任豐蘭，李譚喜

（1.常德職業(yè)技術(shù)學院，湖南常德 415000；2.中南大學，長沙 410003）

0 引言

磁力傳動是以現(xiàn)代磁學的基本理論磁性物質(zhì)同性相斥、異性相吸的原理來實現(xiàn)傳動，已成為機械傳動研究領(lǐng)域的熱點[1]，因其主、從動件不接觸，可較大間隙隔物傳遞的優(yōu)勢被廣泛地研究與應(yīng)用。M I Kilani和C J Chen[2]提出通過利用永磁體產(chǎn)生的磁場作為外磁場來驅(qū)動微機械沿直線運動；徐先懂[3]設(shè)計了一種基于外磁場驅(qū)動的軸流式血泵，有效地避免采用導線（或植入電池）供電的血泵因經(jīng)皮導線所引起的感染并發(fā)癥。楊新清等[4]將磁力驅(qū)動技術(shù)引入管內(nèi)壁清淤裝置，提出了一種管內(nèi)壁自動清淤器，對其內(nèi)部磁轉(zhuǎn)子的特性進行了研究；趙韓等[5]提出了稀土永磁齒輪齒條傳動和交錯軸永磁齒輪傳動，齒輪齒條傳動中，齒輪為徑向多極充磁的圓環(huán)永磁體，齒條為N極與S極相間的帶狀磁體，實現(xiàn)交錯軸傳動的齒輪采用雙曲線體多極徑向充磁。譚建平等[6]設(shè)計了一種非接觸式大間隙磁力驅(qū)動裝置，如圖1 所示，由主動磁極（永磁體）、從動磁極（電磁鐵）和線圈3部分組成，通過單片機程序控制產(chǎn)生可變頻脈沖信號，把電磁體做主動磁極，經(jīng)功率放大電路等作用產(chǎn)生交變磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)主動磁極靜止式大間隙磁力驅(qū)動。這種磁力傳動裝置的驅(qū)動能力主要取決于主動磁極空間磁場的大小和分布狀態(tài)及主動磁極與永磁轉(zhuǎn)子在空間的相對位置。為獲得大間隙驅(qū)動系統(tǒng)的主動磁場的分布規(guī)律，提高大間隙磁力驅(qū)動技術(shù)，本文以“T”型電磁體為例，運用ANSYS 分析軟件，對主動磁極NS、SS、SN、NN 四種狀態(tài)的磁感應(yīng)強度大小及其分布規(guī)律進行了計算，得出了耦合距離、通電電流大小、線圈匝數(shù)等因素對磁感應(yīng)強度的影響規(guī)律，并通過大量的實驗對這些規(guī)律的正確性進行了驗證，精確地計算出該類型電磁體作為主動磁極時與永磁轉(zhuǎn)子在空間的最佳安裝位置，為軸流式血泵等從動件獲得最大的驅(qū)動力提供了可靠的依據(jù)。

圖1 主動磁極驅(qū)動從動磁極示意圖

1 大間隙磁力驅(qū)動系統(tǒng)

大間隙磁力驅(qū)動系統(tǒng)中的電磁體是以“C”或“T”型硅鋼片為鐵心，在鐵心上繞制了4組線圈，其位置關(guān)系及各自電流導向示意圖有2種，如圖2所示。通過控制2組線圈的通電時刻，讓其在相同的時刻中只能有2組線圈通電，其通電狀態(tài)時序如圖3 所示，從而使線圈每個繞組中的電流方向無需改變，這樣通過控制每個線圈的電流的接通或斷開就可以獲得可得到4 種狀態(tài)交替變換的交變磁場，有效降低了線圈的發(fā)熱，簡化了控制程序，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 電磁體繞線方式

圖3 電磁體驅(qū)動裝置時序圖

2 基于ANSYS的空間磁場仿真

“T”型電磁體鐵心是以長度方向的尺寸來命名的，空間磁場仿真以“T78”型電磁體為例，其幾何尺寸如圖4所示。

圖4 T78硅鋼片幾何尺寸

2.1 主要參數(shù)

“T78”型電磁體的其關(guān)鍵參數(shù)：硅鋼片片數(shù)P＝71片，硅鋼片厚度δ＝0.35 mm，線圈匝數(shù)N＝650/1 600，導線直徑d＝0.31 mm，通電電流i＝1.0/1.6 A，相對磁導率取μr＝7 000。

2.2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

建模時采用MKS單位制，其參數(shù)定義如下。

（1）鐵心：定義為材料M，用SOLID98單元劃分網(wǎng)格；

（2）空氣：相對磁導率μr＝1，定義為材料N，用SOL?ID98單元劃分網(wǎng)格；

（3）空氣外表面：定義為材料N，用INFIN47遠場單元劃分網(wǎng)格；

（4）線圈：用SOURC36 單元對線圈建模，網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 T78鐵芯網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及求解

對鐵心某些節(jié)點和表面所有節(jié)點都施加垂直邊界條件，使磁標量位Mag＝0，由于整個模型中，鐵區(qū)屬于單連通區(qū)，故采用差分標勢法（DSP）對其進行求解，得出了如圖6～8所示的仿真曲線。

圖6 “T78”型電磁體Z方向磁感應(yīng)強度變化曲線（仿真）

圖7 “T78”型電磁體X方向磁感應(yīng)強度變化曲線（仿真）

圖8 “T78”型電磁體Y方向磁感應(yīng)強度變化曲線（仿真）

3 空間磁場的實驗測定

3.1 實驗儀器及實驗條件

實驗儀器采用型號為HSPY120－05的直流穩(wěn)壓電源，單片機及其控制系統(tǒng)、功率放大電路，HT100 數(shù)字特斯拉計，三坐標實驗臺，通電電流為1 A、1.2 A、1.6 A。實驗條件以“T78”型電磁體為載體，其參數(shù)采用與基于ANSYS的空間磁場仿真參數(shù)一樣。

3.2 測點布置及坐標系

在建立“T”型電磁體鐵心XOYZ空間坐標系，布置12個測點，如圖9所示，其中1、2、3、4、5、6、7這7個測點布置在X 坐標軸上，8、9、10（即4 點）、11、12 這5 個測點布置在Y 軸上，如圖10 所示，Z 軸上分別取ZH＝20、30、40、50、60 mm。

圖9 測點布置平面

圖10 測點序號

3.3 實驗數(shù)據(jù)

通過實驗，對“T”型電磁體鐵心XOYZ空間坐標系12個測點磁感應(yīng)強度的測量，測得的數(shù)據(jù)如圖11～15所示。

圖11 “T78”型電磁體Z方向磁感應(yīng)強度變化曲線（測量）

圖12 “T78”型電磁體X方向磁感應(yīng)強度變化曲線（測量）

圖13 “T78”型電磁體Y方向磁感應(yīng)強度變化曲線（測量）

圖14 “T”型電磁體通電電流與磁感應(yīng)強度關(guān)系曲線（測量）

圖15 “T”型電磁體線圈匝數(shù)與磁感應(yīng)強度關(guān)系曲線（測量）

3.4 數(shù)據(jù)分析與討論

通過ANSYS的仿真和實驗，比較在仿真和實驗各種情況下的磁感應(yīng)強度的仿真值和實測值，得出如下結(jié)論。

（1）從基于ANSYS的仿真圖6～8和通過實驗測量出來的圖11～13可以看出，磁感應(yīng)強度的仿真值和實測值是基本吻合的，變化規(guī)律是一致的，這說明采用ANSYS軟件建立空間磁場的模型是正確的。

（2）從圖6和圖11可以看出，“T”型電磁體在的空間磁感應(yīng)強度在Z方向，隨著距離的增加而減小，最終曲線趨于平緩。

（3）從圖7 和圖12 可以看出，“T”型電磁體X 方向的NS和SN 兩種狀態(tài)的空間磁場分布是相同的，以Y 軸對稱呈類“M”形分布；而SS 和NN 兩種狀態(tài)的空間磁場分布以Y 軸反向?qū)Ψ植肌?/p>

（4）綜合一個周期內(nèi)的四種狀態(tài)，“T”型電磁體在X 軸上的3點（或5點）左右的磁感應(yīng)強度最大。

（5）從圖13 可以看出，“T”型電磁體Y 方向上的空間磁感應(yīng)強度在4種狀態(tài)下均與X軸（即兩主動磁極的連線）對稱呈倒“V”形分布，且在X軸上最大。

（6）從圖14可得，在其他因素一定的情況下，磁感應(yīng)強度隨通電電流的增大而增大，并隨耦合距離的增加，增大的幅度逐漸減小，但電流越大，系統(tǒng)的發(fā)熱越嚴重。

（7）從圖15 可得，在其它因素一定的情況下，磁感應(yīng)強度隨線圈匝數(shù)的增加而增大，但線圈匝數(shù)越多，系統(tǒng)體積越大。

4 結(jié)束語

為獲得大間隙驅(qū)動系統(tǒng)的主動磁場的分布規(guī)律，提高大間隙磁力驅(qū)動技術(shù)。本文以“T”型電磁體為例，運用ANSYS軟件對其空間磁場進行了仿真，并對空間磁場進行了實驗測定。發(fā)現(xiàn)其空間磁場磁感應(yīng)強度分布規(guī)律曲線的仿真值與實測值重合度很高；并找出了藕合距離、通電電流大小、線圈匝數(shù)等因素對磁感應(yīng)強度的影響規(guī)律，即當用“T”型電磁體作為主動磁極時，要想使軸流式血泵等從動件獲得較大的驅(qū)動力，則應(yīng)選擇合理的通電電流和線圈匝數(shù)，并使該從動件（永磁體）的對稱中心線與兩磁極的連線重合，且應(yīng)安裝在主動磁極正上方偏兩磁極對稱中心線（即Y 軸）5～10 mm 處，為軸流式血泵等從動件獲得最大的驅(qū)動力提供了可靠的依據(jù)，