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不銹鋼磁力泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

   2014-03-21 562
核心提示: 中國(guó)泵業(yè)網(wǎng)  1.不銹鋼磁力泵的結(jié)構(gòu)及工作原理 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與葉輪一起固定在泵軸;外磁轉(zhuǎn)子與電機(jī)相連接。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,外磁轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橥獯呸D(zhuǎn)子與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子相互之間的磁作用力,使得內(nèi)磁轉(zhuǎn)子帶動(dòng)

工業(yè)泵網(wǎng)  1.不銹鋼磁力泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與葉輪一起固定在泵軸;外磁轉(zhuǎn)子與電機(jī)相連接。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,外磁轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橥獯呸D(zhuǎn)子與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子相互之間的磁作用力,使得內(nèi)磁轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉輪一起旋轉(zhuǎn)。

2.Halbach陣列先容

20世紀(jì)80年代,美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室KlausHalbach教授提出了一種永磁體陣列Halbach陣列。隨后的10年里,Halbach陣列被很多研究機(jī)構(gòu)接踵應(yīng)用于粒子加速器,自由電子激光裝置,同步輻射裝置,真空設(shè)備,磁懸浮技術(shù)等高能物理領(lǐng)域<7>。

基于當(dāng)前的出產(chǎn)加工工藝,要獲得理想Halbach陣列需要整體環(huán)形充磁。因?yàn)槔矛F(xiàn)有的技術(shù)對(duì)整體工藝還不夠完善,因此在絕大多數(shù)的工程應(yīng)用領(lǐng)域中,都采用分段拼裝方式的分段式Halbach陣列<8>。

Halbach陣列使得陣列的內(nèi)部磁場(chǎng)加強(qiáng),同時(shí)陣列的外部磁場(chǎng)得到削弱。同理,通過磁體的不同排列,可以得到外部磁場(chǎng)加強(qiáng),內(nèi)部磁場(chǎng)削弱的陣列。內(nèi)磁轉(zhuǎn)子采用這種陣列,可以加強(qiáng)磁力傳念頭構(gòu)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度,進(jìn)而達(dá)到增大磁傳念頭構(gòu)傳遞轉(zhuǎn)矩的目的。

3.幾何模型的建立及材料屬性

磁極為24極。R1=35mm,R2=45mm,R3=55mm,R4=58mm,R5=68mm,R6=78mm.內(nèi),外軛鐵的磁導(dǎo)率取4000H/m;磁體磁導(dǎo)率取1.1H/m,矯頑力取Hc=870000A/m;空氣的磁導(dǎo)率取1.0H/m.

4.磁場(chǎng)力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法

4.1電磁場(chǎng)基本方程麥克斯韋方程組是支配所有宏觀磁現(xiàn)象的一組基本控制方程。由以下4個(gè)微分方程組成<9>:D=vE=-BtB=0H=J+Dt式中:D為電位移(或稱電通密度),C/m2;v為單位體積中的電荷,即電荷體密度;E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(或稱磁通密度),T;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m;J為電流密度,A/m2。

以上4個(gè)微分方程也分別稱為:高斯電通定律,法拉第電磁感應(yīng)定律,高斯磁通定律以及安培環(huán)路定律(或稱全電流定律)。

以上的微分方程并不能得到確定的解,還有與材料相關(guān)的本構(gòu)方程(或稱電磁機(jī)能關(guān)系式):D=EB=H在電源以外區(qū)域,有:J=E式中:,和分別為介電常數(shù),F(xiàn)/m,磁導(dǎo)率,H/m,電導(dǎo)率,S/m.4.2力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

經(jīng)典電磁理論提供了麥克斯韋應(yīng)力法,虛位移法等解析計(jì)算方法等<10>。

4.2.1麥克斯韋應(yīng)力法

經(jīng)由有限元分析,通過已經(jīng)得到個(gè)單元的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度,只有適當(dāng)選定封鎖曲面,通過上式就可求出作用在S面所包抄磁性體上的協(xié)力及轉(zhuǎn)矩。

4.2.2虛位移法根據(jù)虛功原理,當(dāng)磁場(chǎng)能量用磁鏈表示時(shí),處于磁場(chǎng)中的物體受到的作用力及轉(zhuǎn)矩可由下式計(jì)算:fg=-Wmg140磁力泵Halbach陣列傳念頭構(gòu)有限元分析叢小青王利偉白濱等M=-Wm#式中:Wm為所研究系統(tǒng)的磁場(chǎng)能量;g為廣義坐標(biāo);#為角度坐標(biāo)。

當(dāng)媒介為線性時(shí)有:Wm=12#vHBdv+12sHAds5數(shù)值模擬數(shù)值模擬過程為二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析,利用Ansoft有限元分析軟件來進(jìn)行模擬計(jì)算。麥克斯韋方程組通過簡(jiǎn)化可以得到二維瞬態(tài)磁場(chǎng)的計(jì)算方程:vA=J-At-v+Hc式中:Hc為永磁體的矯頑力;v為運(yùn)動(dòng)物體的速度;A為磁矢量;J為電流密度。

模擬過程保持外磁轉(zhuǎn)子固定,使內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來計(jì)算內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩大小。此模擬去除了隔離套,只考慮磁轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)效應(yīng)。而只有隔離套的渦流損失與滾動(dòng)速度有關(guān),因此模擬過程中內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的滾動(dòng)速度可以任意設(shè)定,不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩的大小有影響。這里,我們?cè)O(shè)其轉(zhuǎn)速為360/s.瞬態(tài)計(jì)算總時(shí)間為1s,每0.001s做一次求解。對(duì)內(nèi),外軛鐵施加磁通量平衡前提。

5.模擬結(jié)果及分析

分別對(duì)傳統(tǒng)陣列,緊密陣列和Halbach陣列進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,采用Ansoft商用軟件的二維瞬態(tài)分析模塊。

5.1傳統(tǒng)陣列

傳統(tǒng)陣列內(nèi)磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的變化曲線圖,取其一個(gè)變化周期。對(duì)于傳統(tǒng)陣列,一個(gè)變化周期的轉(zhuǎn)角為30.從轉(zhuǎn)矩圖可以看出第一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值為T=4380Nm/m,其轉(zhuǎn)角為7.5(即實(shí)際工作中內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角差為7.5)。對(duì)于磁力滾念頭構(gòu)的實(shí)際工作情況,取磁塊軸向長(zhǎng)度L=40mm,則實(shí)際傳動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩值Tmax=TL=175.2Nm.

5.2緊密陣列

取一個(gè)變化周期。一個(gè)變化周期的轉(zhuǎn)角為60.第一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值處的位移角為15,轉(zhuǎn)矩值為4720Nm/m,對(duì)于磁力滾念頭構(gòu)的實(shí)際工作情況,取磁塊長(zhǎng)度為40mm,則實(shí)際傳動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩值為188.8Nm.圖8緊密陣列轉(zhuǎn)矩變化曲線(取一個(gè)周期)

5.3Halbach陣列(每極4段)

一個(gè)變化周期的轉(zhuǎn)角為60.第一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值泛起在轉(zhuǎn)角差為15處,轉(zhuǎn)矩值為5400Nm/m,取磁塊長(zhǎng)度為40mm,則實(shí)際工作的最大轉(zhuǎn)矩為216Nm.Halbach陣列(每極4段)轉(zhuǎn)矩變化曲線(取一個(gè)周期)

5.4分析

目前,磁力泵傳念頭構(gòu)主要使用傳統(tǒng)陣列和緊密陣列。從模擬結(jié)果來看緊密陣列與傳統(tǒng)陣列比擬,緊密陣列只有約7.8%的晉升,而Halbach陣列能進(jìn)步約23.3%.因此,Halbach陣列對(duì)進(jìn)步磁體利用率有著非常重要的作用。使得高轉(zhuǎn)矩磁力泵的設(shè)計(jì)也成為可能。

同時(shí),Halbach陣列具有磁屏蔽作用。外磁轉(zhuǎn)子在空氣中磁通量線閉合在磁陣列內(nèi)部。因此,使用Halbach陣列的傳念頭構(gòu)可以減小軛鐵的厚度,甚至可以取消軛鐵。對(duì)于取消軛鐵的傳念頭構(gòu),其滾動(dòng)慣量減小,傳念頭構(gòu)的啟念頭能將得到晉升。

6.結(jié)語

(1)通過數(shù)值模擬,分析傳統(tǒng)陣列,緊密陣列,Halbach陣列的最大轉(zhuǎn)矩值,得出緊密陣列與傳統(tǒng)陣列比擬進(jìn)步約7.8%,Halbach陣列與傳統(tǒng)陣列比擬進(jìn)步約23.3%.

(2)Halbach陣列具有磁屏蔽作用,使用Halbach陣列可以減小軛鐵的厚度,從而進(jìn)步傳念頭構(gòu)的啟念頭能。

(3)本文未考慮隔離套對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。實(shí)際工作中,金屬隔離套在交變的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生渦流損失。因此,今后有必要對(duì)于金屬隔離套的渦流損失進(jìn)行深入的研究。

 
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