PAGE磁力泵的磁力傳動部分結構的優化設計及仿真分析目錄摘要 11前言 21.1研究背景 21.2逆向工程簡介 22磁力泵簡介 32.1磁力泵的工作原理 32.2磁力耦合器簡介 32.2.1磁鐵的排列方式簡介 32.2.2磁力耦合器的工作原理 42.2.3優化方案 53磁力泵的逆向工程 53.1參數測繪 53.2磁力耦合器材料分析 73.3磁力耦合器的優化與建模 74用ANSYS軟件對優化后的磁場進行分析與仿真 84.1ANSYS軟件計算磁場轉矩的原理與方法 84.2在ANSYS中建模與磁場分析與仿真 84.2.1磁力耦合器的建模 84.2.2工作轉速對傳動磁轉矩的影響 94.2.3工作轉速對傳動時磁渦流損耗的影響 10結論 11參考文獻 12PAGE1摘要：磁力泵是利用現代磁力學原理，是一種特種的離心泵，通常由電機、磁力耦合器及泵體等部件組成的。磁力耦合器也是磁力泵中重要的構成部分,其內置的永磁體可以進行非直接接觸間接傳動,而磁力耦合器具有一種可耐受高水壓的屏蔽式密封模腔體。在密封型腔的外面有一個外磁定子,封閉型腔的里面又有一個內磁定子,外磁定子和內磁定子經過磁場的相互作用,使得封閉型腔內和外面的磁定子部分能夠同時的轉動,在封閉型腔里面的定子部分經過軸承,能夠推動葉輪實現對磁力泵內的液體做功。由于各部分組成的是屏蔽封閉型腔,并具有動封,使得推動葉輪做功的轉動軸無法穿出屏蔽封閉型腔,這樣確保了磁力泵沒有滲漏和對外部產生污染。，進而消除了煉油化工行業存在易爆、易燃有毒等物質通過泵體泄漏存在的安全問題。磁力泵在運行過程中具有安全可靠，噪音低，無泄漏，無污染的優點，廣泛應用于食品、化學制品、石油化工、化肥、冶金、核電等等一系列領域當中。本文在對磁力泵的磁力傳動的部分結構進行了優化處理，并對優化后的磁力泵的優缺點進行了分析和介紹，對于磁力泵的使用注意事項提出了合理措施和建議。關鍵詞：磁力泵；磁力耦合器；逆向工程；結構優化1前言1.1研究背景現如今全世界的工業生產對能源節約和環境保護越來越重視。在處理易爆、易燃有毒等物質的時候磁力泵具有密封、無泄漏和無污染等特點，在工業生產各個領域都有著極為重要的作用。磁力泵是由泵體、磁力耦合器（又叫做磁力聯軸器和永磁傳動裝置）及電機等部件組成的，在各零部件中磁力聯軸器是磁力泵的核心部件，磁力耦合器的零件材料和結構參數很大程度上影響著磁力泵的性能和成本。因此改變磁力耦合器的零件材料和結構參數,對于降低磁力泵的生產制造成本具有極其重要的作用。磁力耦合器在磁力泵是一個極其重要的傳動部件，它獨特的接觸轉矩傳動方式與靜態密封結構的特性，成功地解決了磁力泵在不同工況下介質外泄和處理易燃有毒等物質的問題，從真正意義上實現了輸送介質的零泄漏。圓筒型磁力耦合器的基本結構是由內磁轉子、外磁轉子、主動軸、從動軸和隔離套這幾個部分組成的。磁力耦合器自身帶有過載保護機制和結構組成簡單等優點，具有減震效果優良和安裝要求低等優勢，所以它具有較高的工程應用價值。磁力泵中的磁傳動技術從二十世紀三十年代發展至現如今，主要集中在磁路設計、磁傳動特性和磁渦流損耗控制等基礎研究方面。RAVAUD等分析了充磁方式對磁轉子轉矩的影響規律，充磁方式有徑向、軸向和切向這3種，并且RAVAUD還提出了磁力耦合器中磁轉矩的修正解析式，并將磁鋼徑向充磁和計算機編程技術相結合，對磁力耦合器的磁轉矩進行了二維設計、三維設計和計算。張明根等應用Workbench軟件對磁力泵渦輪泉轉子進行瞬態熱仿真，通過Workbench軟件分析轉子在運行時的溫度分布情況，研究了溫度對渦輪泵轉子臨界轉速有什么影響。張勇等將設計了中心組合試驗方法。將試驗方法與NSCA-II優化算法相結合，對磁力泵磁力耦合器進行了多目標優化設計。鄒里云等利用ANSYS軟件對磁力耦合器的磁場分布情況進行數值計算，分析了內磁轉子和外磁轉子的厚度、氣隙距離大小以及磁極數量等一系列因素對磁轉矩的影響。1.2逆向工程簡介逆向工程也被稱為反向工程和反求工程。逆向工程的概念和傳統產品設計的概念完全相反。逆向工程是對以存在的產品各項參數和資料作為基礎，對原產品進行消化吸收，改進優化和創新的生產過程。工業市場上任何一款新產品被設計出來，其中設計的過程都包含了產品設計師對社會上前任科學家學術和產品工藝設計的借鑒，所以在產品工程設計過程中逆向工程起到很大一部分作用。逆向工程最早源于二十世紀六十年代，但逆向工程在工程實踐的廣泛運用和逆向的科學性進行深化理解是從二十世紀九十年代開始的。在機械工業領域對產品的改進、創新和開發，逆向工程有著極其重要的地位。傳統的機械設計和機械制造技術有著很長的設計生產周期，逆向工程大大縮短了對新產品的設計周期，逆向工程只需要對原有產品需要改進的地方進行重新設計與研發，逆向工程省略了產品部分結構從無到有的設計和計算，所以說逆向工程對工業生產的應用在一定程度上大大的提高了產品的生產效率。現如今逆向工程在航空航天、汽車制造和模具設計等一系列領域都得到了廣泛的應用，是一項綜合性和實用性很強的技術，合適當今社會的發展需求。本文通過對逆向工程的理解與運用，對現有磁力泵的各結構參數進行測量與建模，對磁力泵的磁力耦合器部分進行優化，具體的優化方案詳情見第二章2.2.3所示。2磁力泵簡介2.1磁力泵的工作原理磁力泵的結構如圖2-1所示，磁力泵通常是由密封機構、葉輪、內磁轉動、屏蔽套、外磁轉動、風機等部分所構成,在磁力泵的內部裝有一種能耐受壓強的屏蔽封閉模穴體,封閉模穴體的結構為內磁轉動和外磁轉動,由隔離套隔開。外磁轉子和內磁轉子借助磁場的相互作用,使得封閉型腔內和外圍的磁力轉動部分能夠同時的轉動,而封閉型腔內的轉動部分借助于軸承,能夠推動葉輪進行對磁力泵內的液體做功。磁力泵與傳統水泵中的自動密封不同,磁力泵的密封型腔體使用靜密封,實現了運送工作介質的零排泄和無污染。磁力泵在普通常規泵的基礎上,添加了磁力耦合器。磁力耦合器是由內磁旋子、外磁旋子和不導磁性的間隔套構成,代替了普通常規水泵的自動封,用間隔套可以使水泵旋轉軸向完全穩定起來。地磁的傳遞主要依靠內磁轉子與外磁轉動中的地磁極對數,而磁力泵向滑行軸承所傳遞的介質,也對滾動軸承具有著冷卻潤滑功能,故通常依據各種類型的應用工況和介質,而選用各種類型的物料制成軸承。通常滑行軸承所使用的建筑材料主要有浸漬石墨、填充聚四氟乙烯,以及建筑瓷器等。而磁力泵的滑行軸承則多使用建筑瓷器制造,因其優異的抗摩擦力、耐熱性和抗腐蝕性。圖2-1磁力泵結構圖2.2磁力耦合器簡介2.2.1磁鐵的排列方式簡介二十世紀三四十年代,由于當時第一代永磁材料磁極之間的磁化強度過大,并且永磁材料與磁極在工作的時候會相互影響。當時多采用與磁體的間隙排列,如圖2-2(a)所示。這種單行間距排列的最主要弊端是地電磁傳動裝置的容積大、扭矩小而且磁塊易退磁。所以,永磁體材料的磁能和磁體的行間距排列方式,成為了地磁傳動裝置發展的瓶頸。由于第二代及第三代永磁體材料的迅速發展,這些磁性料二極間磁化強度的相互影響也大為減弱,于是當時的研究者們給出圖2-2(b)中所示的單行緊密排列方法。這些強磁排列方法都可以增加地磁場強度,并增加磁轉矩。在二十世紀六十年間,由于聚磁技術的問世及其在電氣應用領域中的成熟運用,也促進了對地磁傳動的研究如圖2-2(c)所示。聚磁技術,就是將內部磁石所造成的磁通量,集中在工作氣隙大小中。同樣,聚磁排列形式也減少了由于在磁塊之間互相布置,所造成的磁力線與在同-轉子上構成傳輸電路而生成的部分磁通的耗費,因而增加了地磁傳動的轉矩。若傳動機構在軸向長度允許的條件下，可以采用多行的磁鋼排列方式如圖2-2(d)、2-2(e)所示。這種方式可以增大磁轉矩減小傳動機構的徑向尺寸。（a）（b）（c）（d）（e）圖2-2磁路配置的平面圖本文研究的磁鐵排布方式為直線型磁鐵排布，圖2-3直線型磁鐵排布三維圖。其工作原理是利用了磁性材料間異性相吸、同性相斥的原理,通過磁耦合將磁能轉化成機械能的過程。磁力耦合器內磁轉子和外磁轉子各鑲嵌一層磁鐵，外圈的N極與內圈的S極相對，彼此相互吸引，當外轉子在輸入軸的帶動下旋轉，其內部的磁鐵也會跟隨轉子一起轉動，由于外部的磁體對內部的磁鐵具有吸引作用，所以當外磁轉子在輸入軸的帶動下轉動，內外磁鐵相互吸引，內磁轉子會跟隨外磁轉子一起做旋轉運動。圖2-3直線型磁鐵排布三維圖2.2.2磁力耦合器的工作原理磁力耦合器也稱磁力聯軸器和永磁傳動裝置。磁力耦合器主要由以下四大部門構成:永磁轉動、電磁導轉動、氣隙大小的執行部門,以及調控磁帶和導磁帶中間氣隙大小的管理機構。永磁轉動是嵌有永磁體(強力稀土磁鐵)的鋁盤,與負荷軸連結;導磁轉子是導磁體盤銅或鋁,與發電機軸連結;氣隙執行部門是調控磁帶與導磁帶中間氣隙的管理機構;轉軸聯結殼與緊縮盤是以專利緊縮盤安裝與發電機及負荷軸連結。通常,銅轉動與發電機軸連結,永磁轉動與工作機的軸連結,銅轉動和永磁轉動中間有空氣縫隙(又稱氣隙),不是傳輸轉矩的機器聯接。這樣一來,電器和工作機相互之間構成了軟(磁)性聯接,利用調控氣隙大小來完成對工作機軸力矩、速度等的改變。由于氣隙調整方法的差異,永磁渦流傳動設備分成了標準型、滯后型、有限矩型、調制型等各種型式。2.2.3優化方案現有樣機磁力耦合器永磁體的布置形式都是直線式,即若對偶數永磁體按規則順序裝配在同一磁力耦合器的內磁定子、外磁定子上,使磁石部分相互形成完全相互耦合的磁力系統。將n對永磁體(n為偶數)按規則順序裝配在同一磁力傳動器的內、外電磁定子上,使永磁體部分相互形成完全藕合的磁性系統。當磁場極性轉動到與同極相對時,則兩磁極之間的位移角=2rt/n,此時磁系統的磁能最高。在除去所有外來動能之后,由于磁力系統的磁極之間相互排斥,因此地磁場變化將使永磁體恢復到磁能較低的狀況。由此永磁體形成運動,并帶動磁性轉子自旋。本文對現有磁力耦合器磁體排布的基礎上進行改進，現有外磁轉子上為單排磁鐵，如圖2-3所示；改進的結果會使單排磁鐵排布變為雙排磁鐵，如圖2-4所示，改進的目的是使磁力泵的磁轉矩峰值增大達到提高磁力轉動效率的效果，為了實現這個目標，本文現有的磁力泵樣機結構基礎上進行逆向工程，先對磁力泵樣機進行零部件測繪進行三維建模，搭建實驗平臺進行數據驗證。圖2-4雙排磁鐵排布3磁力泵的逆向工程3.1參數測繪對磁力耦合器結構零部件用游標卡尺等測量工具進行測量，盡量減小測量誤差分別對磁力泵的泵體、葉輪、軸承、外磁轉子、內磁轉子、永磁體、隔離套、止推環、軸套等一系列磁力耦合器的零部件進行了測量。得到了磁力泵各零部件結構的參數見下表3-1所示，并通過已測量出來的各零件參數盡可能的還原出磁力泵的模型，還原出來的磁力泵的二維模型如圖3-2所示，磁力泵的三維模型如圖3-3所示。圖3-1對磁力泵零部件進行測量表3-1結構名稱參數結構名稱參數基體內徑R123.0mm內磁轉子外半徑R253.0mm內磁鋼厚度t13.0mm內磁鋼長度L130.0mm內導磁體厚度t211.5mm外磁轉子外半徑R370.5mm外磁鋼厚度t35.0mm外磁鋼長度L230.0mm外導磁體厚度t43.0mm磁鋼工作半徑R449.5mm隔離套厚度t61.0mm隔離套底部厚度t66.0mm軸向長度L3142.0mm磁極對數m16圖3-2磁力泵二維圖圖3-3磁力泵三維圖3.2磁力耦合器材料分析磁力耦合器磁鋼材料為釹鐵硼N38SH，磁鐵是采用表貼式嵌人內外導磁體中，選擇徑向充磁方式。內導磁體和外導磁體的材料為具有良好導磁性的Q235（普通碳素結構鋼），有利于內外磁鋼形成磁勢回線。隔離套材料為304(不銹鋼)，基體的材料為2Cr13（馬氏體不銹鋼）。3.3磁力耦合器的優化與建模在保證磁力泵整體結構不改變的情況下，只對磁力耦合器的磁鐵排布進行重新設計，從原來的單排磁鐵排布改為雙排磁鐵排布。磁力耦合器單排磁鐵排布如圖3-4所示，雙排磁鐵排布如圖3-5所示。優化前的內、外磁轉子如圖3-6所示，優化后的內、外磁轉子如圖3-7所示。圖3-4單排磁鐵排布圖3-5雙排磁鐵排布圖3-4優化前的內磁轉子圖3-5優化前的外磁轉子圖3-6優化前的內、外磁轉子圖3-7優化后的內、外磁轉子4用ANSYS軟件對優化后的磁場進行分析與仿真4.1ANSYS軟件計算磁場轉矩的原理與方法ANSYS軟件在分析磁性的時候以Maxwell方程為基準,并引入了有限元方式對未知量磁位作出了估計,磁感應強度磁場壓力和扭矩也可從磁位中導出。所選用的單位類型與單位選項有所不同,未知量磁位可能是向量磁位、標定磁位或邊界通量。我們只能根據單位采用的向量位方式和標量位方式對磁場力和扭矩加以運算,其中Maxwell應力法和虛功應力法是目前ANSYS軟件中普遍使用的二種估算磁場力和扭矩方式。4.2在ANSYS中建模與磁場分析與仿真4.2.1磁力耦合器的建模在ANSYS中建立磁力耦合器單排磁鐵三維模型如圖4-1所示，磁力耦合器雙排磁鐵三維模型如圖4-2所示。圖4-1磁力耦合器單排磁鐵三維模型圖4-2磁力耦合器雙排磁鐵三維模型在ANSYS中分析的磁鐵感應矢量圖，如下圖4-3所示；轉子表面的磁感應強度分布云圖，如圖4-4所示。圖4-3磁鐵磁感應強度矢量圖圖4-4轉子表面的磁感應強度分布云圖4.2.2工作轉速對傳動磁轉矩的影響為探究轉速的變化對傳動性能的影響程度，對轉速范圍在3000~10000r/min下的磁轉子進行瞬態場數值模擬計算，分析轉速變化對傳動磁轉矩的影響。如圖4-3所示，從圖中轉矩變化趨勢可以看出，隨轉速的增加磁轉矩逐漸減小。其轉速對應具體的磁轉矩數值如下表4-1所示，從表中對優化前后的磁轉矩數值進行比較分析，可以明顯的發現優化后的磁轉矩數值要高于優化前時磁轉矩的數值。所以可以分析出磁力耦合器鑲嵌的磁鐵從單排磁鐵變為雙排磁鐵對提高磁轉矩是有明顯效果的。優化后的磁轉矩數值要高于優化前時磁轉矩的數值，但隨著轉速的增加磁轉矩數值在逐漸減小，造成這種現象的主要原因可能是因為金屬隔離套在與內外磁轉子做相對運動過程中所產生的感應磁場對原磁場的削弱作用。在轉速增加過程中，其隔離套切割磁感線頻率也越來越快，因而其削弱作用也就越來越強，扭矩隨之減小趨勢。表4-1轉速r/min優化前磁轉矩N·m優化后磁轉矩N·m300063.466.3400057.863.2500054.360.7600052.455.8700050.653.9800049.951.6900049.150.41000048.449.6圖4-3轉速對磁轉矩的影響4.2.3工作轉速對傳動時磁渦流損耗的影響導體中有交變磁場時，根據電磁感應定律，會在導體中產生感應電流，該電流在導體中流動產生焦耳熱，使導體發熱，造成損耗，稱為渦流損耗。為探究轉速的變化對磁渦流損耗的影響程度，對轉速范圍在3000~8000r/min下的磁轉子進行瞬態場數值模擬計算，分析轉速變化對傳動時磁渦流損耗的影響。如圖4-4所示，從圖中磁渦流損耗變化趨勢可以看出，隨轉速的增加，不論是單排磁鐵排布還是雙排磁鐵排布，磁渦流損耗數值都是逐漸增大的。其轉速對應具體的磁渦流損耗數字如下表4-2所示，通過對比優化前后磁渦流損耗的數值，可以明顯地發現轉速約為5000r/min的時候優化前后的磁渦流損耗數值相差不大，當轉速低于4800r/min的時候優化后的磁渦流損耗數值要低于優化前的磁渦流損耗數值，當轉速高于4800r/min的時候優化后的磁渦流損耗數值要高于優化前的磁渦流損耗數值。隨著速度的提高,無論是單排磁鐵排布還是雙搭設的磁鐵排布,磁渦流損失值都是在逐步上升的,造成這個現象的主要因素除了是由軸承類型支撐的定子在高速旋轉時,出來由于與氣流磨擦而造成的鐵損失以外,在定子里面還形成了比較高的鐵損失(旋渦損失和磁滯損耗)。磁滯損耗主要是由導磁體的磁滯回線的總面積不為零而形成的。磁滯回線包圍的體積越大,則磁滯損耗越大。而磁滯損耗也會引起磁鐵的過熱。表4-2轉速r/min優化前磁渦流損耗kw優化后磁渦流損耗kw30002.11.440002.92.450004.24.360006.47.870009.215800020.726.4圖4-4磁渦流損耗量隨轉速變化從圖4-4轉速對磁轉矩的影響和圖4-5磁渦流損耗量隨轉速變化可以分析出，優化后雙排磁鐵排布的磁轉矩明顯高于優化前單排磁鐵排布的磁轉矩。當工作轉速低于4800r/min時，優化后雙排磁鐵排布的磁渦流損耗要低于優化前單排磁鐵排布的磁渦流損耗；當工作轉速高于4800r/min時，優化后雙排磁鐵排布的磁渦流損耗要高于優化前單排磁鐵排布的磁渦流損耗。結論逆向工程在機械工業領域對產品的改進、創新和開發有著極其重要的地位。傳統的機械設計到產品的制造有著很長的設計生產周期，逆向工程大大縮短了對新產品的設計周期，逆向工程只需要對原有產品需要改進的地方進行重新設計與研發，它省略了產品部分結構從無到有的設計和計算，逆向工程對工業生產的應用在一定程度上大大的提高了產品的生產效率。本文通過對逆向工程的理解與運用，對現有磁力泵的各結構參數進行測量與建模，保證原有的結構不變，對磁力泵的磁力耦合器部分進行優化，原磁力耦合器內部磁鐵排布為單排磁鐵，現重新設計將單排磁鐵改為雙排磁鐵排布，并搭建實驗平臺進行驗證。在ANSYS軟件中建模，對優化前的單排磁鐵和雙排磁鐵分析與仿真，通過實驗驗證可以明顯地發現優化后雙排磁鐵排布的磁轉矩明顯高于優化前單排磁鐵排布的磁轉矩；優化后雙排磁鐵排布的磁渦流損耗要低于優化前單排磁鐵排布的磁渦流損耗；當工作轉速高于4800r/min時，優化后雙排磁鐵排布的磁渦流損耗要高于優化前單排磁鐵排布的磁渦流損耗。實驗當轉速低于4800r/min的時候，優化后雙排磁鐵排布的磁轉矩高于優化前單排磁鐵