磁力联轴器静态转矩特性研究与参数优化.pdf

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1、第39卷第5期化工机械605磁力联轴器静态转矩特性研究与参数优化张毓4吴建华(浙江大学电气工程学院)摘要建立了磁力联轴器有限元分析模型，利用ANsYs有限元软件，系统研究了磁力联轴器的静态转矩特性，分析了磁力联轴器主要结构参数对最大静态转矩的影响，并进行了实验验证。提出了基于材料利用率的磁力联轴器设计理念，并给出最优设计参数选择。关键词磁力泵磁力联轴器有限元分析静态转矩特性材料利用率中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254—6094(2012)05m605_05磁力泵是由电动机驱动磁力联轴器的外磁转子通过磁力作用带动与叶轮一体的内磁转子旋转，实现动力的无接触同

2、步传递⋯。内外磁转子之间由隔离套隔开，将容易泄漏的动密封结构转化为零泄漏的静密封结构。这种静密封可以消除泄漏，从而广泛地应用于水泵、石油、化工以及制药等对密封有着特殊要求的场合。磁力联轴器是磁力泵的关键部件。目前，关于磁力联轴器的研究主要有3种方式：基于经验公式心]、基于解析法¨。1和基于有限元分析¨“。。经验公式是在长期的生产实践中得到的，具有一定的参考价值，对于磁力联轴器的初步设计有很好的指导作用，但局限于特定结构的磁力联轴器的计算；解析法通过解析计算，获得精确的计算结果，但是对结构具有依赖性，且公式复杂，计算繁琐；随着有限元分析软件的发展，其计算精度高、速度快及后处理

3、功能强大等优势更加明显，有限元分析法开始广泛应用于各种电磁设计领域。文献[7]运用有限元的方法对磁力联轴器的性能做了整体分析，并获得了一定效果。笔者利用ANsYs有限元分析软件，对磁力联轴器的静态特性进行研究，提出基于材料利用率的设计理念，以此为判断标准，对影响磁力联轴器静态特性的参数进行分析，并进行了实验验证。1磁力联轴器的基本结构磁力联轴器与传统联轴器的不同之处在于，主动轴与被动轴之间无直接接触，通过永磁体的磁力传递力矩。根据磁力驱动的原理，有两种典型的磁力联轴器结构(图1)。a．圆筒式b．圆盘式图l磁力联轴器的结构示意图1——从动轴；2——隔离套；3——外导磁体；4—

4、—外磁钢；5——内磁钢；6——工作气隙；7——内导磁体；8——主动轴磁力联轴器由外导磁体、外磁钢、隔离套、内导磁体和内磁钢5个部分组成。外导磁体和外磁钢统称为外转子，内导磁体和内磁钢统称为内转子。内、外磁钢通过磁力传递力矩，导磁体为磁力线提供通路，隔离套用来实现内外转子的隔离，实现静密封。对一些小功率力矩传递，还可以取消内外导磁体以简化结构、降低成本。2磁力联轴器的有限元模型笔者的研究对象为圆筒式磁力联轴器，除端部以外，该联轴器在轴向上的磁场分布基本一致，因此为节省时间方便计算，可假设磁力联轴器的+张毓，女，1987年11月生，硕士研究生。浙江省杭州市，310027。606

5、化工机械2012年气隙尺寸远小于轴向尺寸，忽略联轴器的端部效应，从而将三维的模型转化为二维模型进行分析。在有限元分析时，如果把整个二维模型作为求解区域进行分析，将大大增加计算时间和内存占有量。又考虑到磁力联轴器的磁场完全呈周期性分布，且周期数等于联轴器的磁极数，因此笔者只取一个极距进行分析。图2所示扇形区域为圆筒式磁力联轴器的有限元分析模型，外磁钢有平面形和瓦片形两种(图2)。a．平面形lZj4)6，b．瓦片形图2圆筒式磁力联轴器的有限元分析模型1——内层气隙；2——内导磁体；3——内磁钢；4——隔离套；5——外磁钢；6——外导磁体；7——外层气隙由于采用一个极距进行分析，

6、因此除第一类边界条件外，还需对扇形区域施加周期性边界条件。此外，为了分析内外转子角度不同时的静态特性，笔者在隔离套及外磁钢之间的气隙间，设置了一条运动边界，将求解区域分为内转子和外转子两部分。如图3所示，L。。。为内转子上的运动边界，￡，。H为外转子上的运动边界，两者实际上同时属于内、外转子，其中L∞与￡。H重合。图3磁力联轴器的边界条件设置综上所述，磁力联轴器的边界条件设置为：AzlA口=AzIⅣ=0Azl日c=～AzI^EAzI"=一AzlⅣ，AzlGD=AzlcⅣAzIDF=一Azl，c3磁力联轴器静态特性分析磁力联轴器的静态特性，主要体现在它的传递力矩上，因此其最大

7、静态转矩的研究是静态分析的重点。影响联轴器最大静态转矩的因素很多，如磁偏角、磁极个数、磁钢厚度以及导磁体厚度等。笔者以额定力矩为100N·m的磁力联轴器为研究对象，分析其静态特性，并对其进行参数优化。磁力联轴器内磁钢为瓦片形，材料为钐钴Yx28，径向充磁；外磁钢为平面形，材料为铷铁硼N38sH，平行充磁；内外导磁体材料为104钢，隔离套材料为钛合金，磁力联轴器具体参数如下：磁极数22内导磁体内半径49mm内导磁体外半径60mm外导磁体内半径74．5mm外导磁体外半径85mm隔离套内半径66．5mm隔离套外半径68．