磁流体密封的磁场有限元分析

磁流体密封的磁场有限元分析

孙明礼，李德才，何新智，白博海

北京交通大学机电学院，北京（100044）

E-mail ：sunmingli1@

摘 要：介绍了磁性液体密封的理论，并应用ANSYS 有限元分析软件对一个三槽四齿密封结构进行磁场有限元分析，通过对计算结果进行的分析和讨论，结果表明，转轴侧极齿两侧磁场强度差决定密封装置的密封能力；密封间隙不宜超过0.3mm 。 关键词：磁流体；密封；磁场

中图分类号：TH136 文献表示码：A

1 引言

磁流体密封是近年来迅速发展起来的一项新技术，具有1）严密的密封性2）不可测量的泄漏率3）长寿命4）可靠性高 + 5）没有污染6）能承受高转速7）最佳的扭矩传递8）低的粘性摩擦9）磁性流体密封即使在中断运行时，也不像弹性密封在停机期间，受增塑和驰豫的影响等优点。可以在高速下运行，尤其在旋转轴密封中具有独特的优越性[1]。

磁流体密封原理是利用永久磁铁在转轴和极齿间的密封间隙内产生强磁场，将磁性流体固定在密封间隙内，形成液体0形密封环，磁场力和外界压差相平衡而实现介质密封。但目前普遍采用的磁流体密封结构其密封间隙很小，间隙内的磁场很难直接测量，一般通过解析方法进行近似计算，这样就很难了解间隙磁场的实际分布情况。邹继斌、Sama 等对磁流体密封的磁场问题进行了计算[2-4]，本文利用ANSYS 软件对密封间隙内的磁场进行深入分析。

2 密封理论

根据磁性流体力学分析，对旋转轴密封，磁性流体内部压强为：

()H

p MdH r gh C φρ=+++∫（1）

式中，M 表示磁性流体的磁化强度；H 表示磁场强度；ρ表示磁性流体密度；g 表示重力加速度；φ( r)表示与转速、磁极形状及半

径有关的函数，转速为零时，φ( r)=0；h 表示磁性流体深度；C 表示由边界条件确定的积分常数。

设低压边和高压边磁性流体与被密封介质的分界面分别为1和2，当考虑分解面上介质跃变引起的应力跃变时，则磁性流体密封压差公式为：

2

1

2121()()()

H H p MdH r r g h h φφρ∆=+−+−∫

0211

()2

t t M M µ−− （2） 式中， M t 为磁化强度的切向分量，r 为半径.

一般地，外磁场较强，磁流体饱和磁化．M=Ms(磁性流体的饱和磁化强度)。式 (2)右边第五项可以忽略不计，且重力远小于磁场力，因而密封压差可以近似地表示为：

2121()()()s p M H H r r φφ∆=−+− （3）

如果是磁性流体静止密封，式（3）密封压差可进一步简化为：

21()s p M H H ∆=− （4）

由（4）式可知，在磁性流体饱和磁化强度一定的情况下，只有尽量提高ΔH 的值才能有效提高密封压差[3-6]。

3 静态磁场分析

在ANSYS 的前处理器中创建磁流体密封的物理环境。采用plan53单元并将此单元的的k3选项修改为对称，将磁流体密封的三维轴对称问题简化为二维平面问题。极靴和转轴的材料分别为电工纯铁和45＃钢，永磁材料为N40型的Nd-Fe-B 。由于磁性流体的

磁化强度较低，把磁性流体的相对磁导率设为与空气相等MURX=1；输入三种导磁材料的B-H 曲线，并将永磁材料的娇顽磁力MGXX,MGYY ,MGZZ 分别设为0、1.5E5和0。

建立一个三槽四齿密封间隙为Lg=0.1mm 的模型，其中齿宽Lt=0.4mm,齿高Lh=2.5 mm,槽宽Ls=2.5 mm 。由于结构同时关于旋转轴和Z 轴对称，可取其第一象限部分进行研究。建完模型后用LESIZE 命令对极齿处的单元大小和数目进行控制，以达到细化感兴趣部位网格的目的。对各个材料赋予相应的属性以后对整个模型进行网格划分，总的原则是极齿和密封间隙处网格最细，周围空气区域网格较粗。

在ANSYS 的求解器中施加边界条件。由于采用的是对称单元，X 轴与Y 轴处的对称边界条件已经自动施加；给周围空气边界施加磁力线平行(Az=0)的边界条件，磁力线垂直的边界条件是自然边界条件，无需施加。然后用MAGSOLV 命令进行求解[7-8]。

4 结果与分析

4.1 等位线分析

单元PLAN53的自由度是矢量磁位Az ，通过进一步处理可获得磁场强度及其分量（Hx 、Hy 、H SUM ）和磁通密度及其分量（Bx 、By 、B SUM ）

。通过图1磁力线分布图和图2磁通密度等值云图可以有一个直观的认识，并可以进行定性分析。从图中可以看出密封间

隙极齿与两侧

图1 磁力线分布图

Fig 1 Magnetic contour line of equipotential

图2 磁通密度分布等值云图

Fig 2 Magnetic flux density continuous contour

齿槽处的磁通密度分布呈明显的梯度分布，而这种梯度分布越大代表密封耐压能力越大。从这图1中还可以发现磁路的漏磁主要发生在永磁的内外两侧。

4.2 轨线分析

在ANSYS 后处理器中定义两条轴向轨线和一条径向轨线。两条轴向轨线分别在密封间隙的转轴侧和极齿侧，径向轨线定义在极齿间隙处某一极齿与转轴间的垂直方向上。将矢量磁位（Az ）、磁感应强度（B SUM ）和磁场强度（H SUM ）的值映射在三条轨线上。为了更清楚的看出极齿出的磁场变化情况，在定义轴向轨线时，给每个极齿的端点处定义一个点，一共用8个点连成一条轨线，相邻两点插值数为20。图3和图4分别是密封间隙转轴侧和极齿侧轴向轨线H SUM 变化曲线，图5是极齿间隙径向轨线H SUM 变化曲线。

图3 密封间隙转轴侧轴向轨线HSUM 变化曲线 Fig 3 Hsum axial path curve with the sealing gap by

the shaft