高速磁力泵磁力联轴器研究综述.pdf
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1、2023年第5期小原极木高速磁力泵磁力联轴器研究综述孔祥序!刘厚林2(1一中工工程机械成套有限公司,北京100070;2江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013)摘要:磁力联轴器是高速磁力泵核心部件,是影响高速磁力泵性能的重要因素。对磁力联轴器的磁场分布、磁矩与转角关系、隔离套涡流损耗、磁块零件尺寸和内外磁块的气隙对磁矩及涡流损耗的影响等研究进展进行了综述,并提出了有待进一步研究的内容,以供设计者在高速磁力泵设计、选材时作为参考。关键词:高速磁力泵磁力联轴器磁矩涡流损耗中图分类号:TH311文献标识码:A1概述随着磁性材料的发展,磁力泵从最初铝镍钻(A I Ni Co)合金磁块的
2、普通磁力泵发展到现在高磁能积的稀土磁性材料高速磁力泵,其结构发生了很大变化(1-4)。高速磁力泵的尺寸小、磁力传动效率高 4,多用于安装空间受限且要求泵具有体积小、扬程高、无轴封泄漏等场所。目前,高速磁力泵在航空航天、化工生产等重要领域都有广泛的应用。高速磁力泵磁力联轴器是泵能否实现体积小、性能高、无轴封泄漏的核心部件。磁力联轴器的尺寸、重量是保证泵在一定的气隙条件下、传递一定的转矩时,效率和成本达到最佳的重要因素。自2010年以来,一些大学和科研单位成功研制出了多种型号的高速磁力泵,重点放在紧凑的高速磁力泵结构上,主要研究高速磁力泵磁力联轴器的磁场分布、磁矩与转角关系、隔离套涡流损耗、磁钢磁
3、块零件尺寸和磁块内外气隙分别对磁矩及涡流损耗的影响等 5。本文对上述研究成果进行综述,并提出了今后的研究方向,以供高速磁力泵的设计和研究者参考。2高速磁力泵磁力联轴器的结构组成磁力联轴器由外导磁体、外磁块、隔离套、内磁块和内导磁体等组成,如图1所示 6。磁力联轴器磁块为径向充磁方向,相邻磁块极性为N-S和S-N。当泵工作时,内外磁块产生了转差角,由于磁块同性相斥、异性相吸,形成周向推拉力,从而实现扭矩无接触传递相比普通转速磁力泵的设计结构,高速磁力泵的磁力联轴器内磁转子与叶轮、轴向推力盘、径向滑动轴承等设计为一体,采取电机与外磁转子直联,将内磁块、叶轮轴向推力盘和径向滑动轴承均设计为一体,隔离
4、套处在内外磁转子之间,为静止件。高速磁力泵磁力联轴器的结构如图2 所示。外导磁体外磁块隔离套内磁块内导磁体0NSSNSSNNNSNNSSSNSNSNS图1磁力联轴器的结构2023年第5期小原木654321-高速轴2-隔离套3-外磁块4-内磁块5-内导磁体6-滑动轴承7-叶轮图2高速磁力泵磁力联轴器的组成高速磁力泵采用这种特殊的磁力联轴器结构,滑动轴承不受转速限制,驱动轴与内磁转子同心度高,大大节省了泵的空间尺寸、提高了高速磁力泵运行的可靠性,所以磁力联轴器性能的优劣,直接影响着高速磁力泵的性能,高速磁力泵磁力联轴器的内外磁转子实物如图3所示。鉴于高速磁力联轴器的结构,影响磁力联轴器性能的因素有
5、:内外转磁体磁场、转差角、隔离套材料、气隙、磁块材料、磁块尺寸、磁极数目等。3高速磁力泵磁力联轴器的研究高速磁力泵磁力联轴器的设计需要对磁转矩和(a)电机与外磁转子(b)内磁转子图3高速磁力泵磁力联轴器实物隔离套涡流损耗等进行精确计算,目前国内的许多文献都介绍了磁传动磁矩和隔离套涡流损耗的经验计算公式 7。Han-BitKang等 8 通过磁势矢量,求得磁力联轴器转矩,并运用非线性二维有限元分析及扭矩测量进行了验证。王凯 9 运用经验公式计算、Maxwell仿真和试验相对比,验证了磁力联轴器的二维模拟结果与试验值。MINKC等 10 1运用空间简谐波法与等效电荷法分别对金属隔离套的磁涡流损耗进
6、行了数值计算。基于有限元法计算的磁转矩和隔离套涡流损耗、优化磁力联轴器设计 12,已经在试验中得到了很好的验证。随着CAE技术的发展和应用,已经能够快速地对高速磁力泵磁力联轴器的磁场进行数值模拟 13-14,王志强 15在磁力联轴器磁场数值模拟的基础上,对磁力联轴器不同转差角下的磁转矩和涡流损耗进行研究,并对影响转矩和涡流损耗的各种因素进行分析,使磁力联轴器的设计准确性得到提高。张坤 16 还研究了不同轴向长度的磁块对高速磁力泵性能的影响 16 O3.1磁力联轴器的磁场文献 11中以某高速磁力泵的磁力联轴器为例,以内磁转子外半径、磁转子轴向长度、气隙、内磁体厚度、外磁体厚度、内转子轭铁厚度和外
7、转子轭铁厚度等为参量,借助有限元分析软件AN-SYS11.O进行数值分析,给出了磁力线分布,如图4所示。由图中可以看出:在转差角=0时,气隙中的磁力线分布均匀,磁场感应强度最大;随着载荷的增加,当=4时,气隙中的磁力线扭曲,磁场传递扭矩;当载荷进一步增大,在最大转差角=7.5时,磁力线重度扭曲,磁极以相反的磁化方向正对,无法传递扭矩,处于不稳定状态。即磁力线分布形态与传递载荷有关。(a)0-00(h)0=4(c)0=7.5图4高速磁力泵磁力联轴器磁力线分布图2023年第5期小原枝术3.2转差角与磁转矩关系及隔离套的涡流损耗文献 6,11说明了磁转矩与转差角的关系基本为正弦曲线。当转差角为0 时
8、,磁力联轴器处于稳定状态;当转差角增大时,磁转矩逐渐增大;在磁极数目与转差角的积为45时,磁转矩增大到最大值;若转差角再继续增大,磁转矩则减小,磁力联轴器发生滑脱。在磁力联轴器尺寸一定的情况下,磁涡流损耗随着转差角的增大而减小。当转差角为0 时,所有的磁力线与隔离套垂直,涡流损耗最大,感应电动势也达到最大。当转差角增大时,作用在隔离套的磁感应强度降低,涡流损耗随之降低。也就是说,当配套磁力联轴器转矩的富裕量较大时,转差角较小,涡流损耗较大,磁力联轴器传动效率较低。即配套磁力联轴器转矩的富裕量不宜太大。3.3气隙对转矩的影响王志强以一高速磁力泵样机为例,在磁力联轴器磁场数值模拟的基础上,对磁力联
9、轴器不同转差角下的磁转矩和涡流损耗进行研究,并对影响转矩和涡流损耗的各种因素进行分析,使磁力联轴器的设计准确性得到提高。在磁力联轴器一定、转差角为4时,仅改变气隙值,得到气隙对转矩的影响,如表1所示。由表1可看出,当气隙由2 增大到4时,转矩减小了46.6%。表1中的气隙增大,转矩迅速减小。这是由于以内外磁体为磁源,气隙与磁体中的磁阻要比轭铁中的磁阻大得多,磁势主要消耗在气隙与磁体上。若要达到需要的额定转矩,则要增大磁力联轴器尺寸,导致磁性材料利用率和传动效率降低。为了充分利用磁性材料的磁性,提高传动效率,应尽量减小气隙。然而气隙的减小受到隔离套厚度、隔离套与内外磁转子的间隙以及装配精度等影响
10、,所以磁力联轴器气隙的大小应综合考虑。3.4磁块和隔离套材料对转矩及涡流损耗的影响3.4.1磁块材料文献 11,15阐述了对于不同永磁材料的磁力表1磁力联轴器的气隙对转矩的影响气隙/mm22.533.544.5转矩/(Nm)10.58.87.56.35.64.9联轴器进行模拟试验,得到不同磁性材料的磁转矩,如表2 所示。NdFeB磁性材料联轴器的转矩比Sm,Co1磁性材料联轴器转矩大约50%。当联轴器不同磁性材料的内外磁块互换时,磁转矩相差不大。Sm,Co1z磁性材料耐高温,适合用于输送高温介质的高速磁力泵内磁转子,外磁转子用NdFeB磁性材料比较适宜。3.4.2隔离套材料磁力联轴器中不同材料
11、的隔离套产生的涡流损耗差异很大。在相同工况下,涡流损耗与隔离套材质的电阻率成反比。文献 15给出了相同工况下,TC4、H a s t e l l o y B-2、H a s t e l l o y C-2 7 6、I n c o n e l718、1C r 18 Ni 9 T i、30 4和316 L七种不同材料的电阻率和涡流损耗,其中TC4的涡流损耗最小,仅为316 L的40%左右。在输送不同温度的流体时,是否仍存在这种关系,有待于进一步研究。3.5磁极数目对转矩及涡流损耗的影响文献 11给出了高速磁力泵磁力联轴器的磁转矩和涡流损耗之间的关系。在其他条件不变时,仅改变磁极数目,得到不同磁极数
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