圆筒式磁力联轴器参数化建模与仿真分析

蒋雅芬,方 清,刘庆运，刘 涛

（1.安徽工业大学 创新教育学院；2.安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243032）

圆筒式磁力联轴器参数化建模与仿真分析

蒋雅芬1,方 清2,刘庆运2，刘 涛2

（1.安徽工业大学 创新教育学院；2.安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243032）

为了简化产品建模流程和缩短产品设计周期，以SolidWorks为二次开发平台，Visual Basic6.0为编程语言，开展了圆筒式磁力联轴器参数化建模.利用Ansoft软件对磁力联轴器进行仿真分析，验证了不同状态下磁力线分布情况，以及相对磁转角对磁力线分布的影响.

圆筒式磁力联轴器；参数化建模；磁力线；相对磁转角

在当今时代，工业泄露不仅会造成原料与能源的浪费，还会导致火灾、爆炸、大气、水资源等环境污染以及人身伤亡等重大安全事故，严重制约了工业与经济的发展，并给人们的生产和生活带来了极大的危害[1].工业泄露主要来源于输送设备.一般而言，我们以提高输送设备的密封性能来解决泄露问题.然而，传统的输送设备釆用的是动密封的装置，即在要求密封的位置有相对运动部件的存在，这些运动部件以机械的方式连接在一起.运动部件之间长期摩擦导致零部件的磨损，使得原本密封的位置发生了输送介质的泄漏.磁力联轴器与传统机械式联轴器的根本区别就在于主、从动轴之间没有直接的机械连接，而是通过无接触的磁力传动.内外转子之间设有完全密封的隔离套，隔离套将内转子和外转子完全隔离开来.从动轴部分直接置于机体内部，无需伸出机壳，完全取消了各式动密封装置，把动密封转化为静密封，实现了输送介质的零泄漏[2].

因此，工业设备中广泛采用磁力联轴器以实现静密封，如潜水机械、真空设备、搅拌器和流体输送泵等.静密封的采用不仅解决了石油化工等行业跑、冒、滴、漏的问题，同时还对减小污染具有重大环保意义[3].但是磁力联轴器规格繁多、设计周期长等缺点，在一定程度上制约了其发展.本文开展了搭建圆筒式磁力联轴器参数化平台和Ansoft仿真分析，以期可以达到简化产品建模流程，缩短产品设计周期的目的.

1 基于VB二次开发SolidWorks基本原理

SolidWorks为了方便使用者对其进行二次开发，提供了上百个API(应用程序接口，Application Program Interface)函数，这些API函数是SolidWorks的COM(组件对象模型，Component Object Model)或 (对象的嵌入与链接，Object Linking and Embedding)接口.用户可以使用VB/VBA等高级编程语言来对SolidWorks进行二次开发，建立适合用户要求的，专用的SolidWorks功能插件.可以在SolidWorks主菜单上增加控制按钮，将自己开发的应用模块（宏文件）嵌入到SolidWorks的菜单系统中.如图1所示SolidWorks API对象的关系层次图[4].基于对三维造型软件使用的间接和直接经验，综合各方面因素后选用SolidWorks作用参数化建模的三维造型工具.

相比较于其它的编程语言，VB（Visual Basic）是运行在Windows下的一种可视化的语言，它提供了用来开发Windows应用程序的环境.VB功能齐全，语言规则简单以及使用简便，具有真正的“所见即所得”的特性和难以取代的简单易用性.除此之外，VB编制的程序还可以用其自身的打包向导，对应用程序进行打包，然后生成EXE执行文件.移植性好，可以在许多平台上直接运行.这是选用VB语言开发的另一个原因.综合各种因素，为实现磁力联轴器参数化建模平台的开发，选用VisualBasic6.0作为对SolidWorks进行二次开发的工具.

图1 SolidWorks API对象的关系层次图

2 VB二次开发SolidWorks过程

根据参数化建模平台的功能需要，设计出满足要求的参数化建模软件[5].图2为参数化建模平台的流程图.为实现参数化建模流程图内的各目标，达到参数化建模的各功能，在Visual Basic6.0软件中新建3个Combobox控件、13个Label控件，10个Text控件以及2个command控件，并根据需要修改了它们的Caption属性.

图2 参数化建模平台的流程图

由转矩、转速、功率三者之间公式:

得到在该功率和转速下输出的额定转矩.

根据公式：

得到内转子轴在该电机和材料参数情况下的最小轴径值dmin.

为了更直观的显示磁力联轴器的其他结构参数以及扩大程序的可应用范围，增加了磁钢厚度、磁极对数、磁钢的轴向长度以及气隙厚度的选项.当内轭铁内径和外径、外轭铁内径和外径以及磁钢厚度确定之后，气隙的厚度值就已经被确定.

基于Visual Basic 6.0对SolidWorks进行二次开发，其代码的编制将会牵涉到API底层命令的调用，这对于大多数程序编程者而言，不容易也很难全面的去掌握.相比于完全由自己书写的代码，用这种录制宏的方法可以快速而方便的得到SolidWorks的一系列操作命令.这要比检索全英文的API文档要方便许多，从而有效的提高了编程的效率，节省了大量的时间[6].模型建好之后单击【停止宏】按钮来停止宏的录制，并命名保存，以备调用.

进行参数化建模的目的，就是要达到用户只需通过界面输入磁力联轴器结构的参数值，就可以得到三维模型.基于Visual Basic 6.0平台设计建模功能的代码，使其能够接受用户指定的参数信息，在事件驱动机制下运行程序，实现参数化模型的自动建立.程序使用者可以对建立好的三维模型进行预览和输出打印.

点击Visual Basic 6.0界面的【运行】按钮，输入磁力联轴器的结构参数值，如图3所示，然后点击建模按钮，程序开始运行.

图3 参数化建模软件运行界面

单击【建模（Start）】后，Visual Basic 6.0自动驱动Solid-Works打开，SolidWorks在后台根据代码的驱动和输入的参数值，进行自动化建模，运行结果如图4所示.

图4 程序运行结果

3 基于Ansoft的磁力联轴器仿真分析

基于Ansoft软件对磁力联轴器模型进行有限元分析，得到了两个圆柱永磁体间静态和瞬态下磁力线分布图，以此来仿真工作中磁力联轴器的运行特性.这为验证磁力联轴器的稳定性，缩短磁力联轴器的开发周期，节约磁力联轴器的磁性材料提供了可能，为磁力机械结构的设计提供了参考.

在Ansys Maxwell16.0软件中绘制磁钢[7]模型、指定材料、设置边界条件，以及设定其求解类型、求解参数、网格剖分以及求解步骤等参数[8].

磁力线与相对磁转角的关系特性在磁力联轴器的仿真分析中占据着十分重要的地位，它们直接反应了磁力联轴器可传递转矩的大小以及运行时的实际性能.本文从两个角度探讨磁力联轴器在运行过程中的变化规律，分别从静态和瞬态这两个角度来进行研究.

3.1 静态下磁力线分布

磁力联轴器在静止状态下的内外磁钢相互吸引、一一对应，其相对磁转角为0[9].磁力联轴器在非工作状态下每一块磁钢间的相对位置以及非工作状态下的磁力线分布如图5所示.很显然，这个状态是磁力联轴器的除工状态外的又一稳定状态，此刻可传递的扭矩为零.静态时，磁转矩的计算结果如图6所示，这与经验值相吻合.

图5 磁力联轴器静态状态下的磁力线分布

图6 磁力联轴器静态状态下可传递的转矩值

3.2 瞬态下不同磁转角磁力线分布

磁力联轴器在由静止状态向稳定工作状态转变的过程中，内外磁钢的相对位置在不断的改变，相对磁转角在不断的增大，磁力线的分布也在复杂的发生变化着.图7、8、9分别列出了在不同位置时磁力线的分布情况.

图7 D=00时磁力线图

图8 D=10.30时磁力线图

图9 D=20.80时磁力线图

图7 显示的是相对磁转角D=00时的气隙磁场磁力线分布情况，从中可以看出此时磁力线的周向分量很少，联轴器可以传递的转矩很小，几乎为0.图8显示的是相对磁转角D=10.30时的气隙磁场磁力线分布图，明显可以看出此时的磁力线周向分量变多.随着相对磁转角的增加，磁力线的周向分量逐渐增多，直至到大约D=20.80（如图9所示）时磁力线的周向分量最大，此时可传递的转矩最大.这基本符合在相对磁转角等于一半磁极角时转矩达到最大值（磁力线周向分量达到最大值）的理论计算结果.由验证结果可以说明基于Ansoft的磁力线瞬态仿真结果是可信的.

4 结论

基于SolidWorks为二次开发平台，运用Visual Basic6.0为二次开发的语言，创建圆筒式磁力联轴器的参数化建模平台，经多次实验验证，在软件运行界面下输入不同磁力联轴器的结构参数值，SolidWorks自动生成不同的三维模型，运行结果表明该自动化建模平台满足设计要求，可以达到预期的设计目的.

基于Ansoft软件对磁力联轴器模型进行有限元分析，验证了不同状态下磁力联轴器的磁力线分布，相对磁转角越大，磁力线的周向分布量越多，当磁转角D=20.80时，磁力线的周向分量最大，传递的转矩也最大.

〔1〕王玉良,王喆,高兴军,刘峰.永磁传动在密封领域中的应用[J].磁性材料及器件，2009.

〔2〕彭科容.永磁磁力耦合器结构与特性研究[D].哈尔滨工业大学，2008.

〔3〕文杰,刘建瑞,李文科,任晓峰.磁力泵发展综述[C].中国农业机械学会2006年学术年会，2006.

〔4〕张红松，李宝峰，李斌，等.SolidWorks 2008中文版从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2008.

〔5〕张忠田.同轴圆筒式磁力耦合器数字化设计及工作特性研究[D].东北大学，2007.

〔6〕江洪，魏峥，王涛威，等.SolidWorks二次开发实例解析[M].北京：机械工业出版社，2004.

〔7〕C.Ferreira,J.Vaidya.Torque analysis of permanent magnet coupling using 2D and 3D finite elements methods [J].IEEE Trans.Magnetics.1989,25(4):3080~3083.

〔8〕赵博，张洪亮，等.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社.

〔9〕M.N.Nargrial.Design optimization of magnetic couplings using high energy magnets[J].ElecrricMachinesand Power Systems，1993，21(1)：115~225.

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