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磁力泵結構及工作原理的介

2018-05-02 22:34

by組裝

  1磁力泵的結構及工作原理

  內磁轉子與葉輪一起固定在泵軸;外磁轉子與電機相連接。在電機的驅動下,外磁轉子做旋轉運動。由于外磁轉子與內磁轉子相互之間的磁作用力,使得內磁轉子帶動葉輪一起旋轉。

  2.Halbach陣列介紹

  20世纪80年代,美国劳伦斯伯克利国家实验室Klaus Halbach教授提出了一种永磁体阵列Halbach阵列<6>。随后的10年里,Halbach阵列被许多研究机构相继应用于粒子加速器,自由电子激光装置,同步辐射装置,真空设备,磁悬浮技术等高能物理领域<7>。

  基于當前的生産加工工藝,要獲得理想Halbach陣列需要整體環形充磁。由于利用現有的技術對整體工藝還不夠完善,因此在絕大多數的工程應用領域中,都采用分段拼裝方式的分段式Halbach陣列<8>。

  Halbach陣列使得陣列的內部磁場加強,同時陣列的外部磁場得到削弱。同理,通過磁體的不同排列,可以得到外部磁場加強,內部磁場削弱的陣列。內磁轉子采用這種陣列,可以加強磁力傳動機構的氣隙磁場強度,進而達到增大磁傳動機構傳遞轉矩的目的。

  3幾何模型的建立及材料屬性

  磁极为24极。R1=35mm,R2=45mm,R3 =55mm,R4=58mm,R5=68mm,R6=78mm.内,外轭铁的磁导率取4000H/m;磁体磁导率取1.1H/m,矫顽力取Hc=870000A/m;空气的磁导率取1.0 H/m.

  4磁場力與轉矩的計算方法

  4.1电磁场基本方程麦克斯韦方程组是支配所有宏观磁现象的一组基本控制方程。由以下4个微分方程组成<9>:D=v E=-B t B=0 H=J+ D t式中:D为电位移(或称电通密度),C/m2;v为单位体积中的电荷,即电荷体密度;E为电场强度,V/m;B为磁感应强度(或称磁通密度),T;H为磁场强度,A/m;J为电流密度,A/m2。

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

  以上的微分方程并不能得到确定的解,还有与材料相关的本构方程(或称电磁性能关系式):D=E B=H在电源以外区域,有:J=E式中:,和分别为介电常数,F/m,磁导率,H/m,电导率,S/ m.   4.2力与转矩的计算

  經典電磁理論提供了麥克斯韋應力法,虛位移法等解析計算方法等<10>。

  4.2.1麥克斯韋應力法

  經過有限元分析,通過已經得到個單元的磁感應強度和磁場強度,只有適當選定封閉曲面,通過上式就可求出作用在S面所包圍磁性體上的合力及轉矩。

  4.2.2虚位移法根据虚功原理,当磁场能量用磁链表示时,处于磁场中的物体受到的作用力及转矩可由下式计算:fg=- Wm g 140磁力泵Halbach阵列传动机构有限元分析丛小青王利伟白滨等M=- Wm #式中:Wm为所研究系统的磁场能量;g为广义坐标;#为角度坐标。

  当媒介为线性时有:Wm= 1 2#v HBdv+ 1 2s HAds 5数值模拟数值模拟过程为二维瞬态磁场分析,利用Ansoft有限元分析软件来进行模拟计算。麦克斯韦方程组通过简化可以得到二维瞬态磁场的计算方程:vA=J- A t -v+Hc式中:Hc为永磁体的矫顽力;v为运动物体的速度;A为磁矢量;J为电流密度。

  模擬過程保持外磁轉子固定,使內磁轉子旋轉來計算內磁轉子的轉矩大小。此模擬去除了隔離套,只考慮磁轉子的傳動效應。而只有隔離套的渦流損失與轉動速度有關,因此模擬過程中內磁轉子的轉動速度可以任意設定,不會對轉矩的大小有影響。這裏,我們設其轉速爲360/s.瞬態計算總時間爲1s,每0.001s做一次求解。對內,外轭鐵施加磁通量平衡條件。

  6模擬結果及分析

  分別對傳統陣列,緊密陣列和Halbach陣列進行數值計算,采用Ansoft商用軟件的二維瞬態分析模塊。

  6.1傳統陣列

  傳統陣列內磁轉子轉矩的變化曲線圖,取其一個變化周期。對于傳統陣列,一個變化周期的轉角爲30.從轉矩圖可以看出第一個最大轉矩絕對值爲T=4380Nm/m,其轉角爲7.5(即實際工作中內外磁轉子的轉角差爲7.5)。對于磁力轉動機構的實際工作情況,取磁塊軸向長度L=40mm,則實際傳動最大轉矩值Tmax=TL=175.2Nm.

  6.2緊密陣列

磁力泵結構及工作原理的介绍

  取一個變化周期。一個變化周期的轉角爲60.第一個最大轉矩絕對值處的位移角爲15,轉矩值爲4720Nm/m,對于磁力轉動機構的實際工作情況,取磁塊長度爲40mm,則實際傳動最大轉矩值爲188.8Nm.圖8緊密陣列轉矩變化曲線(取一個周期)

  6.3Halbach陣列(每極4段)

  一个变化周期的转角为60.第一个最大转矩绝对值出现在转角差为15处,转矩值为5400Nm/m,取磁块长度为40 mm,则实际工作的最大转矩为216Nm.Halbach阵列(每极4段)转矩变化曲线(取一个周期)

  6.4分析

  目前,磁力泵传动机构主要使用传统阵列和紧密阵列。从模拟结果来看紧密阵列与传统阵列相比,紧密阵列只有约7.8%的提升,而Halbach阵列能提高约23.3%.因此,Halb ach阵列对提高磁体利用率有着非常重要的作用。使得高转矩磁力泵的设计也成为可能。

  同时,Halbach阵列具有磁屏蔽作用。外磁转子在空气中磁通量线闭合在磁阵列内部。因此,使用Halb ach阵列的传动机构可以减小轭铁的厚度,甚至可以取消轭铁。对于取消轭铁的传动机构,其转动惯量减小,传动机构的启动性能将得到提升。

  7結語

  (1)通過數值模擬,分析傳統陣列,緊密陣列,Halbach陣列的最大轉矩值,得出緊密陣列與傳統陣列相比提高約7.8%,Halbach陣列與傳統陣列相比提高約23.3%.

  (2)Halbach陣列具有磁屏蔽作用,使用Halbach陣列可以減小轭鐵的厚度,從而提高傳動機構的啓動性能。

  (3)本文未考慮隔離套對轉矩的影響。實際工作中,金屬隔離套在交變的磁場中會産生渦流損失。因此,今後有必要對于金屬隔離套的渦流損失進行深入的研究。

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