【摘 要】
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为解决在航天、化工、制药等行业中离心泵因机械密封导致液体的泄漏、噪声以及磨损等问题,将磁力驱动技术应用到离心泵中,把传统的机械联轴器变为磁力联轴器,并采用隔离套进行密封,从而实现输送过程中介质的无泄漏。由于磁力泵效率相对较低,主要是因为磁力联轴器在运行时会产生损耗,因此对其进行磁力传动以及损耗方面的研究具有重要的意义。本文以现有高速磁力传动试验台磁力联轴器样机模型为研究对象,从磁力联轴器的磁转矩、
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为解决在航天、化工、制药等行业中离心泵因机械密封导致液体的泄漏、噪声以及磨损等问题,将磁力驱动技术应用到离心泵中,把传统的机械联轴器变为磁力联轴器,并采用隔离套进行密封,从而实现输送过程中介质的无泄漏。由于磁力泵效率相对较低,主要是因为磁力联轴器在运行时会产生损耗,因此对其进行磁力传动以及损耗方面的研究具有重要的意义。本文以现有高速磁力传动试验台磁力联轴器样机模型为研究对象,从磁力联轴器的磁转矩、涡流损耗、水摩擦损耗、多场耦合以及试验验证五个方面展开研究:（1）通过经验公式对磁力联轴器的磁转矩、涡流损耗以及水摩损耗进行计算,得到了工作转速在5000 r/min时磁力联轴器样机模型的最大磁转矩Tmax为92.36 N·m以及涡流损耗值P经验为3.836 kW。通过Maxwell软件对磁力联轴器的2D模型进行数值模拟,得到磁转矩的最大值与涡流损耗的数值模拟值分别为84.23 N·m和3.632 kW。通过数值模拟分析得到磁力联轴器在一个旋转周期内,磁转矩随磁转角在一周内的变化呈正弦曲线分布,内磁转子旋转至11.25°与33.75°时达到峰值扭矩;涡流损耗与磁通密度随磁转角呈周期性分布,旋转至22.5°时达到峰值。磁场势能交错对称排布、磁力线形成闭合回路、相邻磁块间磁感应强度最大。（2）将水摩损耗的数值模拟值与传统经验公式值进行对比,发现高转速时两者偏差大于10%,所以传统经验公式在高转下不再适用,否则会造成在较高转速时电机输出功率过低的情况。通过CFX软件对磁力联轴器内部循环冷却系统的水摩损耗进行研究,对转速、流体温度、磁转子内径、磁转子轴向长度、冷却介质流量以及表面粗糙度等影响因素进行分析,得到以下结论:随着工作转速的升高水摩损耗值呈指数增长,气隙间隙内平均压强与平均流速均增加,故转速升高时压强与流速的增加是导致磁力联轴器水摩增加的主要原因;水摩损耗值随着壁面粗糙度的增大而增加,间隙内的压强与流速变化较小,但是转子剪切力增加,说明当壁面粗糙度改变时,转子壁面剪切力是导致水摩损耗变化的主要原因;水摩损耗值随着输送介质温度的增加而减小,间隙内的压强与流速变化较小,但是壁面剪切力增加,所以温度对水摩损耗的影响原理同粗糙度一致;水摩损耗值随着气隙厚度的增大而减小,气隙厚度的增大使得平均流速与壁面剪切力降低,但压强几乎不变,所以平均流速与壁面剪切力降低是造成水摩损耗降低的主要原因,此外本模型中气隙厚度的降低导致转子半径的减小,即端面面积的减小,也是造成水摩损耗降低的一个原因;转子轴向长度和冷却介质两个因素分别影响内磁转子的柱面面积和气隙流体流速来造成水摩损耗值变化。（3）基于Workbench、CFX和Maxwell软件分别对隔离套以及磁力联轴器内部冷却循环系统的温度场、静力学以及热力学分析。计算结果表明:随着工作转速的升高,隔离套内壁面平均表面传热系数大幅增加,传热过程剧烈,由于高转速下传热过程的增强,所以冷却循环回路温增较小,故不会导致磁力联轴器过热而失效的问题。流场压力作用下的隔离套等效应力与形变集中在隔离套底部中心处,并呈放射状向两边扩散,随着转速的增加等效应力与形变也增大。不同材质隔离套产生的形变不相同。隔离套温度随着转速的增加而增加,由于不同转速下流场分布不同,造成热形变在不同转速下的位置与大小都不同。（4）通过高速磁力传动试验,对磁力联轴器样机模型的涡流损耗与水摩损耗进行测量与分析,得到了以下结论:涡流损耗值与水摩损耗值都随着转速的增加而增加,试验值测量值略高于模拟值,这是由于试验中不可控的机械轴承摩擦所导致的,通过对涡流损耗的试验值与模拟值进行拟合得到拟合公式分别为（35）p涡流试验=3.28235×10-5N2.07663（W）、（35）p涡流模拟=3.9738×10-5N2.04722（W）,对水摩损耗的试验值和模拟值的拟合得到试验值和模拟值的公式分别为（35）p水摩试验=5.70645×10-9N2.95696（W）、（35）p水摩模拟=1.001×10-8N2.8732（W）。涡流损耗值随隔离套厚度的增加而增加,水摩损耗值随循环冷却流量的增大而增加,模拟值与试验值偏差在10%以内,证明了模拟的可靠性。
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