龔儉龍，江美霞

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.廣州城市職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

1 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展，非接觸式磁力驅(qū)動技術(shù)作為一種新型的傳動技術(shù)，可以實現(xiàn)力或力矩的無接觸傳遞，避免了剛性接觸與摩擦所帶來的損耗，將動密封變成為靜密封，保證工作介質(zhì)之間不相互滲透，實現(xiàn)真正意義上的零泄漏。因此該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航天、軍工、石化、醫(yī)療、輕工、食品等行業(yè)，如：對環(huán)保與密封具有高要求、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)的化工行業(yè)，輸送或混合腐蝕性高、有毒、易燃和貴重液體。非接觸式磁力驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用不僅提高了原料運(yùn)輸?shù)睦眯?，而且還可以有效控制了有毒、有害、易燃易爆等化學(xué)介質(zhì)的泄漏對環(huán)境的污染，從而提高了生產(chǎn)過程的安全性，具有較高的實用經(jīng)濟(jì)價值。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對非接觸式磁力驅(qū)動技術(shù)開展了一系列研究，也取得一些成果。王凱開展了磁力聯(lián)軸器在磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、磁轉(zhuǎn)矩與磁渦損計算、傳動性能影響因素分析以及磁熱流固多場耦合分析方面研究。于嬌等人根據(jù)盤式磁力耦合器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，利用Ansoft Maxwell 軟件對盤式磁力耦合器進(jìn)行三維建模和仿真分析，得出的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和渦流密度矢量驗證了仿真設(shè)置的正確性，繪出了輸出轉(zhuǎn)矩與永磁體軸向長度、氣隙和導(dǎo)體盤厚度所能傳遞力矩的影響曲線。王昭等應(yīng)用COMSOL 軟件對盤式永磁耦合器進(jìn)行有限元三維瞬態(tài)建模，分析其渦流特性和電磁傳動特性，并且分析了磁鐵材質(zhì)、磁鐵級數(shù)、氣隙間距對扭矩和軸方向受力的影響，得出相關(guān)的規(guī)律特性。此外，目前國內(nèi)外研究主要集中在非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和磁力特性分析方面。

本文提出一種由永磁驅(qū)動輪、永磁從動輪、永磁體、導(dǎo)體盤等組成的盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)，首先利用三維建模軟件Solidworks 對其進(jìn)行幾何建模，再應(yīng)用電磁仿真軟件ANSYS Maxwell 對盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁特性仿真，分析其渦流損耗特性和電磁傳動特性，從而為盤式非接觸式磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確設(shè)計和后續(xù)優(yōu)化提供重要的參考。

2 磁力驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)

本文提出一種新型盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)，首先利用三維建模軟件Solidworks 對其進(jìn)行幾何建模，該傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。新型盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動輪、從動輪、導(dǎo)體盤、輸出軸、氣隙、永磁體等組成。其中驅(qū)動輪和從動輪結(jié)構(gòu)大致相同，驅(qū)動輪和從動輪之間是單獨(dú)隔離開的且存在一定的間距，永磁體分別均勻地鑲嵌在驅(qū)動輪和從動輪的圓周方向上，驅(qū)動輪和從動輪上的永磁體采用徑向充磁，N 磁極和S 磁極相互交錯地布置，磁通從N 磁極開始出發(fā)，從徑向方向通過驅(qū)、從動輪之間氣隙和導(dǎo)體盤部分，后沿軸向經(jīng)過導(dǎo)體，再沿著徑向經(jīng)驅(qū)動輪與從動輪之間氣隙回到相鄰S 磁極，從而在磁體上閉合形成回路。驅(qū)動輪與驅(qū)動軸直接連接，當(dāng)電機(jī)帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)時，在交互磁力矩影響下，會產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，就可以帶動從動輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工作。

圖1 盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)模型

3 理論基礎(chǔ)

3.1 麥克斯韋方程組

Maxwell 方程組描述了電磁場的基本特征，是研究電磁場相關(guān)問題的基本理論基礎(chǔ)，并能反映電磁場中各個物理量之間的關(guān)系。該方程是研究盤式非接觸式磁力驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)中電磁場分析計算的理論基礎(chǔ)，其微分形式表示為：

Maxwell 方程組可應(yīng)用于解決各類的電磁問題。由于位函數(shù)比較容易建立邊界條件，所以在電磁場數(shù)值分析中可以通過引入輔助函數(shù)，即位函數(shù)，從而減少未知數(shù)個數(shù)，使得求解問題得到簡化。位函數(shù)包含矢量磁位、標(biāo)量磁位，分別表示為：

式中，μ 為磁導(dǎo)率；σ 為電導(dǎo)率。

3.2 非接觸式磁力驅(qū)動基本原理

非接觸式磁力驅(qū)動是基于電磁學(xué)的基本理論，通過永磁材料或電磁所產(chǎn)生的磁力相互作用，來實現(xiàn)力矩或力的非接觸式傳遞技術(shù)。本文提出的盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)有所不同，在盤式非接觸磁力傳動機(jī)構(gòu)中驅(qū)動部件與從動部件傳遞的力矩或力是通過磁場中相互耦合作用力來實現(xiàn)，它是通過磁場透過磁場工作間隙或者隔離套來傳遞力或力矩，其驅(qū)動部件和從動部件之間可以實現(xiàn)無任何介質(zhì)接觸，實現(xiàn)液體介質(zhì)的零泄漏。

3.3 非接觸式磁力驅(qū)動和接觸式機(jī)械驅(qū)動的區(qū)別

非接觸式磁力驅(qū)動和接觸式機(jī)械驅(qū)動的最大不同點(diǎn)，是它們在向傳動部件傳遞力矩和力時，是否是直接接觸傳遞的。非接觸式磁力驅(qū)動是利用磁場透過磁路工作間隙或隔離套來傳遞力矩和力。比如在化工行業(yè)中應(yīng)用的磁力驅(qū)動泵和磁力驅(qū)動攪拌反應(yīng)釜，它們就是采用磁力驅(qū)動密封裝置后取消了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動泵、釜，非接觸式磁力驅(qū)動裝置把動密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封。因此從根本上消除了傳動軸密封處所產(chǎn)生的泄漏，解決了工業(yè)用泵、釜等設(shè)備一直存在的跑、冒、滴、漏和機(jī)械密封發(fā)熱、磨損等一系列問題，為安全可靠輸送或攪拌反應(yīng)有毒、易燃、易爆、腐蝕以及各種貴重介質(zhì)創(chuàng)造了條件。

3.4 有限元仿真理論分析

當(dāng)盤式非接觸磁力傳動機(jī)構(gòu)在工作時，其整個空間是存在著電磁場。有限元法的求解過程是從偏微分方程出發(fā)，遵循變分原理，把電磁場邊值問題的求解轉(zhuǎn)化為泛函數(shù)極值問題的求解，再通過離散化處理，將變分問題轉(zhuǎn)化為多元函數(shù)的極值問題進(jìn)行求解。因此，在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，有限元法被較為廣泛地應(yīng)用于電磁場領(lǐng)域的數(shù)值模擬。

基于有限元原理的ANSYS、ANSOFT 等軟件的開發(fā)給電磁場相關(guān)研究領(lǐng)域帶來機(jī)遇，在ANSYS 仿真軟件中，其中電磁場分析模塊中有限元公式可由磁場Maxwell 方程組導(dǎo)出，其工作原理是將所研究對象劃分為有限個單元，再根據(jù)矢量磁勢或者標(biāo)量電勢求解一定邊界條件和初始條件下各個節(jié)點(diǎn)處的磁勢，從而進(jìn)一步求解磁通量密度、電磁場儲能等相關(guān)量。ANSYS Maxwell 仿真分析具體的操作步驟，如圖2 所示。因此，本文在盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)工作過程中，利用ANSYS Maxwell 有限元仿真軟件對盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝置進(jìn)行磁特性和力特性仿真分析，以獲取永磁驅(qū)動輪和永磁從動輪的工作狀態(tài)，以及永磁驅(qū)動輪和永磁從動輪之間傳遞的扭矩關(guān)系。

圖2 仿真分析具體的操作步驟

4 磁特性分析

4.1 有限元分析模型

對盤式非接觸式磁力傳動機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡化處理，有限元模型由驅(qū)動輪、從動輪和永磁體組成，如圖3 所示，采用釹鐵硼作為永磁體的材料，此材料矯頑力需單獨(dú)設(shè)置為-880000A/m、剩磁設(shè)置為Br=1.18T，由于是永磁體是徑向充磁，所以材料坐標(biāo)系設(shè)置為cylindrical，材料屬性設(shè)置為R Component，從而材料坐標(biāo)系的徑向分量設(shè)置為1，表明永磁體磁化方向為徑向正方向，反之徑向分量設(shè)置為-1 時，則表明永磁體磁化方向為徑向負(fù)方向。設(shè)置被動激勵源，band 域和求解域Region 設(shè)置為vacuum（真空）。

圖3 盤式磁力傳動機(jī)構(gòu)的有限元模型

4.2 基本假設(shè)

（1）非接觸式磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)的磁場分布計算是一個非線性問題。力矩和力傳遞的物理過程主要發(fā)生在氣隙間隙中，由于氣隙間隙與磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)軸向尺寸相比足夠小。忽略端部效應(yīng)的影響，近似認(rèn)為同一位置的氣隙磁場沿軸向沒有變化，因此可以用氣隙平均厚度處的磁場來等效氣隙磁場。

（2）導(dǎo)體盤的厚度與其他兩個方向上的尺寸相比很小，所以在導(dǎo)體盤內(nèi)部產(chǎn)生的渦流主要是由氣隙磁場的軸向分量引起的，考慮氣隙磁場的軸向分量，并計算其在導(dǎo)體盤內(nèi)部所產(chǎn)生的徑向電場和徑向渦流。

（3）忽略渦流在導(dǎo)磁盤軸向的趨膚效應(yīng)影響。

（4）永磁體沿軸向均勻磁化。

（5）只計算原交變磁場在導(dǎo)體盤內(nèi)所產(chǎn)生的渦流，忽略渦流產(chǎn)生的附加交變磁場在導(dǎo)體盤內(nèi)產(chǎn)生的渦流。

4.3 磁場特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元軟件，對盤式非接觸式磁力驅(qū)動裝置的模型進(jìn)行磁特性分析，在盤式非接觸式磁力驅(qū)動裝置中，永磁體提供了穩(wěn)定的靜態(tài)磁場，當(dāng)驅(qū)動輪和從動輪保持相對靜止時，永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場不會被切割，驅(qū)動輪和從動輪之間不會產(chǎn)生扭矩。當(dāng)電機(jī)帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)工作時，驅(qū)動輪和從動輪之間的靜態(tài)磁場會產(chǎn)生切割，從而會在驅(qū)動輪和從動輪的永磁體內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向渦流，并且由于相連永磁體的磁極方向是相反的，因此在驅(qū)動輪和從動輪的永磁體內(nèi)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的相鄰渦流，如圖4 所示。驅(qū)動輪中永磁體的剩余磁通在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時使從動輪永磁體產(chǎn)生渦流，從動輪內(nèi)形成的渦流會產(chǎn)生新磁場，其方向大致垂直于從動輪，相鄰渦流產(chǎn)生磁場的方向是相反的。從動輪上永磁體感應(yīng)產(chǎn)生的磁場分布與驅(qū)動輪中永磁體形成的磁場分布類似，如圖5 所示。

圖4 渦流密度分布圖

圖5 磁通密度分布圖

4.4 磁力特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元軟件對盤式非接觸式磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行磁力特性仿真分析，得到其磁場分布，可觀察到驅(qū)動輪和從動輪在非接觸磁場力作用下所受到的磁扭矩。在該盤式非接觸式驅(qū)動機(jī)構(gòu)中，永磁驅(qū)動輪與永磁從動輪所受的作用力是相互的。在電磁仿真分析過程中，以永磁驅(qū)動輪作為參照物，永磁從動輪旋轉(zhuǎn)一周可看作為8個周期，其沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)工作時，在一個周期內(nèi)從動輪的磁扭矩輸出是由最小值增大到最大值然后減少到最小值，且從動輪的最大輸出磁扭矩為0.95N·m，圖6 為永磁從動輪扭矩輸出特性曲線。

圖6 從動輪扭矩輸出曲線圖

5 結(jié)語

本文提出了一種由永磁驅(qū)動輪、永磁從動輪組成的盤式非接觸式磁力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，首先利用三維建模軟件Solidworks 建立其幾何模型，再將模型導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS Maxwell 中進(jìn)行電磁仿真，分析了永磁驅(qū)動輪和永磁從動輪之間的磁場特性和磁力特性。實驗結(jié)果表明盤式非接觸式磁力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作時，驅(qū)動輪中永磁體的剩余磁通通過空間耦合使從動輪中永磁體產(chǎn)生渦流，從動輪中永磁體產(chǎn)生的磁場與驅(qū)動輪中永磁體形成的磁場方向相反，驅(qū)動輪中永磁體在相對運(yùn)動時使從動輪中永磁體產(chǎn)生磁扭矩，從而永磁驅(qū)動輪和永磁從動輪之間可以產(chǎn)生連續(xù)的驅(qū)動扭矩，且驅(qū)動扭矩趨于穩(wěn)定。驅(qū)動從動輪工作的扭矩存在一定的波動，且從動輪的最大輸出磁扭矩為0.95N·m。該研究方法可為今后從永磁體布置形式、永磁體形狀、永磁體級數(shù)和氣隙間距等方面對盤式非接觸式磁力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。