一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封

1.本发明属于机械工程密封领域，具体涉及一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封。

背景技术：

2.磁流体密封是利用永磁体在密封间隙内产生磁场力将磁流体牢牢固定在密封间隙内，抵抗两侧的压差，从而达到密封的效果，对于使用电磁铁做磁源的磁性液体密封研究较为空白，主要原因是在常规工况条件下，密封间隙的磁场稳定在一个数值就可以满足密封要求。
3.在一些尖端武器应用场合，存在安装好的密封装置需要在工作或者闲置状态下长久放置，同时又要保证密封装置能够在工作或者闲置的状态下具有稳定的耐压能力，其中当使用不具备密封间隙磁场调控能力的磁流体密封时，在轴和极靴处于相对静止状态时，稳定的磁场会使密封间隙处磁流体中的磁性颗粒浓度增加，使磁性液体内的磁性颗粒形成柱状结构，表现为启动转矩显著增大，严重阻碍了密封主轴的启动；并且由于磁场的尖端效应，极齿尖端会聚集大量磁性颗粒，其他位置的磁流体浓度降低，长期的聚集会使磁流体的磁性颗粒和基载液分离，严重影响磁流体性能。

技术实现要素：

4.本发明提出了一种新型磁流体密封，在永久磁体位置上加装通有可控电流的绕组从而达到对磁流体密封密封间隙处的磁场进行调控的目的，该结构解决了磁流体密封常用的永久磁体难充磁、难加工、易退磁和磁场不可控的问题，同时通过对绕组中电流的调控实现了密封间隙处磁流体状态的调节，其中通加强电流和削弱电流分别能达到磁流体耐高压、低温启动和长久保存三种目的，使得该磁流体密封一方面很好的解决了工程上存在的耐高压、低温启动和长久保存三个难点问题，使一个磁流体密封件同时具备耐高压、低温启动和长久保存三个功能。
5.本专利针对大量磁流体密封算例进行了有限元仿真，对仿真结果进行分析，得出了绕组匝数与永久磁体的环宽和环厚尺寸的合理设计方案。
6.本发明的技术方案如下：所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，包括外壳、左极靴环、右极靴环和永久磁体；所述的极靴环设于外壳的内壁上，永久磁体和绕组设于两个极靴环之间，极靴环的内圆面和轴的外圆面之间留有间距；所述的极靴环的内圆面上设有极齿，极齿沿径向向极靴环的内圆面延伸，极靴环的内圆面和轴的外圆面之间留有间隙，该间隙中填充磁流体进行密封，所述的绕组由铜线紧密压制而成的圆柱环，其中绕组的内圆面与轴的外圆面留有间隙，绕组与轴之间的间隙大于靴环的内圆面和轴的外圆面之间的间隙，所述的永久磁体为圆柱形小磁体拼接而成，与绕组的外圆面相接触；外壳设有径向通孔，通孔处开螺纹安装航空插头，绕组引出的导线经过永久磁体的缝隙和外壳上的航空插头与电源相连，绕组采用可调压电源供电，其中要求该电源可以输出恒流直流
电；通过绕组与永久磁体尺寸的仿真设计，使永久磁体单独工作在密封间隙产生的磁场强度等于绕组单独工作时在密封间隙产生的磁场强度，实现密封间隙磁场的调零。
7.所述极靴环的内圆面设有的极齿的数量为4～10个。
8.所述的轴的外圆面与极靴环的内圆面之间的间隙的大小为0.05～3mm。
9.所述的永久磁体为轴向充磁型永久磁体为实现密封间隙磁场的控制，通过maxwell软件对密封件磁场进行仿真计算，以永久磁体使用牌号为n35h的铷铁硼圆柱磁体、绕组使用0.2mm线径铜线紧密压制而成的圆柱环为例，可知当绕组体积是永久磁体体积的4倍时，可以实现密封间隙磁场的调零；以转轴直径为20mm、注入量20ml的酯基磁性液体密封为例，室温下未调零时磁性液体密封启动扭矩为0.002n
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m，-60℃未调零时磁性液体密封启动扭矩为0.448n
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mm，-60℃放置24h后启动扭矩为1.344n
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mm，-60℃磁场调零后磁性液体密封启动扭矩为0.082n
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mm，放置24h后启动扭矩为0.284n
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mm。
10.所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：所述的极靴环的外圆面上设有环槽，环槽内设有o型密封圈，用以防止沿外壳和极靴环之间路径产生泄漏。
11.所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封还包括端盖和轴承，所述的端盖用来保证极靴环和轴承的轴向定位，使得极靴环和轴承与轴具有良好的同轴度。
12.所述的轴承分别套装于轴上。
附图说明
13.图1为本发明提供的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封的结构示意图，图中各序号标示及对应的名称如下：1-轴、2-外壳、3-极靴环、4-永久磁体、5-绕组、6-右极靴环、7-端盖、8-轴承；图2为绕组不通电流使密封间隙的磁场强度；图3为绕组通能形成与永久磁体相同磁场方向的电流；图4为绕组通能形成与永久磁体相反磁场方向的电流。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明作进一步说明。
15.如图1所示，本发明的技术方案如下：所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，包括外壳、左极靴环、右极靴环和永久磁体；所述的极靴环设于外壳的内壁上，永久磁体和绕组设于两个极靴环之间，极靴环的内圆面和轴的外圆面之间留有间距；所述的极靴环的内圆面上设有极齿，极齿沿径向向极靴环的内圆面延伸，极靴环的内圆面和轴的外圆面之间留有间隙，该间隙中填充磁流体进行密封，所述的绕组由铜线紧密压制而成的圆柱环，其中绕组的内圆面与轴的外圆面留有间隙，绕组与轴之间的间隙大于靴环的内圆面和轴的外圆面之间的间隙，所述的永久磁体为圆柱形小磁体拼接而成，与绕组的外圆面相接触；外壳设有径向通孔，通孔处开螺纹安装航空插头，绕组引出的导线经过永久磁体的缝隙和外壳上的航空插头与电源相连，绕组采用可调压电源供电，其中要求该电源可以输出恒流直流电；通过绕组与永久磁体尺寸的仿真设计，使永久磁体单独工作在密封间隙产生的磁场强度等于绕组单独工作时在密封间隙产生的磁场强度，实现密封间隙磁场的调零。
16.所述极靴环的内圆面设有的极齿的数量为4～10个。
17.所述的轴的外圆面与极靴环的内圆面之间的间隙的大小为0.05～3mm。
18.所述的永久磁体为轴向充磁型永久磁体，为实现密封间隙磁场的控制，通过maxwell软件对密封件磁场进行仿真计算，以永久磁体使用牌号为n35h的铷铁硼圆柱磁体、绕组使用0.2mm线径铜线紧密压制而成的圆柱环为例，可知当绕组体积是永久磁体体积的4倍时，可以实现密封间隙磁场的调零；以转轴直径为20mm、注入量20ml的酯基磁性液体密封为例，室温下未调零时磁性液体密封启动扭矩为0.002n
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m，-60℃未调零时磁性液体密封启动扭矩为0.448n
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mm，-60℃放置24h后启动扭矩为1.344n
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mm，-60℃磁场调零后磁性液体密封启动扭矩为0.082n
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mm，放置24h后启动扭矩为0.284n
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mm。
19.所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：所述的极靴环的外圆面上设有环槽，环槽内设有o型密封圈，用以防止沿外壳和极靴环之间路径产生泄漏。
20.所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封还包括端盖和轴承，所述的端盖用来保证极靴环和轴承的轴向定位，使得极靴环和轴承与轴具有良好的同轴度。
21.所述的轴承分别套装于轴上。

技术特征：

1.一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，包括外壳(2)、极靴环(3)、永久磁体(4)和绕组(5)；其特征在于：所述的极靴环(3)设于外壳(2)的内壁上，永久磁体(4)和绕组(5)设于两个极靴环(3)之间，极靴环(3)的内圆面和轴(1)的外圆面之间留有间距；所述的极靴环(3)的内圆面上设有极齿，极齿沿径向向极靴环(3)的内圆面延伸，极靴环(3)的内圆面和轴(1)的外圆面之间留有间隙，该间隙中填充磁流体进行密封，所述的绕组(5)由铜线紧密压制而成的圆柱环，其中绕组(5)的内圆面与轴(1)的外圆面留有间隙，绕组与轴之间的间隙大于靴环(3)的内圆面和轴(1)的外圆面之间的间隙，所述的永久磁体(4)为圆柱形小磁体拼接而成，与绕组(5)的外圆面相接触；外壳(2)设有径向通孔，通孔处开螺纹安装航空插头，绕组(5)引出的导线经过永久磁体的缝隙和外壳上的航空插头与电源相连，绕组采用可调压电源供电，其中要求该电源可以输出恒流直流电；通过绕组与永久磁体尺寸的仿真设计，使永久磁体单独工作在密封间隙产生的磁场强度等于绕组单独工作时在密封间隙产生的磁场强度，实现密封间隙磁场的调零。2.如权利要求1所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：所述极靴环(3)的内圆面设有极齿的数量为4～10个。3.如权利要求1所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：所述极靴环(3)的内圆面上的极齿与轴(1)外圆面之间的间隙的大小为0.05～3mm。4.如权利要求1所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：所述的永久磁体(4)为轴向充磁的永久磁体，为实现密封间隙磁场的控制，通过maxwell软件对密封件磁场进行仿真计算，以永久磁体使用牌号为n35h的铷铁硼圆柱磁体、绕组使用0.2mm线径铜线紧密压制而成的圆柱环为例，可知当绕组体积是永久磁体体积的4倍时，可以实现密封间隙磁场的调零；以转轴直径为20mm、注入量20ml的酯基磁性液体密封为例，室温下未调零时磁性液体密封启动扭矩为0.002n
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m，-60℃未调零时磁性液体密封启动扭矩为0.448n
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mm，-60℃放置24h后启动扭矩为1.344n
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mm，-60℃磁场调零后磁性液体密封启动扭矩为0.082n
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mm，放置24h后启动扭矩为0.284n
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mm。5.如权利要求1所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：所述的极靴环(3)的外圆面上设有环槽，所述的环槽内设有o型密封圈，用以防止沿外壳(2)和极靴环(3)之间路径产生泄漏。6.如权利要求1所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：还包括端盖(7)和轴承(8)；所述的端盖(7)用来保证极靴环(3)和轴承(8)的轴向定位，使得极靴环(3)和轴承(8)与轴(1)具有良好的同轴度。7.如权利要求6所述的一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，其特征在于：，所述的轴承(8)分别套装于轴(1)上。

技术总结

本发明涉及一种具有密封间隙磁场调控能力的磁流体密封，包括外壳、极靴环、永久磁体和绕组。本发明提出了一种新型磁流体密封，在永久磁铁环位置上加装通有可控电流的绕组从而达到对磁流体密封密封间隙处的磁场进行调控的目的，该结构解决了磁流体密封常用的永久磁体难充磁、难加工、易退磁和磁场不可控的问题，同时通过对绕组中电流的调控实现了密封间隙处磁流体状态的调节，其中通加强电流、削弱电流和变频电流分别能达到磁流体耐高压、低温启动和长久保存三种目的，使得该磁流体密封一方面很好的解决了工程上存在的耐高压、低温启动和长久保存三个难点问题，使一个磁流体密封件同时具备耐高压、低温启动和长久保存三个功能。能。能。