩余磁感应强度召，很高，一般高达o 8 5 - - 1 1 5t ，接近铝镍钴永磁材 料水平。 ( 2 ) 磁感应矫顽力很高，日，可高达4 8 0 - 8 0 0 k a m ，大约是铁氧体永磁 材料的3 倍。 ( 3 ) 最大磁能积( 明) m 戡也很高，1 ：5 型永磁体的最大磁能积已超过 | 江苏大学硕士学位论文 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 6 k j m 3 。 ( 4 ) 稀土钴永磁的退磁曲线基本上是一条直线，回复线也近似与退磁曲线 重合，因而抗去磁能力强。 ( 5 ) 稀土钴永磁材料硬而脆，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。 ( 6 ) 温度稳定性好，居里温度点高。 ( 7 ) 磁性强，磁极充磁后，不论在运输还是装配时均须采取有效措施以保 证人身安全。 ( 8 ) 稀土钴永磁材料的价格比较昂贵。 2 钕铁硼永磁材料 钕铁硼永磁材料是1 9 8 3 年研制出来的一种高性能永磁材料。它的磁性能高 于稀土钻永磁材料，是目前磁性能最高的永磁材料，它的主要特点有： ( 1 ) 剩余磁感应强度很高，室温下b ，可高达1 4 7 t 。 ( 2 ) 磁感应矫顽力很高，日。可高达9 9 2 k a m ( 3 ) 最大磁能积也很高，( 明) 一达3 9 7 9 脚肌3 。 ( 4 ) 温度稳定性较差，居里温度较低，工作温度仅在1 2 0 。c 左右。 ( 5 ) 由于我国钕资源丰富，铁、硼价格便宜，又不含战略物资钴，所以钕 铁硼永磁的价格比稀土钴永磁要便宜许多，但比一般永磁体要贵。 ( 6 ) 因其含有大量的铁和钕，易锈蚀，因而其化学稳定性较差。 2 1 3 永磁材料的选择原则和注意事项 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，首先要考 虑永磁材料性能，同时要兼顾价格、加工等方面。选择原则一般为： 1 应保证磁力联轴器气隙中有足够的气隙磁场和规定的性能指标。 2 在规定的环境和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。 3 有良好的机械加工性能，以方便加工和装配。 4 经济性要好，价格适宜。 江苏大学硕士学位论文 根据以上的原则，综合考虑，在新型磁力联轴器设计中，我们将优先选用 钕铁硼系列的永磁体，其次可采用稀土钴永磁。 考虑到稀土永磁材料本身的特点，磁力联轴器使用稀土永磁材料时应该注意 以下几点： 1 永磁材料实际磁性能与生产厂家的具体制造工艺有关，其数值与标准规 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。 2 稀土永磁性能优异，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。 3 稀土永磁质脆，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，因此在运输、安装过程中应采取防范措施。 4 当外转子所处的环境温度高于永磁体规定的工作温度时则必须采取冷却 措施。 5 钕铁硼永磁体容易氧化和腐蚀，在高温高压及潮湿环境下工作时必须要 有防腐蚀涂层。 2 2 软磁材料的选择 软磁材料为导磁介质，在磁路中它的作用也不小，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。 软磁材料和永磁材料一样也有磁滞回线，但它具有高磁导率和低矫顽力，故 它很容易被磁化，也容易退磁。工程上般要求软磁材料磁导率越高越好，矫顽 力越低越好。 在磁力联轴器中，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，但它要受到变化磁场的作用，故存在铁损问题，因此可选 用磁导率高，矫顽力较低且电阻率大的硅钢片叠压制成的导磁体。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 3 磁路设计 磁路设计在磁力联轴器设计中是非常重要的。一个好的磁路设计，既可以使 磁性材料的磁性能得以充分发挥，使磁力联轴器获得更大的传递转矩，又可以使 磁力联轴器结构紧凑，成本降低。 磁力联轴器磁路设计可分为动态磁路设计和静态磁路设计，静态磁路设计是 动态磁路设计的基础。静态磁路主要考虑磁体的磁化方向、磁极的布置方式、磁 极尺寸以及气隙尺寸的确定等。动态磁路则主要考虑磁力联轴器运行过程中磁能 的发挥、速度和转矩的波动、工作效率等。 联轴器的磁体磁化方向是指永磁体应按易磁化方向充磁后，在外转子上的不 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采用的 是径向磁化方式。 磁力联轴器中磁路布置方式有多种形式，如图2 4 ，按相邻不同极性的磁极 排布来分类，磁路布置可分为两类，即间隔排布和紧密排布。所谓间隔排布就是 相邻不同极性的磁极之间相隔一定的距离排列，用以防止磁级间相互作用而发生 退磁，这种磁路对于低矫顽力的永磁体来说比较适用，但其传动结构体积大，机 械损耗亦大。紧密排布磁路是指相邻不同极性的磁极之间采用无间隙排列的磁路 布置方式，它适用于高矫顽力的永磁体排布，由于永磁体矫顽力高，这样不同磁 极间的相互干扰( 使磁化强度值下降) 影响较小，因此高矫顽力的永磁体采用紧 密排布可使得传动结构体积小。磁路布置如按同极性下的磁极布置方式来分类， 也可分为两类，即拼块式和非拼块式结构。所谓拼块式结构，顾名思义，就是多 块相同极性的磁极拼成一较大的磁极。由于稀土永磁体制造工艺对晶粒的定向要 求比较严格，当稀土永磁体制成大尺寸后，则其磁性能难以保持应有的均匀程度 和大小，因此在大多数的场合下均采用拼块式磁体结构。采用拼块式结构能有效 地满足对磁体磁性能的均匀性要求严格的场合，因为小块磁体的磁性能均匀，且 江苏大学硕士学位论文 不同块间的性能一致性也好。另外，研究表明，永磁材料时间稳定性与永磁体尺 寸比l d 有关，尺寸比越大，磁体的时间稳定性越差，所以永磁体尺寸比要尽可 能的小，此时可采用多排聚磁排布，该种方式可以进一步提高工作区域的磁场， 但此种方法增加了磁力联轴器磁体布置的难度，具体方法可参见参考文献例，这 里就不予介绍了。本设计仅采用图2 4 中的紧密拼块式磁体排布方式。 明 e 田田 f g a 一间隔排布b 一紧密排布c 一多排紧密排布d 一间隔拼块式排布 e 一间隔多排拼块式排布f