【《基于ANSYS的磁力泵转子磁场分析案例》4300字】

基于ANSYS的磁力泵转子磁场分析案例1.1引言随着当代社会市场的竞争变得越来越激烈，一个产品如果想要长期得存在，就需要不断地进行更新，因此使得现在企业迫切的需要新的技术，能够缩短设计周期、提升企业产品的质量问题和竞争力的有效手段之一就是有限元分析模拟技术。因而，随着计算机技术以及计算方法的加速发展，有限元分析法在科研领域以及工程设计方面受到了重视以及得到越来越广泛的应用，已经成为了解决一些复杂且难度较高的工程分析计算有关问题的一种有效途径，从现在的社会的发展来看，从汽车到航天飞机，从火车到高铁，几乎没有设计制造能和有限元分析计算毫无关系，随着有限元分析法在机械制造、材料加工、土木建筑、航空航天、电子电器、铁道、能源、国防军工、石化、船舶和科学研究等的各个领域的使用越来越普遍，已经使得设计水平发生了质的飞跃。有限元分析法是将一个较为复杂的问题转化成一个较简单的问题之后再进行求解。它是将求解域看作成是由许多叫做有限元的很小很小的互连子域组成，然后对每一个单元假定成为一个较简单的近似解，然后再进行推导求解满足这个域总的条件（例如结构的平衡条件），然后从而得到我们所求问题的解。本文所说的磁力泵主要的结构是由四个部分零件组成，它们分别是底座、泵头、电动机以及磁力传动器。外磁转子、内磁转子还有隔离套共同组成磁力泵的磁力传动装置，且隔离套是不导磁的。外磁转子固定在电动机轴上，是由电动机通过联轴器带动其从而旋转，N-S极的外磁钢均匀分布在圆柱内表面上。在泵轴的右端还装有一个圆柱形的内部磁转子，并且具有交替N-S极的内部磁钢也均匀且致密地填充在气缸的外表面上。由于内部磁性转子与输送介质接触，因此不会被介质腐蚀的非磁性材料的内部护套被添加到转子的外表面，以避免被介质腐蚀。内部具有磁性，在内转子和外转子之间是由非磁性材料制成的绝缘套管。绝缘套牢固地安装在泵盖上，泵送的液体用垫圈密封在泵内，以防止液体泄漏。由于永磁体的排斥，当电动机使外磁转子旋转时，内磁转子同步旋转。由于车轮和内部磁转子是一体的，因此车轮也与内部磁转子一起旋转，从而达到运输液体的目的。磁力泵转子磁场会对磁力泵性能有一定的影响，所以本文通过使用ANSYS软件，对磁力泵转子磁场进行了分析，分析转子磁场分布情况以及磁感应强度，进一步了解磁力泵基本机构，并且对有限元磁场分析有一定的了解。1.2国内外研究现状磁力泵从产生到现在,越来越受到人们的重视，原因是有两点一是由于磁力泵自身的特点，二是和屏蔽泵相比磁力泵更经济更实用。磁力泵技术的发展离不开电磁学发展、磁性材料改进、结构学、制造工艺学以及有限元分析软件的进步。磁力泵主要原理是由于通过励磁电机动力带动永磁体的内外磁场使转子高速旋转,这样就可以能够会实现内部动力的无线电接触反向传递,带动叶轮高速旋转,从而能够使内外的永磁体由磁力隔离保护套全部分开,这样就能够会达到使得整个工作传动轴不必要磁力伸出而只需要磁力封闭的内部空间,就能够达到可以取消内部动力的密封,实现零件无损动密封,达到零件无泄漏的使用目的。目前国外对于磁力泵的研究主要在四个方面。第一方面在内、外磁体的排列方式、第二方面是泵的高温饱问题、第三方面是磁力泵的监控、最后一方面就是磁性联轴器转矩计算。磁力泵内磁转子和外转子磁体的排列方式通常情况下都会采用聚磁布置，目的为了降低磁通的损失，也就是所谓的漏磁。聚磁布置也就是把永磁体排列成圆筒形。轴向长度与磁体分布直径的比值称为永磁体的长径比。我国磁力泵的起步较晚,大约起步于上世纪七八十年代。鉴于我国在制造工艺和精密加工等多方面的不足,在大功率和可靠性等方面与国外仍有较大差距。目前国内在设计研究开发磁力泵、如何制作以及使用材料等方面也有了很大的进步，随着目前我国企业科研技术力量的不断壮大发展,国内对于新型磁力泵的精密设计制造,材料和部件设计技术开发等诸多方面都已经有了明显性的进步。已经开发了许多种类的磁力泵，例如高速磁力泵和大型多级磁力泵等。ANSYS有限元分析软件的功能非常简单强大，它可以用来分析流体力学、机械结构以及电磁场等方面的问题。在解决电磁场问题上，它能够通过对电感、磁感应强度、磁场分布等方面进行分析，从而得出结论。ANSYS软件已经成为国内很多高校的教学软件，用于有限元分析。ANSYS的使用，为许多行业都注入了新的活力。1.3磁力泵结构及工作原理磁力泵的结构比较复杂，是由泵体、叶轮、轴承座、外磁转子、内磁转子、隔离套、电机等部件组成,如图1所示。内磁转子、外磁转子分别置于隔离套两侧，内磁转子与叶轮一起固定在泵轴上;外磁转子与电机相连接。电机驱动外磁转子做旋转运动.在内磁转子和外磁转子相互磁作用力下,叶轮由内磁转子带动旋转。内磁转子、外磁转子由隔离套分开,使用静密封取代了传统泵中的动密封,实现了泵工作环境的零泄漏。1一泵体；2一叶轮；3一内磁转子；4一隔离套；5一轴；6一外磁转子图1磁力泵的基本机构2磁场理论及ANSYS软件介绍2.1磁场的基本理论磁场无处不在，存在的范围大到人们认知中的宇宙星际空间和星系际空间，小到生活中常见的指南针应用中都存在着磁场。在生活中，磁场无处不在，像发电机、电动机、收音机、电话以及电磁测量仪表还有热核聚变装置等都与磁现象有关。作为自然界中的基本场之一，电磁场的组成部分之一的磁场，在学科中形成电磁场理论。在物理学中，通常用磁场强度H和磁感应强度B来表示。磁体被磁场包围，物理学中的一个典型的例子生动形象的解释了磁场的形成过程:想象一下有一根金属棒垂直地面放置，其上下两端之间的电位差会加速电子朝着正电位那一端进入，而另外一端由于缺乏电子而带正电，像这种情况的电流会在四周形成磁场。正是由于磁场的存在才能解释磁体间的相互作用。从微观的观点来看，磁体的磁性来自于电流，而电流又是电荷的运动，所以就本质来看，磁场是通过运动的电荷或者电厂的变化产生的，磁场的基本特征就是电荷的运动中对电荷施加力，即通电导体或者运动的导体受到磁场中磁场的作用力，从中可以得出电流、力矩运动导体的作用力的来源。而从现代理论的角度来看，磁力是电场力的相对论效应。引用电场理论，磁场也可以看作是在一定空间区域内连续分布的向量场，在磁场中往往通过磁感应强度矢量B来描述该场量,在磁场图示中也可以用磁感应线表示，磁感应线是磁场中虚拟的一一些曲线，曲线上每点的切线方向即是该点的磁感应强度B的方向，磁铁周围的磁感应线都是从N极出来进入S极。而与电场电力线的特性不同，磁感应线是闭合的连续曲线，如果在某-磁场中任意作-

-个封闭曲面的话，必定有相同量值的磁感应线穿进和穿出这个封闭面。因此磁场是无源场，且由于磁感应线是封闭的，所以磁场即是无源有旋场。2.2有限元分析法及ANSYS软件介绍2.2.1有限元分析法有限元分析（FEA，Finite

Element

Analysis）是使用数学近似来模拟真实的物理系统（几何形状和载荷工况）。使用简单的交互式元素（即单元），就可以使用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是在解决复杂问题之前，先用较简单的问题来代替它们，从而求解。由许多称为有限元的小的互连子域组成求解域，为每一个元素假定一个大致合适的（较简单的）相似解，然后再进行推导求解满足这个域总的条件（例如结构的平衡条件），然后从而得到我们所求问题的解。因为当前的复杂问题已由一个更简单的问题代替，所以此解并不是百分百准确的解，而是一个粗略的解，由于大部分的实际问题都难以获得精确的解，从而需要一个解决方案。有限元分析不仅具有较高的计算精度，而且还能适应各种复杂形状，因此成为了一种有效的分析工程手段。2.2.2ANSYS软件美国ANSYS公司开发研制的ANSYS软件，是一种大型且广泛使用的有限元分析（FEA）软件，该软件可以和大多数计算机辅助设计（英文：CAD，computer

Aided

design）软件接口，并且可以实现数据的交换与共享，例如AutoCAD、NASTRAN、I－DEAS、Algor和Creo等，ANSYS软件它是世界上发展最快的计算机辅助工程（CAE）软件，也是把机械结构、流体分析、电磁场分析、声场分析融合于一体的一种大型且广泛使用的有限元分析软件。在各种场景都能广泛的使用，例如核工业、能源、汽车运输、机械制造、铁路、石油化工、造船、军事防御、日用家用电器等。ANSYS有限元分析软件的功能非常简单强大，现在已成为国际广泛使用的最流行的一种有限元分析软件，原因是由于其操作起来简单方便，并且连续数年在有限元分析软件评比中都处于第一名。就目前来看，中国有100多所学校进行有限元分析研究是都是采用ANSYS软件作为标准的教学软件。3基于ANSYS的磁力泵转子磁场分析磁力泵转子分为内转子和外转子两种，外转子通过与电动机相连，当电机转动时，带动外转子转动，而内转子与外转子在磁力耦合作用下，产生扭矩，从而发生旋转。3.1物理模型以及网格划分通过solidworks进行建模分析，如图2所示，主要分析的是内外转子磁场分析，因为对主要模型进行建模分析，主要包括外永磁体，和内永磁体，以及周边的护套支架等。图2磁力泵转子模型剖面图3.2设置仿真模型将上述模型保存为sat格式，导入到Maxwell中进行磁场分析，并重新建立坐标系，将模型坐标系放置于原心处，如图3所示，在检查模型互不干涉的情况下，将每一个部件进行材料赋予设置。图3磁力泵转子模型图4如图4所示，对红色导磁支架进行材料赋予，采用材料为铝合金，材料设置为相对磁导率，相对电导率，对于硬磁材料还要设置充磁方向，即永磁体材料，要对永磁体进行充磁，16个外转子和内转子永磁体均采用n-s-n-s充磁布置方式。下图5为永磁材料的充磁方向（采用圆柱坐标系，并径向充磁方式）以及永磁体布置分布图。图5充磁方向及永磁体布置分布图3.3设置边界条件针对永磁体这种无源的结构进行磁场，采用默认的迪利克雷边界条件即可，如图6所示，即wb=0，将求解区域放大30倍即可。图6边界条件3.4设置求解算法对于求解区域，采用静磁场分析场，主要分析其某一瞬态下的磁场分布情况，所以将误差小于0.0001即可，设置10次迭代，每次迭代精度提高30%，最终得到求解值。3.5结果分析图7磁感应线图分析磁场结果，如图7所示为某一截面的磁感应线，从图中可以看出，磁力线是从某一截面进行输出，从另一个进行输入，从而形成回路，内外转子之间产生相互作用的磁力线，因此只有这样，当其中一个转子进行转动的时候，另一个则会受到磁力的作用，产生扭矩，进而发生转动。图8磁感应强度云图分析