磁力泵磁力联轴器传动特性数值模拟及多场耦合研究

发布时间：2020-07-10 06:02

【摘要】：磁力联轴器作为磁力泵的核心传动部件,以其无接触式力矩传动的方式与静密封结构特点,解决了磁力泵在工作中介质外泄的问题,被广泛运用于各工业行业中。针对目前在磁力传动研究方面的不足,本文在现有高速“湿式”磁力传动试验台基础上,改进设计并加工了一对圆筒型磁力联轴器,以此展开磁力联轴器在磁感应强度分布、磁转矩与磁涡损计算、传动性能影响因素分析以及磁-热流固多场耦合分析这四个方面的研究:(1)借鉴表贴式无刷永磁直流电机对瞬态场下磁场强度的分析思想,基于Maxwell电磁场基本理论、磁场可叠加原理,构建了圆筒型磁力联轴器的数学解析模型,从理论上推导了分别位于磁钢区与气隙区内磁感应强度分布的解析计算式,为圆筒型磁力联轴器磁场强度的分析提供参考。(2)运用不同方法计算模型磁转矩与磁涡损值。由经验式,得出在5000 r/min时的最大磁转矩与磁涡损分别为:_(max_经验)=91.63 N?m、_(经验)=3.927 kW。运用Maxwell软件对2D与3D模型进行瞬态磁场的分析,得出以下结论:(a).在一个运动全周期内,磁转矩与间隙间合力随磁转角变化呈正弦型且变化周期一致,分别在11.25°、33.75°处达到峰值;磁涡损与间隙间磁密随磁转角差呈周期变化,在22.5°处达到峰值。在研究参数范围内,发现磁转矩与间隙间合力、磁涡损与间隙间磁密的分布随磁转角差分别以周期值2π/p(p为磁极对数)、4π/p变化而变化。(b).对比三种方式所得最大磁转矩与磁涡损结果有:_(max_经验)_(max_2D)_(max_3D)、_(经验)_(2D)_(3D),这是由磁钢端部漏磁现象所导致。(3)以磁转矩与磁涡损为评判指标,对磁力联轴器传动性能的影响因素进行探究。研究发现:(a).磁极对数增加对磁转矩与磁涡损同时存在影响,且呈现先增加后减小而后趋于平稳的趋势。为方便磁极对数选择,本文引入磁钢材料利用率概念,对模型进行参数优化计算,得出本模型在16对时磁转矩与磁涡损达到最佳值。(b).转速主要影响磁涡损,随转速的变化磁涡损表现9)9)~2_(4)4))/9)9)~2_(4)4)+1)的关系;转速对磁转矩的影响非常小,转速每增加1000r/min,磁转矩约减小0.5%。(c).工作温度对传动性能的影响主要由改变磁钢磁导率引起。对比20℃时磁钢的传动性能,60℃时磁转矩减小约2%,而在150℃时,磁转矩减小了35%。(d).磁钢间隙增大会导致磁转矩与磁涡损小幅度减小。但在间隙间加入基体(A3钢)时,同一条件下,会导致磁涡损增加1.2倍左右。(e).磁钢倾斜角增加会使磁转矩与磁涡损小幅减小。倾角每增加2°,最大磁转矩降低约0.68 N?m,磁涡损减小10W左右。但磁钢倾角增加会使间隙间磁合力的波动幅度更小。对于本模型,磁钢倾角在为6°(π/4p)时间隙间磁力幅度最小。(f).磁钢分级个数对传动性能的影响主要与磁钢充磁方式有关。当对轴向各级磁钢采用同一充磁方式时,分级个数对磁转矩与磁涡损几乎没有影响。当采用交错充磁方式时,会使磁转矩与磁涡损大幅度减小,且在间隙间会出现随分级个数增多而增多的低磁感应强度区域。(4)基于ANSYS-Workbench耦合平台,分析了转速对试验台冷却循环回路流场的影响,得出:转速变化主要影响隔离套段内的流场。流体经轴孔以一定流速流出后在隔离套底部均匀散开,在最外缘处达到最低值。针对磁热效应对磁转子结构与温度分布的影响分析,得出:(a).在隔离套上:温升,形变与应变随转速的增大呈线性迅速增长,对比3000r/min时,在10000 r/min下的最大温升、形变以及应力皆增长了10倍左右。其中在温度分布上:高温区域主要集中于与磁钢对应的长度范围内,到圆筒壁两端呈明显分层现象。在结构上:最大形变点与高温集中区域一致,且在周向上均匀向外膨胀,径向上往两端呈梯度递减趋势。对比磁场与流场对隔离套的应力分布影响,得出磁热效应是主导隔离套产生大形变的主要因素。(b).在磁转子体上:应力与形变随转速的增大呈线性增加,在周向上均匀分布而轴向与径向上梯度递减。其中内磁转子体上,应力主要集中于包封套表面;外转子体上,应力主要集中于与磁钢交接面上;隔离套上,应力主要集中于与对应磁钢的长度范围内且形变值最大。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.4
【图文】：

磁力联轴器,子体

力泵不可或缺的传动部件[1]，其独特的无接触力泵在炼油、冶金、电镀、核工业等高危、正意义上实现了输送介质的零泄漏[3-5]，取代筒型磁力联轴器基本由内外磁转子体、主、1.1 所示。在工作运转时主、从动轴分别与原动点，实现了原动机与工作机之间相互独立。保证了工作介质之间不相互渗透，因此被广行业中。同时，由于磁力联轴器结构简单且震效果好等方面的优势大大提高了系统运行的值。内磁转子体外磁转子体

径向充磁,磁钢,方式,充磁

充磁方向沿径向均匀；的径向宽度远小于模型的轴向长度，从从而磁场在导磁体内的分布不会发生磁布，则可简化为对一个极矩内的磁场强，对磁材料充磁方式的选择也不尽相同瓦形磁钢，常采用径向充磁方式；对于、内/外周多级充磁、平面多级充磁等方，所采用充磁方式为径向充磁。

磁化曲线,径向充磁,磁化曲线,余磁

(2.9) = / 0 = 0 2 ≤ ≤ 2 (2.10) = 0 = 0 2 ≤ ≤ (2 ) 2 (2.11) = / 0 = 0(2 ) 2 ≤ ≤ (2 + ) 2 (2.12) = 0 = 0(2 + ) 2 ≤ ≤3 2 (2.13)根据式(2.9)~(2.13)所给出的解析式，绘制一个极对数下剩余磁化矢量在径向充磁下分布形式，如图 2.2 所示。从图中可以看出，径向充磁下剩余磁化矢量只在径向有分且为方波形,而无周向分量。

【参考文献】