圓筒式磁力聯軸器參數化建模與仿真分析

蔣雅芬,方 清,劉慶運，劉 濤

（1.安徽工業大學 創新教育學院；2.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

圓筒式磁力聯軸器參數化建模與仿真分析

蔣雅芬1,方 清2,劉慶運2，劉 濤2

（1.安徽工業大學 創新教育學院；2.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

為了簡化產品建模流程和縮短產品設計周期，以SolidWorks為二次開發平臺，Visual Basic6.0為編程語言，開展了圓筒式磁力聯軸器參數化建模.利用Ansoft軟件對磁力聯軸器進行仿真分析，驗證了不同狀態下磁力線分布情況，以及相對磁轉角對磁力線分布的影響.

圓筒式磁力聯軸器；參數化建模；磁力線；相對磁轉角

在當今時代，工業泄露不僅會造成原料與能源的浪費，還會導致火災、爆炸、大氣、水資源等環境污染以及人身傷亡等重大安全事故，嚴重制約了工業與經濟的發展，并給人們的生產和生活帶來了極大的危害[1].工業泄露主要來源于輸送設備.一般而言，我們以提高輸送設備的密封性能來解決泄露問題.然而，傳統的輸送設備釆用的是動密封的裝置，即在要求密封的位置有相對運動部件的存在，這些運動部件以機械的方式連接在一起.運動部件之間長期摩擦導致零部件的磨損，使得原本密封的位置發生了輸送介質的泄漏.磁力聯軸器與傳統機械式聯軸器的根本區別就在于主、從動軸之間沒有直接的機械連接，而是通過無接觸的磁力傳動.內外轉子之間設有完全密封的隔離套，隔離套將內轉子和外轉子完全隔離開來.從動軸部分直接置于機體內部，無需伸出機殼，完全取消了各式動密封裝置，把動密封轉化為靜密封，實現了輸送介質的零泄漏[2].

因此，工業設備中廣泛采用磁力聯軸器以實現靜密封，如潛水機械、真空設備、攪拌器和流體輸送泵等.靜密封的采用不僅解決了石油化工等行業跑、冒、滴、漏的問題，同時還對減小污染具有重大環保意義[3].但是磁力聯軸器規格繁多、設計周期長等缺點，在一定程度上制約了其發展.本文開展了搭建圓筒式磁力聯軸器參數化平臺和Ansoft仿真分析，以期可以達到簡化產品建模流程，縮短產品設計周期的目的.

1 基于VB二次開發SolidWorks基本原理

SolidWorks為了方便使用者對其進行二次開發，提供了上百個API(應用程序接口，Application Program Interface)函數，這些API函數是SolidWorks的COM(組件對象模型，Component Object Model)或 (對象的嵌入與鏈接，Object Linking and Embedding)接口.用戶可以使用VB/VBA等高級編程語言來對SolidWorks進行二次開發，建立適合用戶要求的，專用的SolidWorks功能插件.可以在SolidWorks主菜單上增加控制按鈕，將自己開發的應用模塊（宏文件）嵌入到SolidWorks的菜單系統中.如圖1所示SolidWorks API對象的關系層次圖[4].基于對三維造型軟件使用的間接和直接經驗，綜合各方面因素后選用SolidWorks作用參數化建模的三維造型工具.

相比較于其它的編程語言，VB（Visual Basic）是運行在Windows下的一種可視化的語言，它提供了用來開發Windows應用程序的環境.VB功能齊全，語言規則簡單以及使用簡便，具有真正的“所見即所得”的特性和難以取代的簡單易用性.除此之外，VB編制的程序還可以用其自身的打包向導，對應用程序進行打包，然后生成EXE執行文件.移植性好，可以在許多平臺上直接運行.這是選用VB語言開發的另一個原因.綜合各種因素，為實現磁力聯軸器參數化建模平臺的開發，選用VisualBasic6.0作為對SolidWorks進行二次開發的工具.

圖1 SolidWorks API對象的關系層次圖

2 VB二次開發SolidWorks過程

根據參數化建模平臺的功能需要，設計出滿足要求的參數化建模軟件[5].圖2為參數化建模平臺的流程圖.為實現參數化建模流程圖內的各目標，達到參數化建模的各功能，在Visual Basic6.0軟件中新建3個Combobox控件、13個Label控件，10個Text控件以及2個command控件，并根據需要修改了它們的Caption屬性.

圖2 參數化建模平臺的流程圖

由轉矩、轉速、功率三者之間公式:

得到在該功率和轉速下輸出的額定轉矩.

根據公式：

得到內轉子軸在該電機和材料參數情況下的最小軸徑值dmin.

為了更直觀的顯示磁力聯軸器的其他結構參數以及擴大程序的可應用范圍，增加了磁鋼厚度、磁極對數、磁鋼的軸向長度以及氣隙厚度的選項.當內軛鐵內徑和外徑、外軛鐵內徑和外徑以及磁鋼厚度確定之后，氣隙的厚度值就已經被確定.

基于Visual Basic 6.0對SolidWorks進行二次開發，其代碼的編制將會牽涉到API底層命令的調用，這對于大多數程序編程者而言，不容易也很難全面的去掌握.相比于完全由自己書寫的代碼，用這種錄制宏的方法可以快速而方便的得到SolidWorks的一系列操作命令.這要比檢索全英文的API文檔要方便許多，從而有效的提高了編程的效率，節省了大量的時間[6].模型建好之后單擊【停止宏】按鈕來停止宏的錄制，并命名保存，以備調用.

進行參數化建模的目的，就是要達到用戶只需通過界面輸入磁力聯軸器結構的參數值，就可以得到三維模型.基于Visual Basic 6.0平臺設計建模功能的代碼，使其能夠接受用戶指定的參數信息，在事件驅動機制下運行程序，實現參數化模型的自動建立.程序使用者可以對建立好的三維模型進行預覽和輸出打印.

點擊Visual Basic 6.0界面的【運行】按鈕，輸入磁力聯軸器的結構參數值，如圖3所示，然后點擊建模按鈕，程序開始運行.

圖3 參數化建模軟件運行界面

單擊【建模（Start）】后，Visual Basic 6.0自動驅動Solid-Works打開，SolidWorks在后臺根據代碼的驅動和輸入的參數值，進行自動化建模，運行結果如圖4所示.

圖4 程序運行結果

3 基于Ansoft的磁力聯軸器仿真分析

基于Ansoft軟件對磁力聯軸器模型進行有限元分析，得到了兩個圓柱永磁體間靜態和瞬態下磁力線分布圖，以此來仿真工作中磁力聯軸器的運行特性.這為驗證磁力聯軸器的穩定性，縮短磁力聯軸器的開發周期，節約磁力聯軸器的磁性材料提供了可能，為磁力機械結構的設計提供了參考.

在Ansys Maxwell16.0軟件中繪制磁鋼[7]模型、指定材料、設置邊界條件，以及設定其求解類型、求解參數、網格剖分以及求解步驟等參數[8].

磁力線與相對磁轉角的關系特性在磁力聯軸器的仿真分析中占據著十分重要的地位，它們直接反應了磁力聯軸器可傳遞轉矩的大小以及運行時的實際性能.本文從兩個角度探討磁力聯軸器在運行過程中的變化規律，分別從靜態和瞬態這兩個角度來進行研究.

3.1 靜態下磁力線分布

磁力聯軸器在靜止狀態下的內外磁鋼相互吸引、一一對應，其相對磁轉角為0[9].磁力聯軸器在非工作狀態下每一塊磁鋼間的相對位置以及非工作狀態下的磁力線分布如圖5所示.很顯然，這個狀態是磁力聯軸器的除工狀態外的又一穩定狀態，此刻可傳遞的扭矩為零.靜態時，磁轉矩的計算結果如圖6所示，這與經驗值相吻合.

圖5 磁力聯軸器靜態狀態下的磁力線分布

圖6 磁力聯軸器靜態狀態下可傳遞的轉矩值

3.2 瞬態下不同磁轉角磁力線分布

磁力聯軸器在由靜止狀態向穩定工作狀態轉變的過程中，內外磁鋼的相對位置在不斷的改變，相對磁轉角在不斷的增大，磁力線的分布也在復雜的發生變化著.圖7、8、9分別列出了在不同位置時磁力線的分布情況.

圖7 D=00時磁力線圖

圖8 D=10.30時磁力線圖

圖9 D=20.80時磁力線圖

圖7 顯示的是相對磁轉角D=00時的氣隙磁場磁力線分布情況，從中可以看出此時磁力線的周向分量很少，聯軸器可以傳遞的轉矩很小，幾乎為0.圖8顯示的是相對磁轉角D=10.30時的氣隙磁場磁力線分布圖，明顯可以看出此時的磁力線周向分量變多.隨著相對磁轉角的增加，磁力線的周向分量逐漸增多，直至到大約D=20.80（如圖9所示）時磁力線的周向分量最大，此時可傳遞的轉矩最大.這基本符合在相對磁轉角等于一半磁極角時轉矩達到最大值（磁力線周向分量達到最大值）的理論計算結果.由驗證結果可以說明基于Ansoft的磁力線瞬態仿真結果是可信的.

4 結論

基于SolidWorks為二次開發平臺，運用Visual Basic6.0為二次開發的語言，創建圓筒式磁力聯軸器的參數化建模平臺，經多次實驗驗證，在軟件運行界面下輸入不同磁力聯軸器的結構參數值，SolidWorks自動生成不同的三維模型，運行結果表明該自動化建模平臺滿足設計要求，可以達到預期的設計目的.

基于Ansoft軟件對磁力聯軸器模型進行有限元分析，驗證了不同狀態下磁力聯軸器的磁力線分布，相對磁轉角越大，磁力線的周向分布量越多，當磁轉角D=20.80時，磁力線的周向分量最大，傳遞的轉矩也最大.

〔1〕王玉良,王喆,高興軍,劉峰.永磁傳動在密封領域中的應用[J].磁性材料及器件，2009.

〔2〕彭科容.永磁磁力耦合器結構與特性研究[D].哈爾濱工業大學，2008.

〔3〕文杰,劉建瑞,李文科,任曉峰.磁力泵發展綜述[C].中國農業機械學會2006年學術年會，2006.

〔4〕張紅松，李寶峰，李斌，等.SolidWorks 2008中文版從入門到精通[M].北京:機械工業出版社,2008.

〔5〕張忠田.同軸圓筒式磁力耦合器數字化設計及工作特性研究[D].東北大學，2007.

〔6〕江洪，魏崢，王濤威，等.SolidWorks二次開發實例解析[M].北京：機械工業出版社，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〕趙博，張洪亮，等.Ansoft12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社.

〔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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