（流体机械及工程专业论文）磁力泵磁性联轴器设计方法研究.pdf

江苏大学硕士学位论丈 摘要 磁力泵是利用磁性联轴器的磁力传动，实现扭矩的无接触传递的一种新型的 无密封、无泄漏、无污染的工业用泵。磁传动技术的应用，彻底解决了泵轴封处 的泄漏问题。目前，作为磁力泵关键部件的磁性联轴器，多依赖经验设计。一方 面设计合格从而投入应用的磁性联轴器，大多数是“大马拉小车，造成资源的 浪费和生产成本的提高；另一方面设计过大的磁性联轴器还会产生过大的涡流损 失功率，降低磁性联轴器的传动效率，从而降低磁力泵的效率。由于磁性联轴器 的设计方法不成熟，造成磁力泵不能大批量生产，阻碍了磁力泵的发展。 为了解决上述问题，本文从磁力泵及磁性联轴器的发展现状及研究特点出 发，用电磁场有限元分析技术对磁性联轴器磁场、磁转矩、涡流损失进行分析。 针对磁性联轴器单位磁钢体积最大磁转矩最大和涡流损失功率最小两个性能目 标函数，应用现代优化设计方法，对磁性联轴器进行优化，并提出其系列化设计 方法。研究的主要内容和成果如下： ( 1 ) 结合国内外相关资料，总结了磁力泵及磁性联轴器的发展历史、发展 趋势及研究现状；阐述了磁性联轴器的工作原理及磁路类型。 ( 2 ) 总结了磁力泵磁性联轴器磁转矩及涡流损失功率常用的计算方法及工 程上的经验公式；并提出一个考虑金属隔离套趋肤效应的涡流损失功率；结合 1 6 0 k w 大功率磁力泵，对磁力泵叶轮、蜗壳进行水力设计并对设计的泵头进行 c f d 性能预测；并阐述了磁性联轴器关键部件的设计方法。 ( 3 ) 利用电磁场有限元分析软件a n s o f tm a x w e l l ，对设计的磁性联轴器建 立二维模型，对磁性联轴器的磁场、磁转矩和金属隔离套的涡流损失进行了数值 计算，比对了经验公式计算的最大磁转矩与仿真计算出的最大磁转矩之差；对比 了两种不同磁钢充磁方向对磁性联轴器磁转矩及涡流损失功率的影响；进行三维 仿真计算磁转矩，得出三维模型计算结果比二维模型计算结果更精确；同时分析 磁性联轴器各设计参数：磁性联轴器内半径硒、磁钢厚度、轭铁厚度t i 、磁钢 轴向长度、气隙厚度乓、隔离套厚度t 对磁转矩及涡流损失的影响。 ( 4 ) 阐述了优化设计方法及数学模型，以设计的1 6 0 k w 磁性联轴器为例， 建立了磁性联轴器的多目标优化函数，以最小的磁钢体积获得尽可能大的磁转矩 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 及尽可能小的涡流损失功率。引入正交试验进行仿真试验方案设计，有效减少了 分析模型的数目，并创新结合有限元分析技术和改进的遗传算法对磁性联轴器多 目标优化问题进行优化。这种方法对磁性联轴器的优化设计有指导意义。优化所 得结果与设计目标一致。 ( 5 ) 提出了系列化设计的意义及磁性联轴器系列化设计的方法和步骤；并 给出了l l k w 、3 7 k w 、5 5 k w 磁性联轴器的磁路设计参数。 关键词：磁力泵，磁性联轴器，磁场，有限元分析，优化设计，系统化设计方法 江苏大学硕士学位论丈 a b s t r a c t m a g n e t i cd r i v ep u m pi s an e wt y p eo fs e a l l e s s ，l e a k - f r e e ，p o l l u t i o n _ f l e e m d 谢a lp u m p ，w h i c hw i t hm a g n e t i cc o u p l i n gt r a n s f e r sm o m e n tw i t h o u tc o n t a c t t h e m a g n e t i cd r i v et e c h n o l o g yc o m p l e t e l y s o l v e st h ep r o b l e mo fl e a k a g eo fs h a f ts e a l 加t h ek e yc o m p o n e n to fm a g n e t i cd r i v ep u m p ，m a g n e t i cc o u p l i n gd e s i g n i n gm o r e d e p e n d e n to nt h ee x p e r i e n c ed e s i g n o no n eh a n d , t h ee x p e r i e n c ed e s i g nm e t h o d b m u g h to nt h eb i ge r r o r sa n dw a s t e dm a g n e t i cm a t e r i a la n dp r o d u c t i o nc o s t s o nt h e o t h e rh a n d ，t h em a g n e t i cc o u p l i n ga l s op r o d u c e dal a g ee d d yc u r r e n tl o s so fp o w e r , r e d u c i n gt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo ft h em a g n e t i cc o u p l i n g ，t h u sr e d u c i n gt h e e f f i c i e n c yo ft h em a g n e t i cd r i v ep u m p d u e t ot h ei m m a t u r i t yo ft h ed e s i g nm e t h o do f t h em a g n e t i cc o u p l i n g ，m a g n e t i cd r i v ep u m pc a n n o tb em a s s - p r o d u c e d ，w h i c ha l s o h i n d e r e dt h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t i cp u m p f o rs o l v i n gt h e s ep r o b l e m sr a d i c a l l y , d e p a r t u r ef r o mt h ed e v e m p m e n ts t a t u sa n d s t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a g n e t i cp u m p a n dt h e m a g n e t i cc o u p l i n g ， e l e c t r o m a g n e t i cf m i t ed e m e n ta n a l y s i so fm a g n e t i cf i e l d ，t o r q u e ，e d d yc u r r e n tl o s s m a g n e t i cc o u p l i n gw e r ea n a l y z e d f o rt w op e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h em a g n e t i c t o r q u ed e n s i t ya n de d d yc u r r e n tl o s sp o w e rd e n s i t yo ft h em a g n e t i cc o u p l i n g ，t h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n o ft h em a g n e t i cc o u p l i n gw a sm a d ew i t hm a x i m u mt o r q u e d e n s i t ya n dm i n i m u me d d yc u r r e n tl o s sp o w e rd e n s i t ya st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n d p r e s e n t e di t ss e r i e sd e s i g nm e t h o d t h em a i nw o r k s i nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n f o r m a t i o na th o m ea n da b r o a d ，s u m m a r i z e dt h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n t , d e v e l o p m e n tt r e n d sa n dr e s e a r c hs i t u a t i o no fm a g n e t i cd r i v ep u m pa n dm a g n e t i cd r i v e t e c h n o l o g y ；d e s c r i b e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm a g n e t i cc o u p l i n ga n dm a g n e t i c c i r c u i tt y p e ( 2 ) t h em e t h o d so fc a l c u l a t i n gm 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 fp o w e r w e r es u m m a r i z e da n dc o m m o nf o r m u l a sf o rm 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 f p o w e r w h i c hu s e di n e n g i n e e r i n g w e r e i n t r o d u c e d ；c o m b i n a t i o n o f1 6 0 k w h i g h - p o w e rm a g n e t i cc o u p l i n gd e s c r i b e dt h ed e s i g nm e t h o do ft h ek e yp i e c e so f 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 m a g n e t i cc o u p l i n g ( 3 ) t h e2 da n d3 da n a l y t i c a lm o d e l so fm a g n e t i cc o u p l i n gw e r ee s t a b l i s h e db y e l e c t r o m a g n e t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s o f tm a x w e l l w ea n a l y z e dt h e m a g n e t i cf i e l d ，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 fp o w e rb ya n s o f tm a x w e l l s o f t w a r e c o m p a r e dt h ed i f f e r e n c et h em a x i m u mm a g n e t i ct o r q u ec a l c u l a t e db y e m p i r i c a lf o r m u l aa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n w ec o m p a r e dm a g n e t i ct o r q u ea n de d d y c u r r e n tl o s so fp o w e ro fm a g n e t i cc o u p l i n gw i t ht w od i f f e r e n tm a g n e tm a g n e t i z i n g d i r e c t i o n s 3 da n a l y t i c a lm o d e lo ft h ec a l c u l a t i n gr e s u l tw a gm o r ea c c u r a t et h a nt h e 2 da n a l y t i c a lm o d e l 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 so fp o w e rw e r en u m e r i c a la n a l y z e db ya n s o f tm a x w e l ls o f t w a r e ( 4 ) w ed e s c r i b e dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l s t o t h em i n i m u mv o l u m eo fm a g n e tg o tt h eb i g g e s tp o s s i b l em a g n e t i ct o r q u ea n dt h e s m a l l e s tp o s s i b l ee d d yc u r r e n tl o s so fp o w e r d e s i g no fe x p e r i m e n t ( d o e ) ，a s i n t r o d u c e dt o e f f e c t i v e l yr e d u c et h ea n a l y s i sm o d e ln u m b e r s a ne f f e c t i v ea n d p r a c t i c a lo p t i m i z i n gm e t h o df o rm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fm a g n e t i c c o u p l i n gw h i c hc o m b i n e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n i q u ea n dt h ei m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h mw a sp r o p o s e d t h i sm e t h o dh a dg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o r t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h em a g n e t i cc o u p l i n g o p t i m i z a t i o nr e s u l t so b t a i n e dw i t ht h e d e s i g ng o a l s ( 5 ) t h es i g n i f i c a n c eo ft h es e r i e sd e s i g na n dt h em e t h o d sa n ds t e p so ft h e m a g n e t i cc o u p l i n gs e r i e sd e s i g nw e r ep r o p o s e d ；a n dl l k w , 3 7 k w , 5 5 k wm a g n e t i c c o u p l i n gp a r a m e t e r sw e r eg i v e n k e yw o r d s ：m a g n e t i cd r i v i n gp u m p ，m a g n e t i cd r i v i n gc o u p l i n g ，m a g n e t i cf i e l d ， f e m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s e r i e sd e s i g nm e t h o d i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着十二五规划建议提出加快建设资源节约型、环境友好型社会， 工业生产对能源节约、环境保护越来越重视。对于具有无密封、无泄漏、无 污染等特点的磁力泵，国民生产各个领域对其需求越来越大。为了适应国内 外需求，不断扩大磁力泵使用范围、减少生产成本，以及能适应市场多样化 和个性化需要，研究磁力泵的设计方法势在必行。同时为了满足现代化生产 和石油化工公司成套设备向大型化发展，磁力泵的设计也朝着大型化发展， 主要解决寿命、高效、安全可靠等技术难趔1 1 。当前如何提高磁力泵的可靠 性及效率，降低磁力泵的生产成本是磁力泵发展的关键问题之一。磁性联轴 器是磁力泵的核心部件，磁力泵的性能和成本很大程度上受到磁性联轴器的 影响。因此基于优化设计的磁力泵磁性联轴器的系列化设计方法的研究具有 重要的价值。 磁性联轴器是磁力泵中的核心部件，磁力泵的性能很大程度上取决于磁 性联轴器，而评价磁性联轴器性能优劣的指标是磁性联轴器的传动转矩的大 小、传动能量性能的好坏、性价比以及运动的稳定性等。本文把磁性联轴器 磁钢体积、最大磁转矩与涡流损失功率作为最重要的性能参数。磁性联轴器 传递转矩的能力关键取决于磁性联轴器的最大传递转矩是否满足在不同负 载工况下运行，而不会滑脱。近年来国内设计制造的磁力泵的配套功率大多 都很小，尤其在品种上和数量上与国外还有很大差距，在设计方法上还有待 于进一步提高【2 】，特别是在大功率磁力泵及大扭矩的磁性联轴器的设计研究 方面还很缺乏。在磁力泵的能量损失分析中，磁涡流损失一般占总传动功率 的5 - , 2 5 0 1 ，由于磁力泵结构上的特殊性，决定了它的能量损失大，所以 分析磁力泵的磁场损耗，是磁力泵研究中的一个重要课题。 近年来，在无密封泵的使用领域磁力泵的应用急剧增加。目前，磁力泵 的销量大量增加，磁力泵可以满足无密封泵全部应用领域的9 0 。为此，提 高磁力泵的功率及效率，优化磁性联轴器设计有着极其重要的意义。 系列化是指把一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等，按科学 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 的规律进行分档、分级形成合理的序列，以较少的品种或规格满足最大使用 范围的标准化方式。磁力泵产品的系列化主要做磁性联轴器的系列化。磁力 泵磁性联轴器系列化设计方法的研究，能合理简化品种，扩大通用范围，增 加生产批量，延长产品的生命周期，有利于提高专业化程度，提高生产效率， 提高经济效应。 1 2 磁力泵简介 磁力泵利用磁性联轴器代替传统的联轴器，实现力或转矩无接触传递。它广 泛应用于真空系统和输送剧毒、易燃、易爆、腐蚀、贵重介质，是解决石油化工 跑、冒、滴、漏等老大难问题的有效措施。它在结构和原理上完全不同于普通旋 转轴传动装置。它具有无接触，软连接，运动平稳，振动小，低噪声，特别是静 密封状态下传递动力，绝对无泄漏等独特优点，对国民经济和保护环境都有十分 重要的意义。 1 2 1 磁力泵的结构 磁力泵主要由泵头、磁性联轴器和其它零部件组成。泵头部分主要由叶轮、 泵体( 压水室) 等零件组成；磁性联轴器部分主要由内磁转子、外磁转子、隔离套 等部件组成。图1 1 为磁力泵结构图。 2 1 泵体2 叶轮3 轴承座4 从动轴5 轴套6 滑动轴承 7 - 内磁转子8 隔离套9 外磁转子1 0 托架1 1 驱动轴 图1 1 磁力泵结构图 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 磁力泵磁性联轴器的类型 磁性联轴器也称之为磁力联轴器、永磁联轴器、磁力耦合器等，它是在外力 的作用下，利用传动部件中主、从动传动部件的永磁场所产生的耦合力( 包括吸 引力和排斥力) 来实现力或转矩无接触传递的一种传动装置。 磁力泵磁性联轴器按结构形式分主要有两种：径向式磁性联轴器即圆筒式磁 性联轴器和轴向式磁力磁轴器即圆盘式磁性联轴器，如图1 2 所示。 ( a ) 径向式磁性联轴器( b ) 轴向式磁力磁轴器 1 主动件2 主动部件磁钢3 隔离套4 从动件磁钢5 从动件 图1 2 磁性联轴器结构示意图 按工作原理可将其分为：同步式和异步涡电流式。 同步式磁性联轴器，是主、从动转子上按一定规律布置的永磁体，主动转子 带动从动转子同步转速旋转，但主、从动转子磁块之间存在一定角度的转角差。 异步涡电流式磁性联轴器 6 - 7 与同步式的区别在于内转子上没有永磁体分 布，它是根据鼠笼式异步电机原理，将同步式磁性联轴器内转子上的磁钢改为具 有高饱和磁感应强度的软磁性材料，外磁转子结构及材料不变。其工作原理是外 转子在电机驱动下形成交变磁场，内转子上的软磁性材料会因切割磁力线而产生 感应电流，感应电流和外转子上的永磁体产生的磁场相互作用形成电磁转矩带动 内转子旋转。其结构形式也分为圆筒式和圆盘式两种。此种磁性联轴器的优点是： 内转子上无永磁体，可输送较高温度( 温度达4 5 0 ) 的介质。其缺点是：内、 外转子存在转速差，故只能应用于转速要求不严格的传动中。 按磁路结构可分为：间隙分散式、聚磁式、缓变式( h a l b a c h 陈列式) 、感应 异步式。 目前，磁力泵所用的磁性联轴器主要是径向式磁性联轴器。 3 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 1 3 国内外研究现状 1 3 1 磁力泵的发展现状 1 9 4 3 年，世界上第一台磁力泵由英国学者c h a r l e s h o w a r d 和g e o f f r e y h o w a r d 兄弟设计并制造出来。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 4 1 。h m d 公司至今在全世界3 7 个国家 已销售近7 万台磁力泵。a n s i m a g 公司生产的k 1 5 1 6 系列磁力泵，自1 9 9 3 年投 入运行至1 9 9 8 年还在运行。国外的磁力泵已经走向标准化、系列化、大型化【5 】 磁力泵的发展是随着永磁材料的发展而发展的。2 0 世纪3 0 年代以后，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据了统治地位。但 由于其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 材料投入工业生产，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 等在实验室研制出了最大磁能积( b h ) m a x 为1 4 0 k j m 3 的1 ：5 型钐钴( s m c o ) 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 i - i ) m 舡 为2 3 8 8 k j m 3 的2 - 1 7 型钐钴( s m 2 c 0 1 7 ) 永磁材料，达到了当时实用永磁体磁 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 等用粉末冶金方法成功制备出钕铁硼( 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 2 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 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 眠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。 1 3 2 磁性联轴器研究现状 近2 0 年来，国内外院校及企业已对磁性联轴器及磁力传动的特性和与之配 套的金属隔离套的磁涡流损失特性等做了大量的研究。李国坤、曹卫东、叶子兆 i s 、王景海等对磁性联轴器的传动力矩提出了计算式。杨志轶【9 】9 从等效磁荷理论 出发，得出了基于三维的轴向磁性联轴器传动力矩计算表达式。陈志刚【1 0 l 建立 4 江苏大学硕士学位论文 了圆筒型磁性联轴器的等值磁路图，并从气隙磁场的分析出发，提出了磁性联轴 器传动转矩的计算方法；f u r l a n iep 【1 1 d 2 1 对基本形式的同步径向及轴向磁性联轴 器分别使用等效磁荷法和等效电流法提出了适用于参数化计算与优化的磁转矩 计算公式。施卫东【1 3 1 提出了设计磁性联轴器结构、磁路、隔离套的新方法，并 对磁力传动转矩进行了分析与计算。袁丹青f 1 4 l 将h a l b a c h 阵列应用于磁性联轴 器，并对其传动特性进行研究分析。李志鹏【1 5 1 提出了以磁钢材料最少为设计目 标的磁性联轴器的优化设计数学模型。李国坤、周朝纪、陈存东、赵克中、冯忠 明等【临刎推导了磁性联轴器隔离套中的涡流计算经验计算式。j e a nf r d d 6 d c c h a r p e n t i e r 2 1 】对圆筒型磁性联轴器磁钢充磁方向为径向、切向和径切向相结合的 三种无轭铁的结构进行磁转矩比较，得出的结论为径切向相结合的磁钢排列产生 的磁转矩最大。p e l i e s 2 2 论述了圆筒型磁性联轴器内外磁钢之间相互作用产生 的切向力的解析公式，提出该切向力随着磁钢轴向长度呈非线性的变化，并分析 了圆筒型磁性联轴器各个结构参数一极对数、工作气隙厚度、永磁体几何尺寸、 气隙平均半径及转角差，对磁性联轴器特性的影响。 在磁性联轴器系列化方面王玉良【捌起草了c l t 、c l n 型永磁联轴器的专业 标准，给出了系列尺寸与编制说明。 在基于数值模拟的磁性联轴器优化设计方面，孔繁余 2 4 - 2 5 对磁性联轴器进行 简化，利用a n s y s 软件，对二维磁性联轴器进行数值模拟，得到磁场分布图和 磁转矩值，并分析了在不同磁转角下，不同气隙厚度、轭铁厚度、永磁体厚度、 磁钢材料、磁钢对数的转矩值。张清【2 6 】利用有限元法对圆盘式磁力驱动器的涡 流损耗进行了分析。李建萍阳对永磁体排列方式引入h a l b a c h 阵列，并利用有限 元方法对传统阵列与h a l b a c h 阵列进行比较分析研究，得出h a l b a c h 阵列的永磁 体排列方式能提高磁性联轴器气隙磁感应强度，增加磁转矩。w w u 2 8 用有限 元分析软件a n s y s 对磁性联轴器三维模型进行分析，进而优化设计，并且讨论 了最优化设计的步骤。l u ip i n k u a n 2 9 在研究用于真空机器人中的内外轴式磁性联 轴器时提出了一种引入正交试验法与小范围穷举法相结合的优化设计方法。这种 设计方法在较小步长，较多水平数的情况下非常适用。王禹林【删对计算磁块间 隙排列的组合推拉式磁性联轴器传动转矩的三种方法( 改进后的等效磁荷法、片 电流法、三维有限元法) 从求解效率和求解精度两个方面进行了比较，并提出了 5 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 一种正交试验法与标准的最优值搜索技术相结合的实用的优化设计方案。 1 4 本文研究的内容 1 总结磁性联轴器磁转矩及涡流损失计算公式；在考虑磁性联轴器金属隔 离套涡流趋肤效应的情况下推导出其涡流损失功率公式；设计功率为1 6 0 k w 的 磁性联轴器并对磁力泵叶轮、蜗壳进行水力设计。 2 磁性联轴器磁场数值模拟 ( 1 ) 运用m a x w e l l2 d 电磁场有限元分析软件对径向磁性联轴器进行静态仿 真分析。分析几个磁转角( 萨0 。、1 0 。、2 0 。) 磁力线、磁感应强度、气隙不 同半径处磁感应强度。 ( 2 ) 运用m a x w e l l2 d 电磁场有限元分析软件对径向磁性联轴器进行瞬态仿 真分析。分析不同转角时的磁转矩值；比较了不同充磁方向的永磁体对磁转矩及 涡流损失功率的影响。 ( 3 ) 采用m a x w e l l3 d 对径向磁性联轴器的磁转矩计算，分析端部泄漏对磁 转矩的影响；分析磁性联轴器各个参数包括轭铁内半径、磁钢厚度、轭铁厚度、 气隙厚度、磁钢轴向长度、隔离套厚度对磁转矩及涡流损失功率的影响。 3 磁性联轴器的优化设计 提出了磁性联轴器多目标优化函数；创新地运用正交试验设计法与改进的遗 传算法相结合的优化设计方法，对磁性联轴器多目标函数进行优化；在磁性联轴 器优化设计的基础上，提出了磁性联轴器系列化设计方法，并根据提出的系列化 设计方法，给出了l l k w 、3 7 k w 、5 5 k w 磁性联轴器磁路设计参数。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章磁力泵磁性联轴器关键技术与设计 2 1 磁转矩计算 磁性联轴器是磁力泵的关键部件。它的性能好坏直接影响到磁力泵性能。而 磁转矩的计算又是磁性联轴器设计的关键。磁性联轴器磁转矩的大小是受很多因 素影响的，如磁钢的几何尺寸、磁钢的排列、内外磁钢的距离、内外磁钢的磁转 角差等。磁性联轴器的磁转矩计算是相当复杂的，在许多方面只停留在经验数据 或经验公式的阶段。国内外使用解析法和有限元法对计算磁性联轴器磁转矩方面 进行了大量研究。磁力泵磁性联轴器的计算方法很多，如等效电流法、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1 3 1 】。本文将介绍组合推拉磁性联轴器的几种计算磁转矩的方法。 2 1 1 退磁曲线法和磁导法【3 2 】 下面考虑理想磁钢的情况下，当外磁转子( 主动) 与内磁转子( 从动) 相互 静止时，磁钢的工作点为c 点。当外磁转子与内磁转子相互转动( 磁转角差为0 ) 时，磁钢的工作点由c 到a ，如图2 1 所示。 b “一一| 。 竹、 t 。在 又 l 。飞 w 7 f 图2 1 理想磁体上工作点的变化图2 2 内外磁钢相对位移示意图 根据静磁能理论，磁钢由c 点至a 点所作的功： w = a o a c 的面积x 磁钢体积= ( a o a b , 的面积一a o c b r 的面积) 磁钢体 积2 三b 一日：以2 耳一h o s t ( 2 1 ) 式中： s m 、卜内、外磁钢的面积和高度。 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 且、h ：一、c 点对应的磁场强度。 由静态磁路基本方程基尔霍夫第一定理： b 。s ，= b g s g ( 2 2 ) 基尔霍夫第二定理： h 。t m = 日g t g( 2 3 ) 式中：下标m 、g 代表磁钢与气隙；b 、s 为对应磁感应强度与面积。 由两个公式可得工作点c 、a 的磁性联轴器气隙处磁感应强度与磁钢磁感 应强度的关系： b m = 一b ：s s ，h m = f h ：t g 皿= c r 2 2 s 8 ，也乙= 厂2 以2 名2 + ( 加) 2 式中： 上下标1 、2 代表工作点c 、a ； 叽厂分别为漏磁系数和磁阻系数； r 为内外磁钢的平均半径； 当外磁钢转动口角时，气隙处的磁路发生改变，在平均半径处经过的弧长为 r o ，磁路长度为以2 + ( ，秒) 2 ，如图2 2 所示。 令t 觚矽2 r o t g ，则 历丽2 忐 在圆筒式磁性联轴器中可以始终认为s 。= s 窖，则可推出 且等半 ， 易= f 0 - 2 刁n 2 面t t n “o ( 2 6 ) 对于稀土永磁材料，退磁曲线近似为一条直线，即 b = 茸一心日( 2 7 ) 8 江苏大学硕士学位论文 于是在工作点c 、a 两点上可得 僻凑1 q - 玉 ( 2 8 ) 鹏2 嘉0 - 2 t m ( 2 9 ) 1 + 一= i c 0 s 缈 将式( 2 8 ) ，式( 2 9 ) 4 q 涧( 2 1 ) 得到磁钢由c 点至a 点所作的功 w = 耳一日：，& 乙= 去耳2 ( 1 + 等c o s 矽 。1 一( 1 + 乒等 1 g 1 z = 一毫警2 去耳2 ；等( i ：摹霎裔q 1 1 z = ( 志 2 k 协风分“悬s m ( 譬) 阿叫 矽 化勰m = 警； 既、阮r 工作点的磁感应强度和磁场强度。 9 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 嘣磁体产生的磁场强度，日2 1 4 万聊1 一丽t r 7 7 。e ； j 极面形状的经验系数，扇形面肌= 1 0 5 ，矩形面j = 1 2 4 ： 胁磁极的极数； - 磁极的极面积，c i x l 2 ； k 磁体厚度，c m ； o - 工作气隙宽度，c m ； 分_ 极弧长，t o = l r 2 ( 内磁极外弧+ 外磁极内弧) ，c m ； r - _ 隙中心到旋转中心的半径，c m $ 卜转差角，度。 n s i n ( t o o ) = 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 1 3 经验公式求解法p q 这种计算方法与其他解析计算方法不同，在计算过程中不需要人为地添加一 些修正系数，不需要计算漏磁系数及磁钢工作点等复杂过程。而是直接利用公式 进行计算气隙中心的磁场强度进而计算磁转矩。气隙中心磁场强度主要是相对的 内外两块磁钢产生的磁场强度的叠加，计算公式如下： 皿= 鲁 一赢蠹一一雨意赫 ( 2 1 3 ， 也= 等 一赢一a r c 伽万荣卜 h g = h i + h o q 1 5 式中： 既一内磁转子磁钢产生的磁场强度，o e ： 日0 一外磁转子磁钢产生的磁场强度，o e ； 魄气隙磁场强度，o e ： 8 ，磁剩余磁感应强度，g s ； 1 0 江苏大学硕士学位论文 o o 隙厚度，c m ： 磁钢轴向长度，锄； 厶r 一内磁钢内弧长，锄； s r 内磁钢外弧长，u - a i ； 三s 广一夕f 、磁钢内弧长，c m ； 三s 广外磁钢外弧长，c i i i ； 一内磁钢厚度，c i i i ； 广外磁钢厚度，c m 。 当内外磁转子的磁转角口等于磁钢磁极张角一半时，磁性联轴器产生的磁转 矩最大，计算公式为： 1 2 言b 日g & r m ) ( 2 1 6 ) 式中： b ，磁钢剩余磁感应强度，t ： 魄一气隙磁场强度，o e ； 岛广_ 内外磁钢气隙处磁极相互作用的总面积，c m 2 ； r r 内磁钢外半径，c m 。 为了便于工程计算将上式从国际单位制( m k s a ) 换算成高斯制( c g s ) ，并确 定磁转矩的单位为k g f m ，则上式改写成为： k = ( 去2 去以r 蜉c m ) ( 2 1 7 ) 式中： 曰，磁钢剩余磁感应强度，g s ； 域厂气隙磁场强度，g - s ； 品一内外磁钢气隙处磁极相互作用的总面积，c m 2 ； r r 内磁钢外半径，c m 。 从上式可以看出，最大磁转矩与磁钢剩余磁感应强度、气隙磁场强度、磁极 总面积及内磁钢外半径成正比。而气隙磁场强度又与磁钢的几何形状、气隙长度、 磁钢剩磁密切相关。根据上述公式反复计算找出磁性联轴器的最佳设计参数，以 避免设计的盲目性。 1 1 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 对经验公式观察所得，经验公式没有体现内外磁转子的轭铁及气隙厚度对磁 性联轴器磁转矩的直接影响，在公式中轭铁尺寸间接影响到内磁体的外半径r 2 从而影响磁性联轴器的磁转矩，所以轭铁的参数选择只考虑了磁性联轴器整体尺 寸大小；而气隙厚度越小计算出来的磁转矩值越小与实际情况相反。同时，工程 实践表明仅仅通过经验公式对磁性联轴器磁转矩进行计算是不够的，要通过多种 方法对磁性联轴器设计参数进行校核。 2 2 涡流损失的计算 2 2 1 涡流损失的产生 磁力泵的核心部件隔离套要承受介质的压力，特别是大功率的磁力泵，隔离 套受强度限制。隔离套必须采用金属材料。当内、外磁转子高速旋转时，由于磁 场方向和大小按一定规律随时间而变化，从而使金属隔离套壁壳中的磁通量也随 时间而变化，作为导体将产生环绕磁通量变化方向的涡流，即环形电流【奶。 2 2 2 涡流损失的计算 精确计算涡流损失是比较困难的，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。因此比较精确地计算涡流损失的大小，是发展高速、高 压、大功率磁力泵的重要条件。表2 1 为国内各学者提出的涡流损失计算公式 【3 渊】。 江苏大学硕士学位论文 表2 1 涡流损失计算公式 序号涡流损失计算公式 时间作者备注 1 己= ；矿似竹2 鼠2 己= k n 2 p d 2 删i 一 2 1 9 9 4 焦 李国坤 = k t n 2 r y m i 。 只= 3 3 7 x 1 0 趣x t n 2 r y m 。 与公式2 31 9 9 8 焦周朝纪 同 4 = 老砌2 啦 ! 9 9 9 年施卫东 m 。= ( k n r t p ) m t 一 与公式2 、 52 0 0 0 年陈存东 3 同 6p ：七鱼厅镭z d 屯 2 0 0 2 年 李飞明 p 7 己出3 r 等厂 2 0 0 3 年 赵克中 于华字 8 己= k 堡4 掣a u l 厂 2 0 0 4 年 萧建邦 冯忠明 9 _ = 旦_ = 2 9 - 8 x l 二暑n r 鱼 2 0 0 5 年 乙 p 陈存东 2 2 3 涡流损失的计算推导 参照交变磁通穿过迭片铁心的涡流损失功率陶推导过程，考虑涡流在金属隔离套 壁面的趋肤效应。 基本假设： ( 1 ) 由于隔离套的厚度与其它两个方向上的尺寸相比很小，在隔离套内部所产生 的涡流主要由气隙磁场的径向分量所引起，故只考虑气隙磁场的径向分量，并计算其 在隔离套内部所产生的径向电场和径向涡流； ( 2 ) 只计算原交变磁场在隔离套内所产生的涡流，忽略涡流产生的附加交变磁场 在隔离套内产生的涡流。 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 将圆筒形金属隔离套展开成平板，隔离套内产生的涡流围绕永磁体磁极形成闭合 回路，如图2 4 所示。 繁 f 锄i ”t 刚， i l 网 固 【i l j j 。土一 _ l 刚 圈 w l ， 料川 r 1 6 一 ：l n d 图2 4 隔离套展开图 图2 5 圆筒形隔离套涡流图 由于内、外永磁体同步旋转，隔离套处于永磁体为励磁源的气隙交变磁场中。 假设磁块的宽度远小于其轴向长度，则隔离套内产生的涡流可近似于图2 5 所示 的从隔离套一端流向另一端，从而将隔离套看成是无数薄片组成。假设薄片的厚 度为b = 2 a ，它远小于长度三和宽度t ，磁场与z 轴平行，感应的涡流基本上按直 线流动，包围了整个隔离套的磁通，如图2 4 所示。按图示电场和磁场都只有一 个分量，分别为岛和飓，均随坐标x 变化。考虑金属隔离套趋肤效应，根据涡 流方程的常微分方程： 1 4 江苏大学硕士学位论文 粤6 t , g = j 弘a 圣，= y 2 圣， 可d z h z = j c o p c r n 庐矿矗： 求出愿：膏芦p 。p + a 2 e r x 式中： 厂= 厮- ( 1 枷半_ ( 1 埘茁= 州 弘邗= j 半 h z z ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 图2 6 薄片中的电磁场与涡流 a j ，如为两个任意复常数，可根据边界条件确定。令x 轴的零点位于薄片 的中央，用皿代表在薄片左右边界面上磁场强度的复振幅，即石= 口，皿= h o ， 则可根据这类边界条件来求a j ，如，所以 4 = = 丽n o 代入式( 2 2 0 ) 得 矗z = 矗。掣 c h y a 磁力泵磁性联轴器设计方法研究 叠，= 艺娑 。 s h y a 式中： y = 口+ | ，其中反为衰减常数： 声为相位常数。 于是，与马相应的涡流密度为 j y = o e 。y = 莎艺篇 度= 膏。等堡= 或雩丝 c h t ac l y a 则穿过薄片的全部磁通用复数表示为 叫2 趣出= 三玩篆出= 半历朋 磁通的幅值 悱i 挚臁 除以薄片的截面积b ，得到平均感应强度，其幅值为 吃= 警愿磊= 字黯 式中：乒也辖半。 薄片每堕付佑积的涡流榀央功盎曲 曰= 1 2 ，击咖= 万1 盯或毒咖= 警而s h e - 面s i n 孝 一仃缈2 b 2 磁3 砌善一s i n e 2 4 考c h 专一c o s 专 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) = 可o - o ) 2 b 2 8 2 f ( 。( w m 3 ) ( 2 柳 内径为，的整个隔离套的涡流损失功率为 1 6 江苏大学硕士学位论文 p 。= l t re d b = l t c r c 0 2 8 2 f r d 2 d b ：l t 口r r a 2 8 2 8 n 3 r 3 f ( 善) 2 4 3 、j ， = l t o - c 0 2 歹万z r a b 2 ，( 。( 哪 ( 2 2 5 ) 式中哟= 詈，篆嚣= e ，在墨1 时，把双曲函数和三角函数展开成级数