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)動下，外磁轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。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)子帶動葉輪一起旋轉(zhuǎn)。

2.Halbach陣列先容

20世紀(jì)80年代，美國勞倫斯伯克利國家實(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)部磁場加強(qiáng)，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(qiáng)，內(nèi)部磁場削弱的陣列。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.磁場力與轉(zhuǎn)矩的計算方法

4.1電磁場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為磁場強(qiáng)度，A/m;J為電流密度，A/m2。

以上4個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)得到個單元的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(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)磁場能量用磁鏈表示時，處于磁場中的物體受到的作用力及轉(zhuǎn)矩可由下式計算：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)的磁場能量;g為廣義坐標(biāo);#為角度坐標(biāo)。

當(dāng)媒介為線性時有：Wm=12#vHBdv+12sHAds5數(shù)值模擬數(shù)值模擬過程為二維瞬態(tài)磁場分析，利用Ansoft有限元分析軟件來進(jìn)行模擬計算。麥克斯韋方程組通過簡化可以得到二維瞬態(tài)磁場的計算方程：vA=J-At-v+Hc式中：Hc為永磁體的矯頑力;v為運(yùn)動物體的速度;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)子的傳動效應(yīng)。而只有隔離套的渦流損失與滾動速度有關(guān)，因此模擬過程中內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的滾動速度可以任意設(shè)定，不會對轉(zhuǎn)矩的大小有影響。這里，我們設(shè)其轉(zhuǎn)速為360/s.瞬態(tài)計算總時間為1s，每0.001s做一次求解。對內(nèi)，外軛鐵施加磁通量平衡前提。

5.模擬結(jié)果及分析

分別對傳統(tǒng)陣列，緊密陣列和Halbach陣列進(jìn)行數(shù)值計算，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，取其一個變化周期。對于傳統(tǒng)陣列，一個變化周期的轉(zhuǎn)角為30.從轉(zhuǎn)矩圖可以看出第一個最大轉(zhuǎn)矩絕對值為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)。對于磁力滾念頭構(gòu)的實(shí)際工作情況，取磁塊軸向長度L=40mm，則實(shí)際傳動最大轉(zhuǎn)矩值Tmax=TL=175.2Nm.

5.2緊密陣列

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

5.3Halbach陣列(每極4段)

一個變化周期的轉(zhuǎn)角為60.第一個最大轉(zhuǎn)矩絕對值泛起在轉(zhuǎn)角差為15處，轉(zhuǎn)矩值為5400Nm/m，取磁塊長度為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)計也成為可能。

同時，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。對于取消軛鐵的傳念頭構(gòu)，其滾動慣量減小，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轉(zhuǎn)矩的影響。實(shí)際工作中，金屬隔離套在交變的磁場中會產(chǎn)生渦流損失。因此，今后有必要對于金屬隔離套的渦流損失進(jìn)行深入的研究。