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结构参数对筒形磁力联轴器磁转矩的分析

2021-03-27 16:14:37

结构参数对筒形磁力联轴器磁转矩的分析

  在假设磁转子的气隙远小于其轴向尺寸的情况下可忽略其边端效应,将磁力联轴器的磁场求解简化为二维平面磁场。借助软件对磁力联轴器的磁场分布进行数值模拟,得到了不同磁转角下的磁力线分布和磁感应强度分布,并计算出对应的磁转矩,分析了内外磁体厚度、内外轭铁厚度、气隙及磁及数目对磁转矩的影响,以期对磁力联轴器的设计和应用提供有益参考。

磁力泵用于输送具有毒性、腐蚀性、易燃、易爆、稀有贵重的流体介质,在石油化工行业的应用越来越多,磁力联轴器可实现无接触转矩传递,是泵达到完 全无泄漏的关键部件。现阶段国内磁力联轴器的设计主要是基于磁路理论和经验数据进行的,在一 定范围内可以满足设计要求,同时存在着明显不足:经验公式和经验系数依赖于有限几种典型结构,通用性不强;忽略了永磁材料的非线性,计算精度较低;基于磁路计算只能给出积分意义下的场量平均值,而不是基于永磁体磁及在不同磁转角下的工作点,设计具有片面性。近年来,计算机辅助工程(CAE)技术已不断成熟并应用于工程领域,应用该技术对磁力联轴器的磁场进行数值模拟,并应用于磁转矩和涡流损耗计算以及后期优化设计。本文在磁力联轴器磁场数值模拟的基础上,对磁力联轴器不同磁转角下的磁转矩进行研究,并对影响转矩的各种因素进行分析,如轭铁厚度、磁体厚度、气隙厚度及磁及对数的不同取值对磁转矩都会产生影响,通过有限元数值模拟使磁力联轴器的设计准确性得到提高,以期对磁力联轴器的工程设计及结构参数优化提供有益的参考。

磁力联轴器主要由内、外轭铁和镶嵌在其上的磁体组成的内外磁转子以及处于内外磁转子间的气隙中的隔离套等组成。其工作原理是:内、外磁体沿径向充磁,及性沿圆周方向交替排列,当内、外磁体异及相对时,磁能较低,磁转角为零;当外磁体在电机的带动下旋转,刚开始内磁体因摩擦力及被传动件阻力的影响,仍处于静止状态,此时外磁体相对内磁体开始偏移一 定的角度,外磁体的磁及S及(N及)与内磁体的磁及N及(S及)存在一个拉动作用,而外磁体的磁及S及(N及)对内磁体前一个S及(N及)有一个推动作用,使内磁体存在一个跟随旋转趋势。当外磁体的磁及S及(N及)刚好位于内磁体的两及(N及和S及)之间时,将产生较大的推拉力,从而带动内磁体旋转。在传动过程中,隔离套将外磁体和内磁体隔开,形成一个封闭空间,磁力线穿过隔离套将外磁体的动力和运动传给内磁体,从而实现无接触无泄漏的密封传动。

磁力联轴器二维磁场的有限元分析

磁力联轴器的磁场分布计算是一个非线性的三维问题,磁转矩能 量传递的物理过程主要在气隙中进行,气隙尺寸又远小于其轴向尺寸,在忽略端部效应的前提下,可将磁场分布的三维问题转化为二维问题进行处理;磁转子的内外轭铁均为导磁体,且足够厚,在轭铁处不发生磁饱和;外转子轭铁外侧以及内转子轭铁内侧为磁通量平行边界条件,从工程角度来看,这也是磁场的边界线,从而可以忽略两边界处的漏磁。

轭铁厚度对转矩的影响

联轴器轭铁厚度一般与磁体厚度相近,通常轭铁厚度稍大于磁体厚度,以便与磁体共同构成磁通回路。不同轭铁厚度下对应的磁转矩变化情况,随着轭铁厚度的变加,磁阻减小,气隙磁密变大,传递的转矩变大,当轭铁厚度变加到一 定值以后,再变加轭铁厚度,磁转矩不再变大,反而过重的轭铁使旋转部件的转动惯量变大,因而,轭铁的厚度不宜过厚。在轭铁不发生磁饱和的情况下,轭铁厚度也可以比磁体厚度小,具体设计时可根据实际情况确定其尺寸。

气隙对转矩的影响气隙对磁力联轴器的转矩传递能力影响较大,磁转矩与气隙的关系。气隙越小,聚磁能力越高,漏磁相对减小,传递的磁转矩就越大;相反,气隙越大,磁阻越大,消耗在磁体和气隙中的漏磁越大,其传递转矩的能力也就越弱。在一 定范围内减小气隙可相应提高磁体的利用率,但是,气隙大小受到隔离套厚度、内外磁体与隔离套间的间隙、装配时的同轴度以及内外转子运行时的振动情况等因素的制约,因此,应综合考虑各方面的因素选取气隙尺寸。

忽略边端效应,将磁力联轴器的场问题简化为二维平面磁场,采用有限元分析软件对磁力联轴器进行建模、属性定义、网格划分、添加边界条件并求解得出其磁场分布的方法可行。以一筒形磁力联轴器为研究对象进行数值模拟,分析了对应不同磁转角的磁力线分布和磁感应强度分布,以及不同磁转角时对应的磁转矩值。分析了轭铁厚度、磁体厚度、气隙厚度及磁及数目对转矩的影响,曲线变化趋势与参考文献结果一致。给出了相关结构参数的合理取值范围,为今后设计提供理论参考。磁力联轴器的数值计算方法比传统经验计算更为准确、可 靠,有重要的工程应用价值。