磁力泵磁性联轴器的磁场数值计算

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1、万方数据第42卷第1l期机械工程学报v01．42No_112006年11月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGNov．20O6磁力泵磁性联轴器的磁场数值计算水孔繁余陈刚曹卫东孙建季建刚(江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013)摘要：磁性联轴器的结构参数、磁场情况关系到传递磁转矩的能力、磁力泵机组的效率和可靠性，因此有必要对磁性联轴器的内外磁钢转角、磁极数、轭铁厚度、气隙等参数及其构成的磁场进行深入研究。基于磁路设计的基本原理，采用ANsYs软件，探讨磁力泵磁性联轴器的磁场分布及其磁转矩的影响因素。通过磁场分析

2、、建模，对其永磁磁场进行数值计算，结合实例计算出内外磁转子不同转角时的磁力线分布及其磁转矩、气隙内磁感应强度。分别研究在不同磁极、不同轭铁厚度时的磁场分布情况及不同气隙时的转矩值。磁力泵磁性联轴器的磁场数值计算具有重要的理论和实际应用价值。关键词：磁性联轴器磁场磁转矩数值计算中图分类号：TH311O前言磁力泵由电动机驱动外磁转子，外磁转子通过磁力作用带动与叶轮一体的内磁转子旋转，内外磁转子之间有隔离套隔开，从而实现了液体无泄漏输送[1】，也就是说机电能量转换是通过磁性联轴器的磁场传递的。传递功率的大小与磁性联轴器的磁场有关，而磁场又与一系列构成磁转子的几何

3、尺寸和所用材料的物理参数有关。目前已经有了一些基于磁路概念的磁路设计计算方法【2圳，在一定范围内可以满足设计需要，但有明显的不足：①要依赖于有限几种典型结构的经验系数和经验公式，离开这些结构所覆盖的范围就会导致很大的偏差，很难仔细考虑铁磁材料的非线性，所以计算精度比较低。②基于磁路计算只能给出积分意义下的场量平均值，这意味着不能掌握永磁磁极在不同转角口下各局部的工作点，设计具有盲目性。这里用数值计算方法算出由给定结构尺寸和材料构成的磁转子在不同口值下的每一局部的磁场值及磁转子的矩角特性，使磁力泵磁性联轴器设计具有可预见性。1应用计算软件1．1采用的计算软件

4、采用美国swansonAnalysisSystem的ANsYS软件，电磁场分析是ANsYS的一个模块。ANSYS女江苏省科技建设计划(BM2002805)和江苏省高新技术研究(BG2002014)资助项目。20051231收到初稿，2006071l收到修改稿程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正交各向异性的线性磁导率，材料的曰一日曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显示磁力线、磁通密度和磁场强度并进行力、力矩和其他参数的计算。1．2ANSYS磁场分析磁场的分析和计算通常归结为求微分方程的解，即研究在一定边界条件下的定解问题。AN

5、SYS磁场分析主要包括以下四个方面。(11定义物理环境，包括坐标系选用、单位制设定、有限单元选用(这里选择PLANE53单元)和材料特性定义等。材料特性对于导磁材料为其B—日曲线，对于非导磁材料为其磁导率，对于永磁材料需要说明其退磁B～H曲线和矫顽力等。(2)几何建模，然后对求解区域用选定的单元进行划分，并对划分的单元赋予特性和进行编号。单元划分的疏密程度根据具体情况而定，也就是在电磁场变化大的区域划分较密，而在变化不大的区域可划分得稀疏些。赋予单元特性就是给不同区域的单元量赋予物理参量。(3)施加边界条件和载荷。永磁场的施加要通过设置局部坐标系来表明磁极

6、的磁化方向。(41求解和后处理。2磁场数值计算2．1ANSYS分析前处理采用ANSYS软件进行分析前，做以下基本假设：①转子的磁场分布计算是一个非线性的三维问题，考虑到力矩传递的物理过程主要发生在气隙中，因此假设磁转子的气隙尺寸远小于其轴向尺寸，这万方数据214机械工程学报第42卷第11期样可以忽略端部效应的影响，把磁场分布的三维问题当作二维问题进行处理。②在磁转子的横断面上，几何和物理因素都是周期性变化的，周期数等于磁转子外磁钢或内磁钢的磁极对数，在一个极矩范围内求解即可。③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。从工程角度看，这也是

7、磁场的边界线pJ。二维磁场有限元模型如图1所示。其中，冠为内磁钢磁体内径，尺。为外磁钢磁体外径，鑫为内外磁钢轭铁厚度，蠡为内磁钢磁体厚度，蠡为内外磁钢气隙。气隙内磁场沿周向呈周期性变化，为了减少计算机的运算量只取1／9模型进行分析计算。图1二维磁场有限元模型记整个求解域为乃，历和品两段边界为f，口6为厂，，如为L，所有不同介质的交界线为三，永磁磁极沿磁转子半径方向的边线为三。，显然有乃=力UfU厂2U厂3U三U厶。这里力是乃中除去边界和介质交界线以后的场域。根据电磁场理论在力中有{孑等㈣‘___V·曰=口⋯式中V——矢量微分算子日——磁场强度曰——磁感应强

8、度．，——传导电流密度如材料为非线性(轭铁处出现磁饱和，如AlNi