（化工过程机械专业论文）磁力泵磁力驱动仿真系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 磁力驱动泵中的磁力传动系统一般由内磁转子、外磁转子、隔离套组成。内 磁转子与被传动件相连，外磁转子与动力件相连。磁力传动装置除了具有弹性联 轴器缓冲吸振的功能以外，其最大特点在于可以将内磁转子与被动件完全封闭起 来，并且在没有机械接触的情况下，通过磁力作用将动力件的运动与力传递给被 动件，从而将动密封变为静密封。因此，磁力驱动器被广泛应用在对密封有特殊 要求的环境，如石油、化工、制药、食品、航空等领域。 在磁力驱动器设计和校核过程中，往往需要反复进行设计一建模一分析一修 改设计一再建模再分析”的过程，且过程繁琐、易出错、费时费力。因此本文开 发了磁力驱动仿真系统。该系统包括：参数化设计、参数化建模、参数化有限元 分析三个部分。 本文的三维参数化设计系统是在研究圆筒式径向磁力驱动器结构特点、设计 流程和设计方法的基础上，以s o l i dw o r k s 软件为支撑平台，利用v i s u a lb a s i c 语 言对s o l i dw o r k s 提供的a p i 函数进行二次开发而形成的一个系统，该系统可以 快速实现磁力驱动器各部分零件的自动建模和装配。 基于a n s y s 有限元软件，对圆筒式径向磁力驱动器的磁场采用矢势法和标 势法建立2 d 、3 d 模型，对其磁场进行求解计算，分析研究磁力线分布，磁感应 强度分布，磁力矩大小和涡流大小。 针对有限元软件在磁力驱动器设计中的应用要求，基于a n s y s 平台开发了 参数化的磁力驱动器有限元分析系统。该系统将参数化技术引入磁力驱动器结构 的有限元计算，初步实现了磁力驱动器结构有限元建模、计算和后处理的全程参 数化：借助面向对象可视化编程软件v i s u a lb a s i c ，利用w i n d o w s 的进程通信机 制，建立了基于信息的控制中心，完成程序与a n s y s 问的数据传递，实现了对 a n s y s 的封装，从而形成专业化、参数化的有限元计算系统。 所研发的磁力传动仿真系统，便于磁力驱动器在一定结构不同参数下，快速 更新模型，进行有限元仿真分析。上述的研究方法与成果丰富了磁力泵磁力驱动 装置的研究内容，为磁力驱动器的研究探索了高质量低成本的设计分析方法。 关键词：仿真系统，可视化建模，有限元分析，磁力驱动器，二次开发 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a g n e t i cd r i v es y s t e mo ft h em a g n e t i cd r i v e rp u m pi su s u a l l yc o m p o s e do f i n n e rm a g n e t i cr o t o r 、a n dc o n t a i n m e n ts h e l l t h ei n n e rm a g n e t i cr o t o rc o n n e c tw i t h t h eb e i n gt r a n s m i s s i o n e dp a r t s ，a n dt h eo u t e rm a g n e t i cr o t o rc o n n e c tw i t ht h e t r a n s m i s s i o np a r t s m a g n e t i ct r a n s m i s s i o nh a st h ef u n c t i o no fe l a s t i cc o u p l i n g v i b r a t i o na b s o r p t i o n ，a n dt ot h ep o i n t , i tc a nc o m p l e t e l ys e a lt h ei n n e rm a g n e t i cr o t o r a n dt h eb e i n gt r a n s m i s s i o n e dp a r t s w i t h o u tt h em e c h a n i c a lc o n t a c t ，i ta l s oc a np a s s t h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i co ft h et r a n s m i s s i o np a r t st ot h eb e i n gt r a n s m i s s i o n e dp a r t s b ym a g n e t i ca c t i o n ，s ot h a tt h ed y n a m i cs e a l b e c o m e st os t a t i cs e a l t h e r e f o r e ， m a g n e t i cd r i v ei sw i l d l yu s e di nt h ee n v i r o n m e n to fw h i c hh a ss o m es p e c i a ld e m a n d s o fs e a l ，s u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，p h a r m a c y , f o o da n da v i a t i o nf i e l d d u r i n gt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i n go fm a g n e t i cd r i v e r s ，t h ep r o c e s s “p r e l i m i n a r y d e s i 掣o d e l i n 争a n a l y s i s _ r e v i s i o m r e - d e s i g n - - r e - m o d e l i n g - - r e - a n a l y s i s w i l l b ec a r r i e do u tr e p e a t e d l y ，a n dt h ep r o c e s sa r eo p e r a t e dc o m p l e xt h er e q u i r e m e n tt o u s e r si st o om u c h ，a n dt h eu s e rb ea p tt om a k em i s t a k ed u r i n gt h ep r o c e s s i n g t o s o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h es t u d yh a sd e v e l o p e dam a g n e t i cd r i v e r s i m u l a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e mc o n t a i n st h r e ep a r t s ：p a r a m e t r i cd e s i g n ，p a r a m e t r i c m o d e l i n ga n dp a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n t t h es t u d yo f3 dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mi sb a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t r u c t u r eo ft h ec y l i n d e rt y p e dr a d i a lm a g n e t i cd r i v e ，d e s i g nf l o wa n dd e s i g nm e t h o d t h i ss y s t e mu s es o l i dw o r k sa st h es u p p o r t i n gp l a t f o r ma n dt a k ev bl a n g u a g et od o t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft h ea p if u n c t i o no fs o l i dw o r k s i tc a nr e a l i z et h e a u t o m o d e l i n ga n da s s e m b l i n go fe v e r yp a r t so f t h em a g n e t i cd r i v e b a s e do na n s y s ，t h es t u d yu s ev e c t o rp o t e n t i a lm e t h o da n ds c a l a rp o t e n t i a l m e t h o dt ob u i l d2 d ，3 dm o d e l so ft h em a g n e t i cf i e l do fc y l i n d e rt y p e dr a d i a l m a g n e t i cd r i v e ，t h e nd ot h es o l u t i o nc o m p u t a t i o na n da n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cl i n e ，t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i ci n d u c t i o n ，t h es i z eo ft h em o m e n to f m a g n e t i cf o r c ea n dt h es i z eo fe d d yc u r r e n t 江苏大学硕士学位论丈 at e m p l a t ef o rm a g n e t i cd r i v e r ss t r u c t u r ec a l c u l a t i n ga n da n a l y s i sb a s e do n a n s y si sb u i l t t h e s y s t e mp o s s e s s e st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：1 am e t h o do f p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rm a g n e t i cd r i v e r si sp r e s e n t e d i nt h i ss y s t e m ，t h e f e am o d e li sd r o v e db yt h ep a r a m e t e r s 2 t h r o u g hp r o c e e d i n gc o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s mo fw i n d o w s ，t h ec e n t r eo fc o n t r o lb a s e do np a s s a g e si sf o r m e d i tc a nb e u s et h ea n s y sa sas u b p r o g r a m t h ed e v e l o p e dm a g n e t i cd r i v e rs i m u l a t i o ns y s t e m ，u n d e rt h ed i f f e r e n td e s i g n p a r a m e t e r , i sa d v a n t a g e o u sf o r t h em a g n e t i cd r i v e rt or e b u i l dt h em o d e lf a s t ，a n dc a r r y o nt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s t h ea b o v ec o n c l u s i o na n dt h em e t h o dh a v e e n r i c h e dt h em a g n e t i cd r i v e rr e s e a r c hc o n t e n d ，a n de x p l o r e dal o w e rc o n s u m p t i o n h i g h e rq u a l i t yd e s i g na n da n a l y s i sm e t h o d k e yw o r d s ：s i m u l a t i o ns y s t e m ，v i s u a l i z a t i o nm o d e l i n g ，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 cd r i v e r , r e d e v e l o p e d n l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文 保密口，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密击 学位论文作者签名：歹侈青春指导教师签名专嘏孪 2 ? 年j 胡j 8 日 砷年乙月廖日 独创性声明 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，均己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：移孝砉 日期：川年z 月 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题的提出及论文研究的目的和意义 在工业生产不少场合，对传动机构提出了特殊要求：( 1 ) 在石油、化工、制 药等行业的工业生产中，对有毒、易燃、易爆、腐蚀等特殊介质进行输送并对介 质流量进行调节和控制。( 2 ) 在低温核供热堆中，需对热交换器循环液体进行调 整、输送和控制；在高温气冷堆中需对核燃料元件进行可靠的输送。( 3 ) 在科学 试验中，一些样品的投入与取出需要采用特殊的传动机构，以满足超洁净等要求。 对上述的场合中，要求主、从动组件相对完全密封，并且主、从动组件的运 动方向、运动速度、运动形式在同步或不同步运动状态下完成各自的运动轨迹。 理想状态是力或力矩在传递中，主、从动组件不接触、相对隔断分离，实现区域 性封闭，达到全密封、无泄漏。 本课题将对磁力传动机构进行分析和研究。在磁力传动机构中，主、从动组 件传递的力和力矩是通过磁场耦合力实现的，可与不同运动型式的机械传动机构 相组合，实现主从动机构完全分离，获得动态下的静密封，保证零泄漏，且振动 小、噪音低、机构简单。 本文在采用具有无纸化、智能化、拟实化特征现代设计手段研究磁力驱动泵 的磁力驱动系统。对磁力驱动装置虚拟仿真设计进行深入的研究，探讨参数化建 模的方法，研发了磁力驱动仿真系统。 本文的成果丰富了磁力驱动泵和永磁传动装置的研究内容，为磁力驱动装置 的研究探索高质量低成本的设计分析方法，并为解决永磁传动装置在工程应用转 化遇到的技术难题提供参考方案，对磁力传动机械的发展有着非常重要的借鉴意 义。 1 2 磁力驱动技术的基本原理及特点 1 2 1 磁力驱动的基本原理 磁力驱动是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁所产生的磁力作 江苏大学硕士学位论文 用，来实现力或转矩( 功率) 无接触传递的一种新技术。实现这一技术的装置称 为磁力驱动器，或磁力传动器、磁力耦合器、磁力联轴器等【1 1 。 1 2 2 磁力驱动和机械驱动的区别 磁力驱动和机械驱动的根本不同点，在于它向传动部件传递转矩和力时， 利用磁场透过磁路工作问隙或隔离套的薄壁传递力矩。比如磁力驱动泵和磁力驱 动搅拌反应釜，采用磁力驱动密封装置后取消了传统的机械传动泵、釜采用的轴 接触式的动密封装置，变动密封为静密封。因此从根本上消除了传动轴密封处所 产生的泄漏，解决了工业用泵、釜等设备一直存在的跑、冒、滴、漏和机械密封 发热、磨损等一系列问题，为安全可靠输送或搅拌反应有毒、易燃、易暴、腐蚀 以及各种贵重介质创造了条件【2 1 。 1 2 3 磁力驱动技术的应用 ( 1 ) 磁力驱动技术的应用特点【2 】 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；可避免振 动传递，实现平稳运行：可实现过载保护；与刚性联轴器相比较，安装、拆卸、 调试、维修均较方便；可净化环境，消除污染，实现文明生产【3 1 。 ( 2 ) 磁力驱动技术经常应用在如下领域： 磁力制造工程：磁力铸造，磁力压力加工，磁力焊接，磁力切削加工。 磁力机械工程：磁力机械零件和磁力机械。 磁力其他工程：磁力国防工程，磁力农业工程，磁力医疗工程，磁性 日常用品，磁力探伤。 ( 3 ) 磁力驱动技术存在如下问题： 磁场的存在可干扰周围的环境。 磁力驱动器在启动过程中易产生滞后。 磁力驱动器与接触式密封装置相比较，效率相对降低 1 3 磁力驱动技术的发展历史及现状 磁力驱动技术早在2 0 世纪3 0 年代开始被人们所提出。1 9 4 3 年，g e o f f r e y 2 江苏大学硕士学位论文 和c h a d sh o w a r d 兄弟设计制造出了第一台磁力驱动泵。2 0 世纪7 0 年代起， 磁力驱动技术又被一些科技工作者重视和关注，引起了进一步的深入研究，有了 很大的发展和在工业中的逐步应用。如磁力驱动技术在泵上的应用就是显著的一 例。2 0 世纪7 0 年代的磁力驱动离心泵，主要是采用铁氧体永磁材料和铝镍钴 永磁材料，这些材料不但存在着易退磁、占用空间大、传动效率低等缺点，而且 造价和维修费用比较高。因此，在应用上受到了限制。2 0 世纪7 0 年代后期随 着稀土永磁材料，如稀土钴和钕铁硼等新兴永磁材料的发展和应用，促使磁力驱 动技术有了迅速的发展和极大的提高。如采用钐钴永磁材料制成的磁力驱动器， 在传递相同转矩时与采用铁氧体永磁材料制成的磁力驱动器相比，差距很大。钕 铁硼永磁材料的磁能积已达到3 8 m g s o e ( 1 g s = 1 0 4 t 1 0 e - - 7 9 5 7 7 5 a m ) 以上。 从而可使磁力驱动器传递转矩( 功率) 能力提高3 4 倍，传递的最大功率已达到 4 0 0 k w 。进入2 0 世纪8 0 年代后，磁力驱动技术在泵工业上的应用迅速发展， 磁力驱动泵已经成为石油、化工、制药等许多领域中的常用设备【1 1 。 英、德、日、美、意等国对磁力驱动泵研究和开发较早。当今国际上磁力驱 动泵发展最快的是德、英、日、美等国家。日本主要在7 5 k w 以下功率领先， 特别是其塑料泵的工艺，质量很好，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 公司今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 ，功率达到3 5 0 k w l 4 1 。 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，已经先后成 功地研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 已经达到国际先进水平。该所开发的新型组合推拉式稀土钴磁力驱动器和磁力驱 动设备已经投入大批量生产，在许多工业部门中得到了广泛的应用。所生产的磁 力驱动泵的功率达到1 8 5 k w ，流量1 5 0 m a h ，扬程达3 8 0 m 1 1 l g l 。 从国内外磁力驱动泵的发展情况看，目前的发展趋势是由小功率向大功率方 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【6 】门。 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。这种泵型不但成本低而且制造工艺比较简单。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四氟乙烯注塑成 3 江苏大学硕士学位论文 型，泵壳耐压1 5 m p a ，耐温1 5 0 。cf l i t s 。 现阶段，我国磁力驱动泵的发展趋势除了应大力开发耐强腐蚀性介质的磁力 驱动塑料衬罩泵，采用聚四氟乙烯等工程塑料、陶瓷复合等材料，以满足我国化 工行业的需求外，还应当开发并采用以太阳能为能源的磁力驱动泵以开发大功率 耐高压、高温的磁力驱动泵，其耐压能力应达到5 0 m p a ，介质温度应达到5 0 0 ， 电机功率应达到3 0 0 k w 。此外开发以永磁电机驱动的磁力驱动泵的应用提到日 程【1 1 。 y b y i l d i r l 9 】采用三维空间的拉普拉斯方程解决一个边值问题，分析了磁驱动 血液泵中磁力耦合器的磁场力的耦合关系。 p a nz h e n g l l o l 等设计并制作了用于输送血液的磁力螺杆泵，他对磁力耦合器 三种磁路排列方式做了磁场模拟，分别计算了三种磁路排列的力和力矩，提到了 气隙和转角差对磁场力和力矩的作用效果，并对泵的性能做了试验研究。 对磁力耦合器的研究方面，r m h o m m i c h 1 1 】和s s h t r i k m a n 1 1 l 对同步转矩的 磁力耦合器做了优化设计。 m n n a r g r i a l 1 2 】对使用高性能永磁的磁力耦合器的设计方案做了优化。 m j s c h r o d e r 1 3 】对磁力耦合器进行了优化设计。 c f e r r e i r a 和j v a i d y a 1 4 】用二维和三维有限元法，对永磁耦合转矩做了分析。 w w u h c l o v a t t t l 5 】和j b d u n l o p1 1 5 1 用三维有限元模型对磁耦合器进行分 析和优化设计，旨在使磁耦合器选用的磁性材料的体积最小，他们分别使用三维、 二维有限元模型以及实验解析法所得到的结果，发现了三维分析的优越性。 叶子兆【1 6 】在1 9 8 8 年对磁力驱动离心泵的磁路进行设计和计算。 谢一乐和崔鹏程于【1 7 】1 9 8 9 年对无泄漏釜用磁力驱动装置的研究中，论述了 无泄漏釜用磁力驱动装置的结构形式、工作原理、驱动力矩的影响以及屏蔽隔离 套材料的选择等。 王玉剐3 】于1 9 9 9 年为某试验基地设计了压力4 m p a ，工作温度为3 0 0 。c 的磁 力传动反应釜，投入运行后效果良好。 刘建瑞【18 】对化工泵磁力耦合传动的原理做了介绍，提出磁性材料的选择、磁 钢型式与磁力矩的计算等，这对磁力耦合传动的设计有一定的指导意义。 卢东1 1 9 】在对泵用磁力耦合器的设计中，阐述了圆筒形同轴磁力耦合器的结构 4 江苏大学硕士学位论文 原理，提出了磁力耦合器设计中应该注意的诸多因素。 李廷占【刎等于2 0 0 1 年在推导出磁驱动耦合器的磁力矩公式的基础上，对磁 耦合器的各主要部分进行各种因素分析比较，提出优化设计思路。 施卫东和魏东【2 1 】对磁力驱动装置的结构、磁路、隔离套的设计提出了一些新 的方法，并对磁传动的磁扭矩进行了分析，计算。 赵德成【凋在介绍磁力泵的特点及使用与维修时，描述了磁力联轴器的结构及 其磁钢在圆柱面上沿方向的紧密排列方式。 随着磁力驱动技术的应用、开发和研究，进一步开拓了磁力驱动技术的应用 领域，反应搅拌釜、真空设备、高速机床、阀门传动机构、液压传动机构、仪器 仪表、检测机构等设备和装置，已经得到了广泛的应用。 磁力驱动技术发展至今，人们对它已产生了较全面的认识，设计技术较为成 熟，工艺、生产较为完善，磁力驱动技术的应用也有了很大的发展，为磁力驱动 技术的深层次研究与发展奠定了较好的基础。 1 4 磁力驱动器发展趋势1 m 8 1 ( 1 ) 向大功率发展 磁力驱动器具有很好的磁传递特性，做好磁场应用效率的研究工作，做好磁 路排列及磁场聚集的研究工作，磁力驱动器向大功率发展是研究的趋势。 ( 2 ) 向高速应用发展 由于磁力驱动器传递振动小、不产生噪音、结构紧凑、体积小运行平稳可靠， 磁力驱动器向高转速应用发展是研究发展的趋势。 ( 3 ) 向高温应用发展 由于磁力驱动器是无连接传递方式，作好磁路的排列形式，作好磁性材料局 部冷却、换热及隔热工作，磁力驱动器向高温应用发展是研究发展的趋势。 ( 4 ) 向高压应用发展 由于磁力驱动器传递力矩是无接触的传递方式，做好隔离套的选材及结构设 计工作，降低涡流损失，向高压应用发展是研究发展的趋势。 5 江苏大学硕士学位论文 1 5 磁力驱动技术面临的关键问题 ( 1 ) 磁场强度的有限元计算【2 3 】 现今的传动扭矩计算是采用实验的方法，得出含有一些系数的最大扭矩计算 式。有的是半理论半经验公式，误差较大，为安全起见，往往加大安全系数，结 果多耗费了磁性材料。磁力驱动器传动扭矩的大小取决于磁场强度的强弱，磁场 强度完全可以用磁荷积分数值解求得。为求得精确解，要求磁性材料制造厂保证 每块磁体的磁性能要具有一致性、均匀性。 ( 2 ) 轴承的寿命【1 】 我国大型磁力泵的使用表明：它的不成功或不可靠主要原因来自轴承。轴承 的润滑剂是被密封的工艺流体，真空中则无润滑。滑动轴承的材料必需耐磨损、 耐腐蚀、自润滑。磁力泵的内轴承推荐采用介质润滑的碳化硅陶瓷轴承( 滑动轴 承、滚动轴承) ，碳化硅轴承不仅承载能力高，还具有超常的耐腐蚀、耐磨损、 良好的耐热性能，使泵的输送介质范围从洁净液体扩大到含腐蚀性颗粒。运行记 录表明，平均寿命3 - _ 5 年，运行1 0 年亦非少见。一个突出的例子是美国新 罕布什塑料厂一台输送3 3 8 有机溶液磁力泵在运转1 4 年后才首次更换轴承。 材料的制造要考虑强氧化剂的腐蚀，结构设计考虑与轴材料线膨胀系数的不同。 国产轴承部件的使用寿命第一步要达到机械密封件的寿命，最终实现最低寿命 5 0 0 0 h 。 ( 3 ) 高温问题【5 】【8 】 由于磁性材料性能限制，n d f e b 的工作温度在1 5 0 。c 以内，s m c o ( 2 ：1 7 型) 工作温度可达3 0 0 。超出此极限，可采用冷却措施。重要的是发展涡流型联轴 器，涡流型联轴器的内磁体不接触过程流体，工作温度可达4 5 0 。 ( 4 ) 监控问题【1 】 目前应用中的主要问题是：大中功率的传动缺乏安全可靠性，滑动轴承寿命 低，磨损后间隙增大，导致内外磁件与隔离套碰磨，造成磁体退磁，如不及时停 机则产生严重后果。今后的产品应随机配置监测控制系统，一旦发生超载滑脱、 磨损、腐蚀、温度超过许可值，由传感器发出的信号，经放大发送到控制开关， 系统会自动报警或停机。 ( 5 ) 涡流问题【1 l 6 江苏大学硕士学位论文 金属隔离套在变化磁场中要产生感应电流，此感应电流在隔离套内自行封 闭，形成涡流。涡流的磁场方向与永磁场方向相反，形成反力矩并产生大量的热， 使机器效率降低。准确计算出涡流损失的大小，采取有效的措施，磁力传动的效 率可以有很大的提高。这也是我国磁传动业落后于其它工业发达国家，磁传动产 品打不开市场的原因之一。 磁力传动在我国应用起步较晚，发展较慢，推广该技术有一定的阻力。其中 有认识问题，也有技术问题。上述五方面问题在产品开发中如能注意解决，则会 增加产品的可靠性、安全性，降低产品的销售价格。 1 6 参数化设计技术及发展 1 6 1c a d 系统 c a d 系统是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件 为核心的面向工程设计问题的信息处理系统。 系统软件按功能不同可分为操作系统和开发应用软件所用的开发工具。操作 系统，用于计算机管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装载与运行。开发 应用软件所用的开发工具，其功能是将高级语言编写的程序翻译成计算机能够直 接执行的机器指令，目前比较流行的有v i s u a lc + + 、v b 、v i s u a lj + + 、d e l p h i 等 集成编译系统1 2 4 1 2 5 1 。 支撑软件是满足c a d 工作中的一些用户共同需要而开发的通用软件。由于 计算机应用领域的迅速扩大，支撑软件开发研制已有很大的进展，商品化支撑软 件层出不穷。通常分为两类： ( 1 ) 计算机分析软件，主要用于工程设计中的各种数值计算问题。其中比较 流行的有a n s y s 、n a s t r a t 、c o s m o s 以及动力学分析软件a d a m s 等。 ( 2 ) 三维实体建模软件如u g 、p r o e 、i - d e a s 、g 虹玖、 s o l i d w o r k s 、 s o l i d e g d e ，m d t 等。s o l i d w o r k s 在功能和操作方面都有优势，尤其在二次开发 上，显示出其巨大的优越性，能够使用多种语言开发，并能够做到无缝集成，很 好的满足了对二次开发支撑软件的要求。再者，s o l i d w o r k s 软件是基于特征的实 体建模，它采用非全约束的特征建模技术，设计过程全相关性，可以在任何阶段 7 江苏大学硕士学位论丈 进行设计修改同时牵动相关部分的改变。它既提供了自底向上的装配方法，也提 供了自顶向下的装配方法，可以模拟动态装配过程。将2 d 绘图与3 d 造型融为 一体，自动生成工程图样。因此，选用s o l i d w o r k s 软件进行本课题的研究【硐 1 6 2 参数化模块技术的发展和应用 有限元软件的建模系统一般基于c a d 平台，建模方式为单向建模，模型 一旦建成，便不能进行大范围的修改。传统方法建立的有限元模型，在当前计算 完成后，一般就无用武之地了，即使遇到下一个计算模型很类似，也必须重新建 模，造成了时间的浪费。针对类似的模型，我们在建模过程中发现，其模型生成 过程很雷同，不同的是几何参数或者材料、载荷参数。因而可以提炼模型的参数， 建立分化的模块，那么针对同类模型，只要修改其中的参数，就能快速建立不同 的模型，大大的节省了计算时间。这便是参数化模块思想的由来。 尤其是在计算机辅助设计、制造及仿真领域( c a d c a m c a t s ) ，参数化技术 的发展很快，是当前该领域的研究重点。基于这种情况，有限元软件一般自带了 开发工具或提供接口，利用其他开发工具，如v i s u a l c + + ，v i s u a lb a s i c ，v i s u a l f o r t r a n 等进行二次开发。此类二次开发编写的软件包，不但实现了有限元分析 的参数模块化，而且具有操作界面简单易用，对使用人员的专业知识要求也有降 低，方便非专业人士的使用陋1 1 2 6 1 。 有相当多领域的机构、个人进行了该方面的研究与开发。 北京理工大学的张标标【2 7 】等基于a n s y s 平台丌发曲轴振动分析软件包，采 用参数化建模技术，封装了a n s y s ，从而提高了曲轴振动分析的速度。 南京航空航天大学的陈伟【冽等利用有限元分析软件a n s y s 提供的a p d l 语 言，将参数化设计的思想融入有限元结构分析，实现了有限元建模和分析参数化， 以典型构件波纹管的应力分析为例，给出了这一方法与基本步骤、结果表明，这 种方法极大地减轻了有限元分析的工作量，提高了工作效率。 武汉理工大学的陈力【2 9 】结合a n s y s 的二次开发技术、c b r 技术、基于 o b j e c t a r x 的参数化绘图技术、面向对象的可视化编程技术开发了港口机械的结 构智能设计模块，也有很好的实用价值。 华中科技大学的冯光【删采用面向对象技术和数据库技术，利用v b 对a n s y s 8 江苏大学硕士学位论文 进行捆绑式二次开发，对旋转机械转子的叶轮进行了分析。 在有限元分析中采用参数模块化技术，能有效的减少工程计算工作量，并能 保证较好的计算精度。并且通过编写用户界面，使专业程度较高的有限元计算过 程只需在简单的界面上填写参数就能实现有限元分析，大大方便了非专业人员的 学习与使用。 1 7 本文的主要研究内容 1 根据磁场的基本理论和磁力驱动的相关理论，研究磁力驱动技术和磁力驱 动器的工作机理。 2 利用v i s u a lb a s i c 软件，对磁力驱动器的结构设计实行参数化；对m i c r o s o f t a c c e s s 进行开发，建立磁力驱动器的材料数据库，供设计人员进行查询和调用。 3 运用参数化技术，根据圆筒式径向磁力驱动器的结构特点，以s o l i d w o r k s 为软件支撑平台，利用v i s u a lb a s i c 语言对s o l i dw o r k s 进行二次开发，实现磁力 驱动器各部分零件的自动建模和装配。 4 用a n s y s 有限元软件剖析磁力驱动器磁场特性，建立2 d 、3 d 模型，从 不同方面对磁力驱动器的磁场特性进行研究。 5 针对磁力驱动器结构设计和校核中有限元计算的快速性和便捷性要求，将 参数化有限元的思想引入结构计算中，通过将有限元模型的设计参数作为有限元 模型的几何控制参数，实现了有限元模型的参数定义：通过模型物理描述之间的 关联，实现了有限元模型的定义；采用编程参数化的方法，对后处理进行了参数 化。磁力驱动器结构有限元计算的参数化是采用a n s y s 的参数化设计语言 a p d l 实现的。 6 以v i s u a lb a s i c 语言为系统开发工具，开发了简洁明了的交互式用户界面， 极大的方便了大量设计参数的修改工作。而且实现了对a n s y s 计算程序的调用 和封装。 7 建立磁力泵磁力驱动仿真系统，结合实例进行操作。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章圆筒式磁力传动装置的结构与原理 21 磁力驱动器的介绍 211 磁力驱动离心泵结构 磁力驱动离心泵是诸多磁力驱动泵中比较常用的一种，与普通离心泵最主要 的区别是磁力驱动离心泵用磁力驱动器代替了原来的机械联轴器。其结构如图 2 - i 所示。 吲2 1 磁力驱动离心泵结构图 1 泵体2 叶轮3 n l 轮螺母t 轴承座5 滑动轴承6 泵轴7 内磁钢转于 8 联结体9 隔离套1 n 外磁钢转于1 1 轴承箱1 2 电机轴1 3 滚动轴承 212 磁力驱动器的分类 磁力驱动器主要分为圆盘式和圆筒式1 1 心。 圆盘式磁力驱动器又称为平面式磁力驱动器，这种磁力驱动器的两个磁钢转 子构造完全相同。每一磁钢是一块圆盘，其一侧的圆形表面上沿周向布置有偶数 块的磁块，n 、s 极相间。相邻磁块间可以紧密相连。也可以留有白j 隔。其具体 结构如图2 - 7 所示。 江苏太学硕士学位论文 圆筒式磁力驱动器主要由内外磁钢转子体组成，磁钢分布在内、外磁钢转子 体的外侧和内侧，其结构如图2 - 3 所示。比起平面式，圆筒式内外磁钢转子体的 工作气隙较小能传递的扭矩较大。凼此在工业上有更大的应用范围。 图2 - 2 圆盘式磁力驱动器 图2 - 3 圆筒式磁力驱动器 1 从动轴z 隔离套3 外辊铁4 外永磁体5 内永磁体6 包封7 内轭铁8 主动轴 213 圆筒式磁力驱动器与机槭力传动系统相比的优点。1 1 外磁铜转子连接电机轴，内磁钢转子连接泵轴。外磁钢通过磁场力作用， 可将电机的动力传递给泵轴。由于磁力驱动并不需要两个磁体之间相对接触或连 接，因此可实现动力传递过程巾的静密封，彻底做到零泄漏。 江苏大学硕士学位论文 2 一般的机械力传动系统，在超载时常常会损坏电机。然而对于磁力驱动 器来说，当负载超过额定扭矩时，内转子不被带动，而外转子则处于空转状态， 这一特性为超载滑脱自动保护特性，可以保护电机不受损害。由于稀土类永磁体 的内禀矫顽力很高，所以超载滑脱永磁体不致发生退磁现象，磁力驱动器的使用 寿命不会受到影响。 因此选择更常用的圆筒式磁力驱动器作为本文的研究对象。 2 2 圆筒式磁力驱动器的结构 圆筒式磁力驱动器主要由内、外永磁体，隔离套，内、外轭铁，包封材料组 成。现分别对各部分进行介绍。 2 2 1 永磁材料 组成磁力驱动器的主要材料是磁性材料，磁性材料的优劣直接关系到磁力 驱动器的性能。对同一种磁路类型，相同的磁路尺寸，要得到最大的气隙磁感应 强度，就需要选择最适宜的磁性材料【1 】【2 】1 3 1 j 。 一般说来，用于传递转矩的永磁材料必须具备：1 具有较高的剩余磁感应强 度，这样才能获得较大的磁力和磁转矩；2 具有较高的矫顽力，防止磁性材料在 高温下退磁，也就是说永磁材料应具有较高的磁能积；3 要有良好的温度稳定性， 温度稳定性指永磁材料的磁性随着使用温度变化时，其自身磁性变化较小，在一 定的温度范围内磁性较为稳定【3 1 】【3 2 1 。 下面介绍几种常用的永磁材料3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 1 ： ( 1 ) 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 * 6 f e 2 0 a ) 和锶 铁氧体( s r o 。6 f e 2 0 a ) 。它们的磁性能相差不多，但锶铁氧体的h c 值略高于钡铁 氧体。它们的主要特点： 1 价格低廉，不含稀土元素钴、镍等贵重会属，制造工艺较为简单。 2 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。 江苏大学硕士学位论丈 3 矫顽力较大，以为1 2 8 - - 3 2 0 k a m ，抗去磁能力强。 4 密度小，重量较轻。 5 剩磁不高，且仅为0 2 - - 0 4 t ，最大磁能积为6 4 - - - 4 0 k j m 3 。 6 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 ) 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，它们都是高永磁、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。 1 稀土钴永磁材料 稀土钴永磁材料是6 0 年代兴起的性能较为优异的永磁材料，其特点： ( 1 ) 剩余磁感应强度曰，很高，一般高达0 8 5 - 1 1 5 t 。 ( 2 ) 磁感应矫顽力很高，珥可达到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) 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 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，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。 江苏大学硕士学位论文 ( ( t ) h ( k o e )2 z 52 0 01 7 s1 5 01 z s1 0 o7 s s o z so 图2 - 4s m c o 材料退磁曲线 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 于稀土钴永磁材料。它的主要特点： ( 1 ) 剩余磁感应强度很高，b ，可达到1 4 7 t 。 ( 2 ) 磁感应矫顽力高，h ，、可达到9 9 2 脚。 ( 3 ) 最大磁能积 日) 一可达到3 9 7 9 k j m 3 。 ( 4 ) 居里温度较低，工作温度在1 2 0 左右。 ( 5 ) 我国钕资源丰富，铁、硼价格便宜，其价格比稀土钴永磁便宜。 2 2 2 轭铁 内、外轭铁是构成磁路必不可少的部分，不仅要求它构成磁路，磁通密度 不能饱和或接近饱和，而且还要求它满足一定的强度和刚度，起到保护转子的作 用，过厚太笨重，太薄又不能满足要求。通过轭铁可以防止外磁场的干扰影响； 可以改变磁路中的磁通密度，调整漏磁的大小；可以改变磁通密度的分布，从而 使磁通密度分布在最需要的地方。材料一般选用工业纯铁和低碳钢。 2 2 3隔离套 隔离套材料的主要作用是支持和保护磁性材料，其次是隔磁，减少磁通在 磁块之l 日j 的横向泄漏，使大部分磁通能在一对极之间通过，以达到磁极之间的作 用力尽可能大的目的。因此，它必须具有很低的磁导率，同时在腐蚀性的场合下 使用时，隔磁材料还必须有一定的耐腐蚀性能，或者采取一定的措施，做到抗腐 1 4 m 9 8 7 6 5 3 2 ，o 江苏大学硕士学位论文 蚀性能，否则会因为导磁块的材料选择不当，增大磁通泄漏，加快磁性失效。 隔离套材料可分为两种：金属隔离套和非金属隔离套。其中非金属隔离套又 可分为陶瓷材料和各种合成材料。隔离套的材料必须具有非导磁性，有较高的强 度和较大的韧性，还要抗冲击，耐冲刷和腐蚀。金属材料中使用最广泛的为不锈 钢，该材料工艺性好，适用介质范围广，局限性在于不能适用于强腐蚀性介质， 运行工作时存在涡流损失。陶瓷材料可完全消除涡流损失，且适用于几乎所有的 腐蚀性介质和高温、高磨损场合，但工艺性较差，壁厚大。合成材料如塑料、碳 素纤维等，同样可以完全消除涡流损失，且价格低廉，工艺性好，可采用模具整 体一次性成型，但不耐高温，强度低，壁厚也大【1 1 【2 】【3 1 1 。 根据隔离套的厚度可分为：单层隔离套；双层密封隔离套，如金属双密封隔 离套、碳素纤维陶瓷双密封隔离套以及金属陶瓷双密封隔离套。单层隔离套壁 厚较薄，工艺简单。其缺点是一旦发生损坏，危险介质就会泄露。双层密封隔离 套则可消除这种隐患，其结构具有内、外两层隔离套，二者均能单独承受系统压 力，当其中之一发生破坏时，系统不会发生泄漏，可通过设置在两