基于磁力耦合传动闸阀(Magnetic Coupling Transmission Gate Valves, MCTGV)运行机理建立其有限元模型，对MCTGV的电磁转矩特性进行分析。通过控制变量法对MCTGV永磁体极对数、隔离套厚度、永磁体厚度及气隙长度等参数与传递转矩的关系进行仿真分析，并对上述参数逐一优化。结果表明： MCTGV中的各结构参数对转矩影响较大，经优化后可较大提高其输出转矩。 Based on Magnetic Coupling Transmission Gate (Magnetic Coupling Transmission Gate Valves, MCTGV) operation mechanism, this paper established the finite element model, and analyzed the electromagnetic torque characteristics of MCTGV. The relationship between these parameters of MCTGV including the logarithm of magnet, the thickness of permanent magnet, air gap length and the torque characteristics is analyzed in detail by using the control variable method, and the above parameters are optimized one by one. The results show that these structure parameters of MCTGV have a great influence on torque performance, and the output torque has been greatly improved by optimizing.
牛志*，周凯凯
1大连交通大学机械工程学院，辽宁 大连
2郑州科技学院机械工程学院，河南 郑州
Email:*598674775@qq.com
收稿日期：2015年8月6日；录用日期：2015年8月21日；发布日期：2015年8月28日
基于磁力耦合传动闸阀(Magnetic Coupling Transmission Gate Valves, MCTGV)运行机理建立其有限元模型，对MCTGV的电磁转矩特性进行分析。通过控制变量法对MCTGV永磁体极对数、隔离套厚度、永磁体厚度及气隙长度等参数与传递转矩的关系进行仿真分析，并对上述参数逐一优化。结果表明： MCTGV中的各结构参数对转矩影响较大，经优化后可较大提高其输出转矩。
关键词 :磁力耦合传动，控制变量法，电磁转矩，结构优化
磁力耦合传动闸阀(Magnetic Coupling Transmission Gate Valves, MCTGV)是通过磁力间相互作用来直接在阀门承压边界的外部转动阀杆来实现阀门的启闭来调节介质的管路输送。MCTGV中阀杆密封于承压腔内部，取代了传统闸阀阀杆与填料之间的动密封，而是通过阀体与阀盖之间的静密封实现阀门整体无外漏，同时具有体积小、结构简单、使用寿命长等特点，而MCTGV能否对介质的流量进行精确调节取决于其电磁转矩的大小，而其转矩特性受其结构制约，因此，对MCTGV结构参数的优化便尤为重要。
磁力传动技术是自1940年英Charles和Geoffrey Howard通过利用磁传动密封技术解决了输送危险性介质泄漏问题后得到快速发展[
目前大多数文献仅对MCTGV的运行机理、设计应用等进行了研究分析[
如图1所示，MCGTV机械结构包括三部分。第一部分为电动装置；第二部分由磁力传动装置组成，包括外永磁转子、隔离套、内永磁转子、阀杆螺母等。其中外永磁转子安装在隔离套的外部，内永磁转子安装在隔离套的内部，并使内永磁转子中的阀杆螺母与阀杆连接。第三部分为阀体。
开启电动装置，使其带动外永磁转子一起旋转，通过磁力的作用使内外永磁转子作同步旋转运动，并驱动阀杆螺母一起转动，从而驱动阀杆和阀板的升降运动，实现阀门的开启和关闭的功能。
根据磁力阀电磁转矩计算公式：
进行了参数初选，利用ansoft软件分析结构参数对转矩的影响，进而优化结构参数使其达到最优的电磁转矩。由于磁力传动装置与气隙有关，而气隙又与隔离套厚度有关，因此，需确定隔离套的直径大小，而隔离套直径可按所设计的传动转矩大小初步确定，由此可得表1所示的磁力传动装置结构参数，其机械结构简图如图2所示。
图1. MCTGV的基本结构示意图
图2. 磁力传动装置的结构简图
| 符号 | 描述 | 数值 |
|---|---|---|
| N | 内、外圈永磁体极数 | 12 |
| Rein1 | 内轭铁内径/(mm) | 30 |
| Rpin1 | 内圈永磁体内径/(mm) | 37.75 |
| Rpin2 | 内圈永磁体外径/(mm) | 46.75 |
| Ryin1 | 内磁包封套外径/(mm) | 47.75 |
| R1 | 隔离套内径/(mm) | 48.75 |
| R2 | 隔离套外径/(mm) | 52.75 |
| Ryout2 | 外磁包封套内径/(mm) | 53.75 |
| Rpout1 | 外圈永磁体内径/(mm) | 54.25 |
| Rpout2 | 外圈永磁体外径/(mm) | 63.25 |
表1. 磁力传动装置的结构参数
转矩是磁力传动重要的参数之一，也是设计、分析磁力传动装置的关键。下面通过控制变量法对MCTGV永磁体极对数、隔离套厚度、气隙长度及永磁体厚度等参数与转矩的关系进行仿真分析。
参照表1保持其它参数不变，只改变永磁体极对数，通过采用ansfot软件进行有限元分析得图3所示永磁体极对数与转矩之间的关系。
由图3可知：MCTGV所传递的转矩随着永磁体磁极对数的不断增加先上升后逐渐减小，而当极对数增大到10时，传递转矩达到最大值。也就解释了极对数多储存的静磁能多，有利于转矩的传递，而极对数太多磁块间漏磁也多，不利于传递转矩，可见永磁体磁极对数的选取应适中。
隔离套与阀体组合构成闸阀的压力边界，从而实现闸阀的完全密封。因此隔离套需要起承受内部压力的作用，必须选择强度高的材料。且由于磁力须通过隔离套传递，必须得选择非磁性的隔离套材料。另外，隔离套需要耐腐蚀性并具有好的抗冲击、抗震性能。综上考虑，可选择哈氏合金作为隔离套的材料。
由图4可知：随着h的增加，机构产生大量的涡流损耗消耗了轴功率并降低传动效率使其转矩逐渐减小。优化隔离套厚度，可提高传动效率，提高输出转矩。但为了保证承压隔离套的机械强度，h不应
图3. 永磁体极对数与转矩的关系
图4. 隔离套厚度与转矩的关系
太薄，在满足要求的条件下，隔离套厚度h选3 mm~4 mm。
图5为内、外气隙长度与转矩之间的关系图。其中hq1、hq2分别为内、外气隙长度。
由图5可知：随着气隙长度hq1和hq2的增大，转矩却急速下降，而当气隙长度增加到一定程度时，永磁转子将沿最小磁阻路径通过而发出的磁感线不能相互产生作用，从而不能输出转矩使其降低至零。但由于永磁体的磁性很强，气隙太小会增大装配难度，因此气隙长度的选择要适中。
永磁体是设计磁力传动装置的主要部分，也是整个MCTGV的核心存在，MCTGV主要就是通过内、外永磁体产生磁力相互作用而实现闸阀的启闭，因此为了充分利用永磁材料，选择最佳厚度，使得利用最少的永磁材料而产生最大的磁能，传递最大的转矩。
由图6(a)和图6(b)可知：随着磁力传动装置的永磁体厚度的不断增大，转矩也逐渐增大，而当其厚度增加到一定程度时，转矩却不再增大。由于永磁体的磁通势会随着其厚度增大而增大，但相应的磁阻和漏磁也会增大，而h太大会使增加的磁通势基本都消耗在增大的磁阻和漏磁上，使其对磁路的作用却很小，所以出现了h增大到一定程度，而转矩却基本保持不变。
图5. 内外气隙长度与转矩关系
图6. (a) 内圈永磁体厚度与转矩的关系；(b)外圈永磁体厚度与转矩的关系
| 符号 | 描述 | 数值 |
|---|---|---|
| N | 内、外圈永磁体极数 | 10 |
| Rpin2 | 内圈永磁体外径/(mm) | 49.75 |
| Ryin3 | 内磁包封套外径/(mm) | 50.75 |
| R1 | 隔离套内径/(mm) | 51.75 |
| R2 | 隔离套外径/(mm) | 55.75 |
| Ryout3 | 外磁包封套内径/(mm) | 56.75 |
| Rpout1 | 外圈永磁体内径/(mm) | 57.25 |
| Rpout2 | 外圈永磁体外径/(mm) | 73.25 |
表2. 优化后的磁力传动装置结构参数
综上分析，得表2结构参数的优化最终值。
将表2中优化后的结构参数进行转矩仿真计算得到260.6192 Nm，比按表1未优化前所列参数得到的转矩值(176.1786 Nm)增大47.9%。而在体积大小保证不变的条件下，通过优化各个结构参数而使得转矩大幅度提高，而传动转矩是磁力传动传动机构最重要的性能指标之一，因此可使得MCTGV在工程实践中得以更好的应用。
利用ansoft软件分析了MCTGV主要结构参数对转矩的影响，通过数据图表可以发现MCTGV的输出转矩可通过优化结构参数而大幅度提高。因此设计MCTGV时，应综合考虑上述参数的影响，通过选择最优结构参数来获得高的电磁转矩并使材料得到充分利用。
牛 志,周凯凯, (2015) 磁力耦合传动闸阀的结构参数优化Optimization of the Structural Parameters of the Magnetic Coupling Transmission Gate Valves. 机械工程与技术,03,187-192. doi: 10.12677/MET.2015.43020