高速磁力泵磁力联轴器研究综述.pdf

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：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，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，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，得到不同磁极数目时的转矩和涡流损耗，如表3所示。传递转矩需对应合理的磁极数目，太多或太少均不利于获得大的转矩，减少涡流损耗。选择磁极数目应综合考虑所需传动转矩和涡流损耗，以及加工制造工艺问题。经计算和实际验证，在较大的功率范围内，均遵循表3的规律。可见磁极数目为18时，转矩最大，涡流损耗较小，为选择磁块的磁极数目提供了一定的依据。3.6磁块、导磁体的厚度和长度对转矩和涡流损耗的影响文献 11，15就磁块、导磁体的厚度和长度等表2磁性材料对转矩的影响内磁转子材料Sm2Co17NdFeBSm2Co17NdFeB外磁转子材料Sm2Co17Sm2Co17NdFeBNdFeB转矩T/(N m)8.8111.3511.1313.95表3不同磁极数目时的转矩和涡流损耗磁极数目1214161820242830转矩/(Nm)8.9610.0610.7211.0711.0210.9910.3010.00涡流损耗/W318.8311.1301.0290.1278.7253.7229.2217.32023年第5期小原枝术分别对转矩和涡流损耗的影响做了详尽的研究，得出了重要结论。3.6.1磁块厚度文献 11，15详细阐述了磁块厚度对转矩和涡流损耗影响的分析计算。磁块厚度的增加，磁势、磁阻和漏磁随之也有不同程度的增大，当磁块厚度增加到一定值后，所增加的磁势几乎与增加的磁阻和漏磁相抵消，也就是说，在一定范围内，随着磁块厚度的增加，转矩和涡流损耗增加较快，当磁块厚度增加到一定值后，转矩和涡流损耗的增加变慢。因此，为了提高磁性材料的利用率，降低成本，磁块厚度并非越厚越好3.6.2导磁体厚度文献 15介绍了当导磁体厚度太薄、导磁体出现磁饱和时，则磁阻增加，气隙磁密减小，传递的转矩降低，涡流损耗也有所减小。当增加导磁体厚度时，则磁阻减小，气隙磁密增加，传递的转矩增大，磁转子性能得到提高。当导磁体的厚度增大到一定值时，再增加轭铁厚度，所传递的转矩不再增加，涡流损耗变化不明显。导磁体厚度增加，其旋转部件的转动惯量也增大，导致磁力泵的启动转矩增大，从而增加了泵运行时不稳定因素。3.6.3磁块长度在高速磁力泵设计计算过程中，经常会遇到额定扬程一定时对应多个额定流量点，即扬程一定，叶轮外径基本不变，增大流量，叶轮宽度增大。大额定流量的高速磁力泵，配套电机功率大；小额定流量的泵，配套电机功率小。因此，磁力联轴器在径向尺寸不变的情况下，可通过改变磁块的长度来得到不同功率的磁力联轴器。张坤 16 运用CFX流场仿真软件和Maxwell磁场分析软件分别对不同长度磁块的磁矩、水力摩擦损失和磁涡流损耗进行计算与分析。文献 16 对其他几何参数不变的磁力联轴器改变磁块长度，进行最大磁转矩及最大磁涡流损耗的模拟分析。磁力联轴器不变的几何参数如表4所示，选择五种不同长度的磁块进行最大磁转矩及最大磁涡流损耗的模拟分析，结果如表5所示。由表5可以看出：最大磁转矩及最大磁涡流损耗随着磁块轴向长度的增加而增大，磁块轴向长度每增加5mm，磁涡流损耗增大约0.8 kW，磁转矩增大约8.2 Nm。表4磁力联轴器不变的几何参数几何参数数值外磁块内径/mm63.5外磁块外径/mm70.0内磁块内径/mm53.0内磁块外径/mm58.5内磁转子体外径/mm120.0磁块磁极数18.0表5改变磁块长度对应的最大磁转矩和最大磁涡流损耗序号磁块轴向长度/mm最大磁转矩/（Nm）磁涡流损耗/kW13049.70834.669723557.9935.448434066.27776.226844574.56247.005155591.13178.5617当磁块轴向长度为30 mm时，用磁场软件计算得到最大磁转矩为49.7 0 8 3Nm，这与经验公式计算的最大磁转矩58.9 9 Nm差距不大。在高速磁力泵磁力联轴器设计时，选择适当的磁块长度非常必要，磁块太长，转矩余量过大，则会出现磁力联轴器大马拉小车现象，其效率会相当低。所以，在进行高速磁力泵设计时，配套的高速磁力泵磁力联轴器功率应准确。3.7转速对涡流损耗的影响对于尺寸和材料一定的高速磁力泵磁力联轴器，传递转矩的能力是一定的。当转速变化时，高速磁力泵磁力联轴器的涡流损耗随之变化。文献11给出了涡流损耗与转速呈二次抛物线的关系，如图5所示。值得注意的是，对于小流量高扬程的低比转速磁力泵，提高转速，泵效率提高。泵效率提高值远大于磁力联轴器涡流损耗导致的效率降低40030020010000200040006000800010000转速/（r/min）图5涡流损耗与转速的关系2023年第5期小原技术值。因此，在一定范围内，提高高速磁力泵的转速是提高泵效率的有效方法。文献 15以一高速磁力泵具体参数为例进行全面分析计算，将转速为8 0 0 0 r/min的高速磁力泵与转速为2 9 0 0 r/min的普通转速磁力泵的各项能耗对比，给出两种泵能耗分布百分比，如图6 所示。从图6 中可以看出，高转速磁力泵效率高于普通转速磁力泵效率9 个百分点。目前，高速磁力泵磁力联轴器最高转速达到20000r/min，上述各种能耗的关系是否适用于更高转速的磁力联轴器，还有待于进一步研究。4结束语目前，在高速磁力泵磁力联轴器的研究方面已经取得了一定的研究成果，高速磁力泵磁力联轴器最大功率为37 kW，最高转速达到2 0 0 0 0 r/min，成功应用于航天航空等领域。但对不同磁块材料在不同温度场下的磁性变化、不同材料隔离套在不同19%33%轴承损耗电机损耗2%圆盘摩擦损耗16%蜗壳损耗叶轮内损耗2%5%22%泄漏损耗（a）2 9 0 0 r/m i n 普通转速泵的各种能耗20%轴承损耗1%42%8%圆盘摩擦损耗蜗壳损耗2%4%叶轮内损耗泄漏损耗23%（b）8 0 0 0 r/m i n 高速磁力泵的各种能耗图6高速磁力泵与普通转速磁力泵的各项能耗分布温度下产生的涡流损耗、不同功率高速磁力泵磁力联轴器的最佳磁块长度和厚度组合等，还有待于进一步研究，对今后进一步开发大型化、高速化和不同温度场的高速磁力泵磁力联轴器具有重要意义。参考文献1袁寿其，施卫东，刘厚林.泵理论与技术【M北京：机械工业出版社，2 0 14.2刘芝萍，张承军稀土永磁材料的进展J沈阳工业学院学报，19 9 5，14（3)：9 1-9 4.3 邹欣伟，张敏刚，孙刚，等稀土永磁材料的研究进展【J.科技情报开发与经济，2 0 0 8，18（12）：113-116.4 三王玉良国外永磁传动技术的新发展【J磁性材料及器件，2 0 0 1,32(4)：4549.5陈刚高速磁力驱动离心泵设计与研究【D镇江：江苏大学,2 0 0 5.6起赵克中磁力驱动技术与设备【M北京：化学工业出版社，2 0 0 4.7汪家琼，王凯，孙静如，等磁力联轴器涡流损失的数值计算与试验J排灌机械工程学报，2 0 2 0，38（3）：2 30-235.8 Han-Bit Kang,Jang-Young Choi.Parametric analysis and ex-perimental testing of radial flux type synchronous permanent magnetcoupling based on analytical torque calculations J.Journal of E-lectrical Engineering and Technology,2014,9(3):926-931.9王凯磁力泵磁力联轴器传动特性数值模拟及多场耦合研究【D 镇江：江苏大学，2 0 19.10 MINK C,KANG HB,PARK MG,et al.Eddy currentloss a-nalysis in radial flux type synchronous permanent magnet couplingusing space harmonic methods J.Transactions of the KoreanInstitute of Electrical Engineers,2014,63(10):1377-1383.11孔繁余，王志强，张洪利，等磁力泵磁性联轴器的磁场分析及性能计算J磁性材料及器件，2 0 0 9，40（3）：2 4-27,31.12任振林，丁成斌，薛富连。磁力驱动器的有限元分析和优化设计 J廿肃科学学报，2 0 0 6，18（4）：117-12 0.13 Yeong-Der YAO,Gwo-Ji Chiou.Theoretical computations forthe torques of magnetic coupling J.IEEE Transactions onMagnetics,1995,31(3):1881-1884.14孔繁余，陈刚，曹卫东，等磁力泵磁性联轴器的磁场数值计算J机械工程学报，2 0 0 6，42（11）：2 13-2 18.15王志强高速磁力泵能耗分析及关键技术研究【D镇江：江苏大学，2 0 0 9.16】张坤高速磁力泵的优化及试验研究D镇江：江苏大学，2 0 2 1.（本文编辑陈丽霞）（收稿日期2023-05-24)