磁力泵磁性联轴器设计方法研究

摘要

磁力泵是利用磁性联轴器的磁力传动,实现扭矩的无接触传递的一种新型的无密封、无泄漏、无污染的工业用泵。磁传动技术的应用,彻底解决了泵轴封处的泄漏问题。目前,作为磁力泵关键部件的磁性联轴器,多依赖经验设计。一方面设计合格从而投入应用的磁性联轴器,大多数是“大马拉小车”,造成资源的浪费和生产成本的提高;另一方面设计过大的磁性联轴器还会产生过大的涡流损失功率,降低磁性联轴器的传动效率,从而降低磁力泵的效率。由于磁性联轴器的设计方法不成熟,造成磁力泵不能大批量生产,阻碍了磁力泵的发展。　　 为了解决上述问题,本文从磁力泵及磁性联轴器的发展现状及研究特点出发,用电磁场有限元分析技术对磁性联轴器磁场、磁转矩、涡流损失进行分析。针对磁性联轴器单位磁钢体积最大磁转矩最大和涡流损失功率最小两个性能目标函数,应用现代优化设计方法,对磁性联轴器进行优化,并提出其系列化设计方法。研究的主要内容和成果如下:　　 (1)结合国内外相关资料,总结了磁力泵及磁性联轴器的发展历史、发展趋势及研究现状;阐述了磁性联轴器的工作原理及磁路类型。　　 (2)总结了磁力泵磁性联轴器磁转矩及涡流损失功率常用的计算方法及工程上的经验公式;并提出一个考虑金属隔离套趋肤效应的涡流损失功率;结合160kW大功率磁力泵,对磁力泵叶轮、蜗壳进行水力设计并对设计的泵头进行CFD性能预测;并阐述了磁性联轴器关键部件的设计方法。　　 (3)利用电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwell,对设计的磁性联轴器建立二维模型,对磁性联轴器的磁场、磁转矩和金属隔离套的涡流损失进行了数值计算,比对了经验公式计算的最大磁转矩与仿真计算出的最大磁转矩之差;对比了两种不同磁钢充磁方向对磁性联轴器磁转矩及涡流损失功率的影响;进行三维仿真计算磁转矩,得出三维模型计算结果比二维模型计算结果更精确;同时分析磁性联轴器各设计参数:磁性联轴器内半径R0、磁钢厚度tm、轭铁厚度ti、磁钢轴向长度L、气隙厚度tg、隔离套厚度t对磁转矩及涡流损失的影响。　　 (4)阐述了优化设计方法及数学模型,以设计的160kW磁性联轴器为例,建立了磁性联轴器的多目标优化函数,以最小的磁钢体积获得尽可能大的磁转矩及尽可能小的涡流损失功率。引入正交试验进行仿真试验方案设计,有效减少了分析模型的数目,并创新结合有限元分析技术和改进的遗传算法对磁性联轴器多目标优化问题进行优化。这种方法对磁性联轴器的优化设计有指导意义。优化所得结果与设计目标一致。　　 (5)提出了系列化设计的意义及磁性联轴器系列化设计的方法和步骤;并给出了11kW、37kW、55kW磁性联轴器的磁路设计参数。