《磁力泵的磁力传动部分结构的优化设计及仿真分析》7000字（论文）

PAGE磁力泵的磁力传动部分结构的优化设计及仿真分析目录摘要 11前言 21.1研究背景 21.2逆向工程简介 22磁力泵简介 32.1磁力泵的工作原理 32.2磁力耦合器简介 32.2.1磁铁的排列方式简介 32.2.2磁力耦合器的工作原理 42.2.3优化方案 53磁力泵的逆向工程 53.1参数测绘 53.2磁力耦合器材料分析 73.3磁力耦合器的优化与建模 74用ANSYS软件对优化后的磁场进行分析与仿真 84.1ANSYS软件计算磁场转矩的原理与方法 84.2在ANSYS中建模与磁场分析与仿真 84.2.1磁力耦合器的建模 84.2.2工作转速对传动磁转矩的影响 94.2.3工作转速对传动时磁涡流损耗的影响 10结论 11参考文献 12PAGE1摘要：磁力泵是利用现代磁力学原理，是一种特种的离心泵，通常由电机、磁力耦合器及泵体等部件组成的。磁力耦合器也是磁力泵中重要的构成部分,其内置的永磁体可以进行非直接接触间接传动,而磁力耦合器具有一种可耐受高水压的屏蔽式密封模腔体。在密封型腔的外面有一个外磁定子,封闭型腔的里面又有一个内磁定子,外磁定子和内磁定子经过磁场的相互作用,使得封闭型腔内和外面的磁定子部分能够同时的转动,在封闭型腔里面的定子部分经过轴承,能够推动叶轮实现对磁力泵内的液体做功。由于各部分组成的是屏蔽封闭型腔,并具有动封,使得推动叶轮做功的转动轴无法穿出屏蔽封闭型腔,这样确保了磁力泵没有渗漏和对外部产生污染。，进而消除了炼油化工行业存在易爆、易燃有毒等物质通过泵体泄漏存在的安全问题。磁力泵在运行过程中具有安全可靠，噪音低，无泄漏，无污染的优点，广泛应用于食品、化学制品、石油化工、化肥、冶金、核电等等一系列领域当中。本文在对磁力泵的磁力传动的部分结构进行了优化处理，并对优化后的磁力泵的优缺点进行了分析和介绍，对于磁力泵的使用注意事项提出了合理措施和建议。关键词：磁力泵；磁力耦合器；逆向工程；结构优化1前言1.1研究背景现如今全世界的工业生产对能源节约和环境保护越来越重视。在处理易爆、易燃有毒等物质的时候磁力泵具有密封、无泄漏和无污染等特点，在工业生产各个领域都有着极为重要的作用。磁力泵是由泵体、磁力耦合器（又叫做磁力联轴器和永磁传动装置）及电机等部件组成的，在各零部件中磁力联轴器是磁力泵的核心部件，磁力耦合器的零件材料和结构参数很大程度上影响着磁力泵的性能和成本。因此改变磁力耦合器的零件材料和结构参数,对于降低磁力泵的生产制造成本具有极其重要的作用。磁力耦合器在磁力泵是一个极其重要的传动部件，它独特的接触转矩传动方式与静态密封结构的特性，成功地解决了磁力泵在不同工况下介质外泄和处理易燃有毒等物质的问题，从真正意义上实现了输送介质的零泄漏。圆筒型磁力耦合器的基本结构是由内磁转子、外磁转子、主动轴、从动轴和隔离套这几个部分组成的。磁力耦合器自身带有过载保护机制和结构组成简单等优点，具有减震效果优良和安装要求低等优势，所以它具有较高的工程应用价值。磁力泵中的磁传动技术从二十世纪三十年代发展至现如今，主要集中在磁路设计、磁传动特性和磁涡流损耗控制等基础研究方面。RAVAUD等分析了充磁方式对磁转子转矩的影响规律，充磁方式有径向、轴向和切向这3种，并且RAVAUD还提出了磁力耦合器中磁转矩的修正解析式，并将磁钢径向充磁和计算机编程技术相结合，对磁力耦合器的磁转矩进行了二维设计、三维设计和计算。张明根等应用Workbench软件对磁力泵涡轮泉转子进行瞬态热仿真，通过Workbench软件分析转子在运行时的温度分布情况，研究了温度对涡轮泵转子临界转速有什么影响。张勇等将设计了中心组合试验方法。将试验方法与NSCA-II优化算法相结合，对磁力泵磁力耦合器进行了多目标优化设计。邹里云等利用ANSYS软件对磁力耦合器的磁场分布情况进行数值计算，分析了内磁转子和外磁转子的厚度、气隙距离大小以及磁极数量等一系列因素对磁转矩的影响。1.2逆向工程简介逆向工程也被称为反向工程和反求工程。逆向工程的概念和传统产品设计的概念完全相反。逆向工程是对以存在的产品各项参数和资料作为基础，对原产品进行消化吸收，改进优化和创新的生产过程。工业市场上任何一款新产品被设计出来，其中设计的过程都包含了产品设计师对社会上前任科学家学术和产品工艺设计的借鉴，所以在产品工程设计过程中逆向工程起到很大一部分作用。逆向工程最早源于二十世纪六十年代，但逆向工程在工程实践的广泛运用和逆向的科学性进行深化理解是从二十世纪九十年代开始的。在机械工业领域对产品的改进、创新和开发，逆向工程有着极其重要的地位。传统的机械设计和机械制造技术有着很长的设计生产周期，逆向工程大大缩短了对新产品的设计周期，逆向工程只需要对原有产品需要改进的地方进行重新设计与研发，逆向工程省略了产品部分结构从无到有的设计和计算，所以说逆向工程对工业生产的应用在一定程度上大大的提高了产品的生产效率。现如今逆向工程在航空航天、汽车制造和模具设计等一系列领域都得到了广泛的应用，是一项综合性和实用性很强的技术，合适当今社会的发展需求。本文通过对逆向工程的理解与运用，对现有磁力泵的各结构参数进行测量与建模，对磁力泵的磁力耦合器部分进行优化，具体的优化方案详情见第二章2.2.3所示。2磁力泵简介2.1磁力泵的工作原理磁力泵的结构如图2-1所示，磁力泵通常是由密封机构、叶轮、内磁转动、屏蔽套、外磁转动、风机等部分所构成,在磁力泵的内部装有一种能耐受压强的屏蔽封闭模穴体,封闭模穴体的结构为内磁转动和外磁转动,由隔离套隔开。外磁转子和内磁转子借助磁场的相互作用,使得封闭型腔内和外围的磁力转动部分能够同时的转动,而封闭型腔内的转动部分借助于轴承,能够推动叶轮进行对磁力泵内的液体做功。磁力泵与传统水泵中的自动密封不同,磁力泵的密封型腔体使用静密封,实现了运送工作介质的零排泄和无污染。磁力泵在普通常规泵的基础上,添加了磁力耦合器。磁力耦合器是由内磁旋子、外磁旋子和不导磁性的间隔套构成,代替了普通常规水泵的自动封,用间隔套可以使水泵旋转轴向完全稳定起来。地磁的传递主要依靠内磁转子与外磁转动中的地磁极对数,而磁力泵向滑行轴承所传递的介质,也对滚动轴承具有着冷却润滑功能,故通常依据各种类型的应用工况和介质,而选用各种类型的物料制成轴承。通常滑行轴承所使用的建筑材料主要有浸渍石墨、填充聚四氟乙烯,以及建筑瓷器等。而磁力泵的滑行轴承则多使用建筑瓷器制造,因其优异的抗摩擦力、耐热性和抗腐蚀性。图2-1磁力泵结构图2.2磁力耦合器简介2.2.1磁铁的排列方式简介二十世纪三四十年代,由于当时第一代永磁材料磁极之间的磁化强度过大,并且永磁材料与磁极在工作的时候会相互影响。当时多采用与磁体的间隙排列,如图2-2(a)所示。这种单行间距排列的最主要弊端是地电磁传动装置的容积大、扭矩小而且磁块易退磁。所以,永磁体材料的磁能和磁体的行间距排列方式,成为了地磁传动装置发展的瓶颈。由于第二代及第三代永磁体材料的迅速发展,这些磁性料二极间磁化强度的相互影响也大为减弱,于是当时的研究者们给出图2-2(b)中所示的单行紧密排列方法。这些强磁排列方法都可以增加地磁场强度,并增加磁转矩。在二十世纪六十年间,由于聚磁技术的问世及其在电气应用领域中的成熟运用,也促进了对地磁传动的研究如图2-2(c)所示。聚磁技术,就是将内部磁石所造成的磁通量,集中在工作气隙大小中。同样,聚磁排列形式也减少了由于在磁块之间互相布置,所造成的磁力线与在同-转子上构成传输电路而生成的部分磁通的耗费,因而增加了地磁传动的转矩。若传动机构在轴向长度允许的条件下，可以采用多行的磁钢排列方式如图2-2(d)、2-2(e)所示。这种方式可以增大磁转矩减小传动机构的径向尺寸。（a）（b）（c）（d）（e）图2-2磁路配置的平面图本文研究的磁铁排布方式为直线型磁铁排布，图2-3直线型磁铁排布三维图。其工作原理是利用了磁性材料间异性相吸、同性相斥的原理,通过磁耦合将磁能转化成机械能的过程。磁力耦合器内磁转子和外磁转子各镶嵌一层磁铁，外圈的N极与内圈的S极相对，彼此相互吸引，当外转子在输入轴的带动下旋转，其内部的磁铁也会跟随转子一起转动，由于外部的磁体对内部的磁铁具有吸引作用，所以当外磁转子在输入轴的带动下转动，内外磁铁相互吸引，内磁转子会跟随外磁转子一起做旋转运动。图2-3直线型磁铁排布三维图2.2.2磁力耦合器的工作原理磁力耦合器也称磁力联轴器和永磁传动装置。磁力耦合器主要由以下四大部门构成:永磁转动、电磁导转动、气隙大小的执行部门,以及调控磁带和导磁带中间气隙大小的管理机构。永磁转动是嵌有永磁体(强力稀土磁铁)的铝盘,与负荷轴连结;导磁转子是导磁体盘铜或铝,与发电机轴连结;气隙执行部门是调控磁带与导磁带中间气隙的管理机构;转轴联结壳与紧缩盘是以专利紧缩盘安装与发电机及负荷轴连结。通常,铜转动与发电机轴连结,永磁转动与工作机的轴连结,铜转动和永磁转动中间有空气缝隙(又称气隙),不是传输转矩的机器联接。这样一来,电器和工作机相互之间构成了软(磁)性联接,利用调控气隙大小来完成对工作机轴力矩、速度等的改变。由于气隙调整方法的差异,永磁涡流传动设备分成了标准型、滞后型、有限矩型、调制型等各种型式。2.2.3优化方案现有样机磁力耦合器永磁体的布置形式都是直线式,即若对偶数永磁体按规则顺序装配在同一磁力耦合器的内磁定子、外磁定子上,使磁石部分相互形成完全相互耦合的磁力系统。将n对永磁体(n为偶数)按规则顺序装配在同一磁力传动器的内、外电磁定子上,使永磁体部分相互形成完全藕合的磁性系统。当磁场极性转动到与同极相对时,则两磁极之间的位移角=2rt/n,此时磁系统的磁能最高。在除去所有外来动能之后,由于磁力系统的磁极之间相互排斥,因此地磁场变化将使永磁体恢复到磁能较低的状况。由此永磁体形成运动,并带动磁性转子自旋。本文对现有磁力耦合器磁体排布的基础上进行改进，现有外磁转子上为单排磁铁，如图2-3所示；改进的结果会使单排磁铁排布变为双排磁铁，如图2-4所示，改进的目的是使磁力泵的磁转矩峰值增大达到提高磁力转动效率的效果，为了实现这个目标，本文现有的磁力泵样机结构基础上进行逆向工程，先对磁力泵样机进行零部件测绘进行三维建模，搭建实验平台进行数据验证。图2-4双排磁铁排布3磁力泵的逆向工程3.1参数测绘对磁力耦合器结构零部件用游标卡尺等测量工具进行测量，尽量减小测量误差分别对磁力泵的泵体、叶轮、轴承、外磁转子、内磁转子、永磁体、隔离套、止推环、轴套等一系列磁力耦合器的零部件进行了测量。得到了磁力泵各零部件结构的参数见下表3-1所示，并通过已测量出来的各零件参数尽可能的还原出磁力泵的模型，还原出来的磁力泵的二维模型如图3-2所示，磁力泵的三维模型如图3-3所示。图3-1对磁力泵零部件进行测量表3-1结构名称参数结构名称参数基体内径R123.0mm内磁转子外半径R253.0mm内磁钢厚度t13.0mm内磁钢长度L130.0mm内导磁体厚度t211.5mm外磁转子外半径R370.5mm外磁钢厚度t35.0mm外磁钢长度L230.0mm外导磁体厚度t43.0mm磁钢工作半径R449.5mm隔离套厚度t61.0mm隔离套底部厚度t66.0mm轴向长度L3142.0mm磁极对数m16图3-2磁力泵二维图图3-3磁力泵三维图3.2磁力耦合器材料分析磁力耦合器磁钢材料为钕铁硼N38SH，磁铁是采用表贴式嵌人内外导磁体中，选择径向充磁方式。内导磁体和外导磁体的材料为具有良好导磁性的Q235（普通碳素结构钢），有利于内外磁钢形成磁势回线。隔离套材料为304(不锈钢)，基体的材料为2Cr13（马氏体不锈钢）。3.3磁力耦合器的优化与建模在保证磁力泵整体结构不改变的情况下，只对磁力耦合器的磁铁排布进行重新设计，从原来的单排磁铁排布改为双排磁铁排布。磁力耦合器单排磁铁排布如图3-4所示，双排磁铁排布如图3-5所示。优化前的内、外磁转子如图3-6所示，优化后的内、外磁转子如图3-7所示。图3-4单排磁铁排布图3-5双排磁铁排布图3-4优化前的内磁转子图3-5优化前的外磁转子图3-6优化前的内、外磁转子图3-7优化后的内、外磁转子4用ANSYS软件对优化后的磁场进行分析与仿真4.1ANSYS软件计算磁场转矩的原理与方法ANSYS软件在分析磁性的时候以Maxwell方程为基准,并引入了有限元方式对未知量磁位作出了估计,磁感应强度磁场压力和扭矩也可从磁位中导出。所选用的单位类型与单位选项有所不同,未知量磁位可能是向量磁位、标定磁位或边界通量。我们只能根据单位采用的向量位方式和标量位方式对磁场力和扭矩加以运算,其中Maxwell应力法和虚功应力法是目前ANSYS软件中普遍使用的二种估算磁场力和扭矩方式。4.2在ANSYS中建模与磁场分析与仿真4.2.1磁力耦合器的建模在ANSYS中建立磁力耦合器单排磁铁三维模型如图4-1所示，磁力耦合器双排磁铁三维模型如图4-2所示。图4-1磁力耦合器单排磁铁三维模型图4-2磁力耦合器双排磁铁三维模型在ANSYS中分析的磁铁感应矢量图，如下图4-3所示；转子表面的磁感应强度分布云图，如图4-4所示。图4-3磁铁磁感应强度矢量图图4-4转子表面的磁感应强度分布云图4.2.2工作转速对传动磁转矩的影响为探究转速的变化对传动性能的影响程度，对转速范围在3000~10000r/min下的磁转子进行瞬态场数值模拟计算，分析转速变化对传动磁转矩的影响。如图4-3所示，从图中转矩变化趋势可以看出，随转速的增加磁转矩逐渐减小。其转速对应具体的磁转矩数值如下表4-1所示，从表中对优化前后的磁转矩数值进行比较分析，可以明显的发现优化后的磁转矩数值要高于优化前时磁转矩的数值。所以可以分析出磁力耦合器镶嵌的磁铁从单排磁铁变为双排磁铁对提高磁转矩是有明显效果的。优化后的磁转矩数值要高于优化前时磁转矩的数值，但随着转速的增加磁转矩数值在逐渐减小，造成这种现象的主要原因可能是因为金属隔离套在与内外磁转子做相对运动过程中所产生的感应磁场对原磁场的削弱作用。在转速增加过程中，其隔离套切割磁感线频率也越来越快，因而其削弱作用也就越来越强，扭矩随之减小趋势。表4-1转速r/min优化前磁转矩N·m优化后磁转矩N·m300063.466.3400057.863.2500054.360.7600052.455.8700050.653.9800049.951.6900049.150.41000048.449.6图4-3转速对磁转矩的影响4.2.3工作转速对传动时磁涡流损耗的影响导体中有交变磁场时，根据电磁感应定律，会在导体中产生感应电流，该电流在导体中流动产生焦耳热，使导体发热，造成损耗，称为涡流损耗。为探究转速的变化对磁涡流损耗的影响程度，对转速范围在3000~8000r/min下的磁转子进行瞬态场数值模拟计算，分析转速变化对传动时磁涡流损耗的影响。如图4-4所示，从图中磁涡流损耗变化趋势可以看出，随转速的增加，不论是单排磁铁排布还是双排磁铁排布，磁涡流损耗数值都是逐渐增大的。其转速对应具体的磁涡流损耗数字如下表4-2所示，通过对比优化前后磁涡流损耗的数值，可以明显地发现转速约为5000r/min的时候优化前后的磁涡流损耗数值相差不大，当转速低于4800r/min的时候优化后的磁涡流损耗数值要低于优化前的磁涡流损耗数值，当转速高于4800r/min的时候优化后的磁涡流损耗数值要高于优化前的磁涡流损耗数值。随着速度的提高,无论是单排磁铁排布还是双搭设的磁铁排布,磁涡流损失值都是在逐步上升的,造成这个现象的主要因素除了是由轴承类型支撑的定子在高速旋转时,出来由于与气流磨擦而造成的铁损失以外,在定子里面还形成了比较高的铁损失(旋涡损失和磁滞损耗)。磁滞损耗主要是由导磁体的磁滞回线的总面积不为零而形成的。磁滞回线包围的体积越大,则磁滞损耗越大。而磁滞损耗也会引起磁铁的过热。表4-2转速r/min优化前磁涡流损耗kw优化后磁涡流损耗kw30002.11.440002.92.450004.24.360006.47.870009.215800020.726.4图4-4磁涡流损耗量随转速变化从图4-4转速对磁转矩的影响和图4-5磁涡流损耗量随转速变化可以分析出，优化后双排磁铁排布的磁转矩明显高于优化前单排磁铁排布的磁转矩。当工作转速低于4800r/min时，优化后双排磁铁排布的磁涡流损耗要低于优化前单排磁铁排布的磁涡流损耗；当工作转速高于4800r/min时，优化后双排磁铁排布的磁涡流损耗要高于优化前单排磁铁排布的磁涡流损耗。结论逆向工程在机械工业领域对产品的改进、创新和开发有着极其重要的地位。传统的机械设计到产品的制造有着很长的设计生产周期，逆向工程大大缩短了对新产品的设计周期，逆向工程只需要对原有产品需要改进的地方进行重新设计与研发，它省略了产品部分结构从无到有的设计和计算，逆向工程对工业生产的应用在一定程度上大大的提高了产品的生产效率。本文通过对逆向工程的理解与运用，对现有磁力泵的各结构参数进行测量与建模，保证原有的结构不变，对磁力泵的磁力耦合器部分进行优化，原磁力耦合器内部磁铁排布为单排磁铁，现重新设计将单排磁铁改为双排磁铁排布，并搭建实验平台进行验证。在ANSYS软件中建模，对优化前的单排磁铁和双排磁铁分析与仿真，通过实验验证可以明显地发现优化后双排磁铁排布的磁转矩明显高于优化前单排磁铁排布的磁转矩；优化后双排磁铁排布的磁涡流损耗要低于优化前单排磁铁排布的磁涡流损耗；当工作转速高于4800r/min时，优化后双排磁铁排布的磁涡流损耗要高于优化前单排磁铁排布的磁涡流损耗。实验当转速低于4800r/min的时候，优化后双排磁铁排布的磁转矩高于优化前单排磁铁