一种启动力矩可调的磁流变密封装置

技术领域

本发明涉及一种密封装置，具体为一种启动力矩可调的磁流变密封装置，属于磁流密封技术领域。

背景技术

现阶段常用的旋转轴密封主要有填料密封、机械密封、迷宫密封、干气密封、磁流变密封等方式。

磁流变密封是一种通过磁路设计，在磁场的作用下将磁流变液束缚在极靴和旋转轴之间，从而起到密封作用的一种密封方式。磁流变液是一种新型的复合材料，主要由磁性颗粒、基载液、分散剂组成。磁流变液具有优良的可控性，在磁场作用下能迅速呈现可控的黏度和剪切应力变化，其大小和外加磁场强度有关；去掉磁场后又可以从类固体状态迅速转变为牛顿流体。这种变化可逆且响应迅速，可以在几毫秒内完成，相比较于其他密封方式，磁流变密封具有非接触式密封磨损小、寿命长、结构简单、清洁绿色、可双向密封等优点，逐渐成为旋转密封领域中的一种更优选择。

然而，磁流变液中磁性颗粒在非均匀磁场中会向磁场更大的方向移动。因此在密封装置中，长时间的停机状态会使得磁性颗粒大量聚集在极齿周围，在磁场的作用下磁流变液会发生固化，从而大大增加了旋转轴的启动力矩，容易发生电机烧毁，甚至是装备扭曲变形等问题，传统的磁流变密封通过磁场和结构设计形成磁回路，在密封间隙处利用不同的极齿机构形成磁差；磁流变液在不同磁场下表现出不同的表观粘度和磁化程度，从而形成磁化压力差，进而实现密封效果。由此产生一个问题：结构设计的确定代表着密封间隙磁路和磁差的确定，其密封压力和启动力矩不可更改，尤其在长时间停机状态下，磁流变液中磁性颗粒会在非均匀磁场的作用下向磁场更高的方向移动，宏观上即表现为磁流变液大量聚集在极齿上，从而产生更大的启动力矩。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种启动力矩可调的磁流变密封装置，可有效解决磁流变密封启动力矩过大的问题，还能根据不同使用场景调整合适的启动力矩。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种启动力矩可调的磁流变密封装置，包括由用于导磁和构建磁通路的密封结构、用于提供磁场的磁源结构和用于辅助密封的辅助结构构成，密封结构包括旋转轴和极靴；磁源结构包括线圈、永磁铁；辅助结构包括轴承端盖、轴承、隔磁环、O型圈和壳体；

壳体套设在旋转轴的轴身外侧，极靴、线圈、永磁铁、轴承和隔磁环均套设在旋转轴的轴身上，且极靴、线圈、永磁铁、轴承和隔磁环位于壳体与旋转轴之间的缝隙处，壳体的端头处固定连接有轴承端盖。

极靴包括第一极靴和第二极靴，第一极靴和第二极靴环绕于旋转轴形成密封间隙，且密封间隙中填充磁流变液；

第一极靴、第二极靴和旋转轴均为导磁材料，导磁材料包括但不限于2Cr13、铁。

作为本发明再进一步的方案：第一极靴和第二极靴上开设有极齿，且所开设的极齿可视不同应用场景而改变齿形与大小。

作为本发明再进一步的方案：密封间隙中填充的磁流变液在磁场作用下形成类似O型密封圈的密封环结构，且密封环结构的数量取决于第一极靴和第二极靴上所开设的极齿数量，该数量并不具有唯一性，可视不同应用场景而改变。

作为本发明再进一步的方案：磁源结构位于第一极靴和第二极靴之间，且磁源结构的线圈和永磁铁之间呈并列状相接触，且线圈与第二极靴的接触面呈光滑平整状，永磁铁与第一极靴的接触面也呈光滑平整状。

作为本发明再进一步的方案：磁源结构的线圈提供可变磁场B，磁源结构的永磁铁提供基本磁场A，通过永磁铁可保证磁流变液在密封结构中被“束缚”，形成密封环，并通过线圈更改密封间隙中磁场的大小和方向；

壳体在与线圈相接触的内壁处开设有凹槽和通孔，所开设的凹槽用于放置线圈的导线以及能够使导线穿过通孔后外接电源。

作为本发明再进一步的方案：辅助结构的隔磁环包括第一隔磁环和第二隔磁环，第一隔磁环紧靠在第一极靴的下方，第二隔磁环紧靠在第二极靴的上方；

作为本发明再进一步的方案：进一步的第一隔磁环、第二隔磁环和壳体均为不导磁材料，且不导磁材料包括但不限于304不锈钢、钛合金。

作为本发明再进一步的方案：辅助结构的O型圈包括第一O型圈和第二O型圈，第一O型圈套设在第一极靴的外侧，第二O型圈套设在第二极靴的外侧，且第一O型圈和第二O型圈均与壳体的内壁紧贴在一起。

作为本发明再进一步的方案：辅助结构的轴承设置在隔磁环的外侧，轴承包括第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承的内外环分别与旋转轴和壳体紧贴在一起。

作为本发明再进一步的方案：辅助结构的轴承端盖设置在轴承的外侧，轴承端盖包括第一轴承端盖和第二轴承端盖，第一轴承端盖和第二轴承端盖通过螺钉分别与壳体的两端相连接。

作为本发明再进一步的方案：磁流变液密封的耐压能力由两部分组成。其中一部分是由磁流变液的磁特性产生磁化压力，另一部分由磁流变液的弹塑性特征而产生的屈服应力。

本发明的有益效果是：所设置磁源结构的线圈提供可变磁场，磁源结构的永磁铁提供基本磁场，通过永磁铁可保证磁流变液在密封结构中被“束缚”，形成密封环，并通过控制线圈电流改变密封间隙处磁场的方向和大小，控制磁性颗粒的聚集状态，从而起到调整启动力矩的作用，可有效避免电机烧毁等情况的发生；永磁体和线圈的组合磁源方式，保证基本的密封磁场的基础上，实现了磁场可调，提高了磁流变密封装置的适用性；相比较单一线圈工作的工作方式，极大地降低了能耗和热量的产生，有效延长了磁流变密封装置的使用寿命。

附图说明

图1为启动力矩可调的磁流变密封装置示意图；

图2为磁流变密封装置磁路分布示意图；

图3为不同磁场下密封间隙中磁性颗粒运动趋势图。

图中：1、第一轴承端盖，2、第一轴承，3、第一隔磁环，4、第一O型圈，5、第一极靴，6、第二极靴，7、第二O型圈，8、第二轴承端盖，9、第二轴承，10、第二隔磁环，11、线圈，12、永磁铁，13、壳体，14、旋转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，如图1至图3所示，一种启动力矩可调的磁流变密封装置，包括由用于导磁和构建磁通路的密封结构、用于提供磁场的磁源结构和用于辅助密封的辅助结构构成，密封结构包括旋转轴14和极靴；磁源结构包括线圈11、永磁铁12；辅助结构包括轴承端盖、轴承、隔磁环、O型圈和壳体13；

壳体13套设在旋转轴14的轴身外侧，极靴、线圈11、永磁铁12、轴承和隔磁环均套设在旋转轴14的轴身上，且极靴、线圈11、永磁铁12、轴承和隔磁环位于壳体13与旋转轴14之间的缝隙处，壳体13的端头处固定连接有轴承端盖。

实施例二，本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：极靴包括第一极靴5和第二极靴6，第一极靴5和第二极靴6环绕于旋转轴14形成密封间隙，且密封间隙中填充磁流变液；

进一步地，第一极靴5、第二极靴6和旋转轴14均为导磁材料，导磁材料包括但不限于2Cr13、铁。

第一极靴5和第二极靴6上开设有极齿，起聚磁、导磁作用，且所开设的极齿可视不同应用场景而改变齿形与大小。

实施例三，本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：密封间隙中填充的磁流变液在磁场作用下形成类似O型密封圈的密封环结构，从而起到密封作用，且密封环结构的数量取决于第一极靴5和第二极靴6上所开设的极齿数量，该数量并不具有唯一性，可视不同应用场景而改变。

其中，根据磁流变液的伯努利方程和相关假设，可以得到磁流变液的密封环结构的磁特性产生磁化压力。

假设每个极齿产生的耐压能力相等，耐压值ΔP

式中，N为磁流变液的密封环结构的密封级数，即极齿个数；μ

根据Bingham塑性流体模型，磁流变液由屈服应力产生的耐压能力ΔP

式中，τ为磁流变液剪切屈服应力。

因此，磁流变液的密封环结构的总耐压值ΔP为：

磁流变旋转密封在转轴启动时，要切断所有磁性颗粒形成的颗粒链，磁流变液的密封结构微观旋转摩擦力矩T可表示为：

式中，L为密封长度；R为转轴半径，d为磁性颗粒直径；m为磁性颗粒磁矩；n为密封间隙处磁性颗粒链。

由此可见：摩擦力矩正比于颗粒链的数量，密封间隙处磁性颗粒链越多，启动力矩越大，而大量的磁性颗粒聚集会导致更多磁性颗粒链的形成。

磁源结构位于第一极靴5和第二极靴6之间，且磁源结构的线圈11和永磁铁12之间呈并列状相接触，且线圈11与第二极靴6的接触面呈光滑平整状，永磁铁12与第一极靴5的接触面也呈光滑平整状，可有效减小漏磁。

磁源结构的线圈11提供可变磁场B，磁源结构的永磁铁12提供基本磁场A，通过永磁铁12可保证磁流变液在密封结构中被“束缚”，形成密封环，并通过线圈11更改密封间隙中磁场的大小和方向；

壳体13在与线圈11相接触的内壁处开设有凹槽和通孔，所开设的凹槽用于放置线圈11的导线以及能够使导线穿过通孔后外接电源。

实施例四，本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：辅助结构的隔磁环包括第一隔磁环3和第二隔磁环10，第一隔磁环3紧靠在第一极靴5的下方，第二隔磁环10紧靠在第二极靴6的上方，以起到隔断磁通路的作用；

第一隔磁环3、第二隔磁环10和壳体13均为不导磁材料，且不导磁材料包括但不限于304不锈钢、钛合金。

辅助结构的O型圈包括第一O型圈4和第二O型圈7，第一O型圈4套设在第一极靴5的外侧，第二O型圈7套设在第二极靴6的外侧，且第一O型圈4和第二O型圈7均与壳体13的内壁紧贴在一起，能够起到辅助密封的作用，避免密封介质从壳体13内泄漏。

辅助结构的轴承设置在隔磁环的外侧，轴承包括第一轴承2和第二轴承9，第一轴承2和第二轴承9的内外环分别与旋转轴14和壳体13紧贴在一起。

辅助结构的轴承端盖设置在轴承的外侧，轴承端盖包括第一轴承端盖1和第二轴承端盖8，第一轴承端盖1和第二轴承端盖8通过螺钉分别与壳体13的两端相连接。

工作原理：建立在不同使用场景的基础上，依据停机时间首先接通线圈，线圈通电会施加与永磁体磁场方向相反的磁场，其线圈通电时间随停机时间的增大而增大。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。