大間隙磁力傳動系統(tǒng)電磁場切換相位角研究

摘要：基于ANSYS軟件建立了行波磁場驅(qū)動的大間隙磁力傳動系統(tǒng)的二維電磁場仿真模型，分析了電磁體四種磁極狀態(tài)下，永磁體角位移位于0°到360°之間所受的磁力矩情況，為使系統(tǒng)獲得最大驅(qū)動力矩，提出了電磁體磁極狀態(tài)切換的最佳切換相位角的概念并對其進行了求解，通過分析系統(tǒng)中電磁體和永磁體間耦合距離及兩電磁體間磁極距離對系統(tǒng)最佳切換相位角的影響，得到了最佳切換相位角的近似計算公式。通過軸流式血泵負(fù)載實驗，結(jié)合血泵負(fù)載力矩模型，計算并比較了各種切換相位角下血泵的最大負(fù)載力矩，結(jié)果表明：按仿真所得的最佳切換相位角進行相位切換可使系統(tǒng)具有最大驅(qū)動能力。

關(guān)鍵詞：大間隙；磁力傳動；切換相位角；電磁場仿真

中圖分類號：TM301.2 文獻標(biāo)識碼：A

Phase Angle of Electromagnetic Field in Large Gap Magnetic Drive System

Tan Jianping1， Liu Yunlong1， Zhu Zhongyan 1， Xu Yan2， Liu Hengtuo 1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University， Changsha 410083，China;

2.Department of Mechanical and Electrical Engineering， Changsha University， Changsha 410003，China)

Abstract: The 2-D electromagnetic simulation model of the large gap magnetic drive system driven by traveling wave magnetic field was established and the magnetic moment for the four pole-states when the angular displacement of the permanent magnet ranging from 0°to 360°was emulated through ANSYS software. In order to get the largest driving torque for the system， the concept of the best phase angle for pole-state of the electromagnets was presented; the approximate formula for the best phase angle was drawn through analyzing the influence of coupling distance and electromagnet-pole distance on the best phase angle of the system. The largest load torque of the axial-flow blood pump for different phase angles was calculated and compared using Load torque model through experiment， the results show that the best phase angles obtained through simulating can get the largest driving torque.

Key words: large gap; magnetic drive; phase angle; electromagnetic field simulation

磁力傳動屬于耦合傳動，是以替代機械式傳動為目的，應(yīng)用永磁材料或電磁機構(gòu)所產(chǎn)生的磁力作用，實現(xiàn)力或力矩非接觸式傳遞的一種新技術(shù)，因其可以實現(xiàn)非接觸的動力傳遞而倍受關(guān)注，并得到了廣泛應(yīng)用 [1-4]。NISHIMURA K等[5]使用正交三軸亥姆霍茲線圈通電在其線圈內(nèi)部合成一個旋轉(zhuǎn)磁場。高殿榮等[6]提出運用永磁同步電機的原理，依靠線圈組的交變電流產(chǎn)生交變磁場來驅(qū)動永磁體轉(zhuǎn)動。Karel F [7]采用旋轉(zhuǎn)磁場方式來實現(xiàn)方形容器內(nèi)部流體驅(qū)動，建立了系統(tǒng)磁力的計算模型。黃守道[8]采用定子磁場定向控制方法，對電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力解耦，實現(xiàn)了電機的穩(wěn)定懸浮運行。黃科元等[9]推導(dǎo)了盤式永磁同步發(fā)電機的基本電磁關(guān)系，并運用Maxwell 3D有限元法對所提出的磁路計算方法進行了驗證。

目前，在磁力傳動技術(shù)的研究及應(yīng)用中，系統(tǒng)的主從磁極間隙均屬于小間隙范疇，而在特定的條件下，實際或期望的磁極間隙遠(yuǎn)大于經(jīng)典磁力傳動所設(shè)定的范圍。譚建平等[10]提出了一種用于永磁軸流式血泵驅(qū)動的大間隙磁力傳動系統(tǒng)，并通過仿真分析選擇了驅(qū)動能力較強、結(jié)構(gòu)較簡單的雙極四繞組式驅(qū)動方案[11]。

然而，系統(tǒng)主從磁極間隙的增大將使驅(qū)動力矩迅速減小[12]，針對這一問題，本文利用ANSYS軟件對雙極四繞組式驅(qū)動系統(tǒng)中驅(qū)動電磁體與永磁體的耦合磁力矩進行仿真計算，分析永磁體所受磁力矩與電磁體四種磁極狀態(tài)相位切換角的關(guān)系，研究耦合距離和磁極距離對系統(tǒng)電磁場最佳切換相位角的影響規(guī)律，得到最佳切換相位角的近似計算公式，為提高系統(tǒng)的驅(qū)動能力提供理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)驅(qū)動力矩仿真步驟

1.1仿真模型的建立

系統(tǒng)傳動示意圖如圖1所示，兩電磁體平行放置，徑向充磁的永磁體放于兩電磁體正中間，通過改變電磁體線圈上電流的時序，使電磁體左右磁極狀態(tài)從NS→NN→SN→SS四個狀態(tài)循環(huán)切換，進而實現(xiàn)永磁體連續(xù)轉(zhuǎn)動。L為兩電磁體間磁極距離，H為永磁體與電磁體之間的耦合距離， 為永磁體磁極分界線與 軸夾角， 為兩磁極中心與永磁體中心連線的夾角。主要關(guān)注永磁體繞自身軸線（ 軸）旋轉(zhuǎn)時所受磁力矩情況，為了簡化模型，進行二維建模。

永磁體外徑12mm，內(nèi)徑2mm，剩余磁感應(yīng)強度 =1.229T，矯頑力 = 900000A/m，相對磁導(dǎo)率1.087，為計算永磁體所受磁力矩，將坐標(biāo)原點建在永磁體中心；各線圈磁導(dǎo)率6.88×10-6，匝數(shù)均為650匝，線徑0.31mm，電流均為1.2A，線圈1和4繞向一致，沿 軸正向看去，繞向為順時針方向，線圈2和3繞向與線圈1和4相反；考慮鐵心在空氣中的磁漏，需要對空氣建模。

取L=45mm，H依次為20mm、30mm、40mm、50mm和60mm；H=30mm，L依次為45mm、50mm、55 mm、60 mm和65 mm，依次對系統(tǒng)建立模型。

1.2單元類型的設(shè)置及網(wǎng)格劃分

對于二維電磁場分析，采用二維實體單元模擬實體內(nèi)部（包括鐵區(qū)、導(dǎo)電區(qū)、永磁體區(qū)和空氣等），采用遠(yuǎn)場邊界單元模擬平面無邊界問題。本文選用PLANE53單元對電磁體、永磁體、線圈和空氣劃分網(wǎng)格，設(shè)定智能網(wǎng)格劃分的等級為4；選用INFIN9遠(yuǎn)場單元對空氣邊界線劃分網(wǎng)格，設(shè)置單元大小為0.002。

1.3施加載荷和邊界條件并求解

利用ANSYS軟件自帶的虛功法來計算磁力矩，需將永磁體單元定義為組件YCT，并用宏FMAGBC對其施加力標(biāo)志。還需要根據(jù)磁極要求對線圈進行電流加載，通過控制永磁體矯頑力分量來控制永磁體發(fā)生不同角位移 時的狀態(tài)，最后利用默認(rèn)的求解器進行求解。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1仿真結(jié)果

通過對各種情況永磁體所受磁力矩仿真計算，得到電磁體處于NS、NN、SN和SS等磁極狀態(tài)時耦合磁力矩隨永磁體角位移 的變化曲線。圖2所示為L=45 mm，H =30 mm時仿真所得四種磁極狀態(tài)下永磁體所受的磁力矩隨其角位移變化的曲線，可以看出：

（1）永磁體旋轉(zhuǎn)360°的一個周期內(nèi)，四種磁極狀態(tài)下永磁體所受的磁力矩都呈正弦規(guī)律變化；

（2）當(dāng)磁極狀態(tài)為NS或SN時，由于耦合模型中左右通電線圈1和3或2和4是完全對稱的，永磁體角位移為90°和270°時永磁體所受磁力矩為0，而在0°（360°）或180°時永磁體所受磁力矩達到最大值；

（3）當(dāng)磁極狀態(tài)為NN或SS時，由于耦合模型中左右通電線圈1和4或2和3是不對稱的，永磁體角位移為0° (360°)和180°時永磁體所受磁力矩不為0，而永磁體所受磁力矩最大值出現(xiàn)在永磁體角位移為75°或285°左右時。

2.2電磁場最佳切換相位角求解

定義最大磁力矩包絡(luò)線對應(yīng)的磁極狀態(tài)切換相位角為最佳切換相位角，依次記為 、 、 和 ，由圖2看出其對稱性。相對于等相位角切換（45°、135°、225°、315°），定義 為相位切換偏移角，可得： =45°+ ， = 135°- ， =225°+ ， = 315°- 。定義 為磁力矩最大包絡(luò)線對應(yīng)的最佳相位切換偏移角。

永磁體由 =0轉(zhuǎn)過360°為一個轉(zhuǎn)動周期，利用Matlab軟件計算一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)各種耦合距離、磁極距離下不同相位切換方式下系統(tǒng)平均驅(qū)動力矩，圖3所示為L=45 mm，H=30 mm時不同相位切換偏移角對應(yīng)的永磁體一個轉(zhuǎn)動周期的平均力矩，通過比較可得系統(tǒng)具有最大驅(qū)動力矩的最佳相位切換偏移角 約為20°。

因此，要使永磁體在一個周期內(nèi)所受到的磁力矩最大，則需：當(dāng)永磁體角位移約為65°時，將磁極狀態(tài)由NS切換為NN；當(dāng)永磁體角位移約為115°時，將磁極狀態(tài)由NN切換為SN；當(dāng)永磁體角位移約為245°時，將磁極狀態(tài)由SN切換為SS；當(dāng)永磁體角位移約為295°時，將磁極狀態(tài)由SS切換為NS。

2.3H和L對最佳切換相位角的影響分析

通過磁力矩仿真結(jié)果，計算得到各種情況下的最佳相位切換偏移角 ；通過解三角形，利用式（1）計算不同H和L對應(yīng)的 值。計算結(jié)果見表1，將表中有關(guān)數(shù)據(jù)擬合成曲線如圖4示。

(1)

由式（1）和圖4可以得出以下結(jié)論：

（1）磁極距離L不變，隨著耦合距離H的減小，兩磁極中心與永磁體中心連線的夾角 逐漸增大，最佳相位切換偏移角 逐漸增大；

（2）耦合距離H不變，隨著磁極距離L的增大，兩磁極中心與永磁體中心連線的夾角 逐漸增大，最佳相位切換偏移角 逐漸增大。

將仿真數(shù)據(jù)擬合成直線，得到任何 角對應(yīng)的最佳相位切換偏移角 的近似計算公式，如式（2）：

(2)

3 實驗驗證

3.1血泵負(fù)載力矩模型

根據(jù)文獻[13]，軸流泵的負(fù)載特性滿足：

(3)

式中， 為負(fù)載力矩； 為摩擦轉(zhuǎn)矩； 為常數(shù)； 為轉(zhuǎn)速。

在勻速運轉(zhuǎn)情況下，血泵轉(zhuǎn)子的負(fù)載力矩等于驅(qū)動力矩，忽略泵的功率損失，則血泵的輸入功率等于輸出功率，有：

(4)

即：(5)

式中， 為泵流量； 為凈揚程； 為泵裝置流道內(nèi)損失揚程； 為血泵出口能量轉(zhuǎn)化的水頭高度。 、 計算公式如下：

(6)

式中， 為泵裝置流道水力摩阻系數(shù)； 為流道截面積。

式 (6)代入(5)，得：

(7)

通過實驗，測量不同轉(zhuǎn)速下血泵的流量及對應(yīng)的凈揚程，再利用式(7)，得到對應(yīng) 下的 ，利用數(shù)值擬合得到如式（8）所示的軸流式血泵負(fù)載力矩經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

（8）

式中， 表示軸流式血泵負(fù)載力矩值，用來衡量系統(tǒng)驅(qū)動能力， ； 表示軸流式血泵的轉(zhuǎn)速， 。

3.2血泵負(fù)載實驗

以L=45 mm，H=30 mm、40 mm和50 mm為例，最佳相位切換偏移角依次約為20°、15°和10°，故分別編寫相位切換偏移角為0°、5°、10°、15°、20°、25°和30°的單片機控制程序，在0流量下，計算比較軸流式血泵在各種驅(qū)動程序下的最大負(fù)載力矩，從而驗證仿真所得的最佳電磁場切換相位角能使電磁體具有最大驅(qū)動能力。

3.2.1實驗條件和儀器

實驗條件：電磁體鐵芯用71片厚度為0.35 mm的硅鋼片疊成、線圈匝數(shù)為650匝、線徑為0.31 mm。

實驗儀器：電磁體，DF1730SC5A直流穩(wěn)壓電源，單片機控制系統(tǒng)及功率放大電路，軸流式血泵，三坐標(biāo)實驗臺，血泵打水實驗系統(tǒng)（如圖5示）。

3.2.2實驗步驟

(1)編寫 =0°、5°、10°、15°、20°、25°和30°的單片機控制程序；

(2)調(diào)節(jié)系統(tǒng)耦合距離H=30 mm，L=45 mm；將 =0°對應(yīng)的程序燒入單片機，調(diào)節(jié)電源電流為1.2A，按下啟動按鈕在0流量下進行血泵打水實驗，將血泵能達到的最高轉(zhuǎn)速值 記入表2；

(3)依次將 =5°、10°、15°、20°、25°和30°對應(yīng)的程序燒入單片機，按步驟2進行實驗；

(4)分別調(diào)節(jié)H=40 mm和50 mm，按步驟2和步驟3進行血泵泵水實驗，將對應(yīng)最高轉(zhuǎn)速值 分別記入表2；

(5)根據(jù)所得各種條件下的最高轉(zhuǎn)速值，計算對應(yīng)的血泵負(fù)載力矩 。

3.2.3實驗數(shù)據(jù)

通過實驗測得各種情況下血泵能達到的最高轉(zhuǎn)速值如表2示。

不同相位切換偏移角 下血泵最大轉(zhuǎn)速及最大負(fù)載力矩

3.3實驗結(jié)果分析

根據(jù)實驗所測得的最大轉(zhuǎn)速值，利用式（8）計算系統(tǒng)耦合距離H分別為30 mm、40 mm和50 mm下不同相位切換偏移角對應(yīng)的血泵最大負(fù)載力矩如表2示，將其擬合曲線如圖6所示，可以看出：

對應(yīng)耦合距離H=30 mm、40 mm和50 mm，當(dāng)相位切換偏移角 分別為20°、15°和10°左右時，血泵的最大負(fù)載力矩最大，即此時的系統(tǒng)驅(qū)動能力最強，與仿真結(jié)論一致，表明按仿真所得的最佳切換相位角進行相位切換可使系統(tǒng)具有最大驅(qū)動能力。

4結(jié)論

（1）基于ANSYS軟件建立了大間隙磁力傳動系統(tǒng)的二維耦合模型，以耦合距離H=30 mm、磁極距離L=45 mm為例，分析了永磁體一個周期內(nèi)所受磁力矩隨其角位移變化的規(guī)律。

（2）提出了磁極狀態(tài)切換的最佳切換相位角的概念，通過仿真分析不同耦合距離、磁極距離下，電磁體四種磁極狀態(tài)下永磁體轉(zhuǎn)動一周所受磁力矩情況，比較各種切換相位角對應(yīng)的系統(tǒng)平均驅(qū)動力矩，得到了各種情況下系統(tǒng)電磁場的最佳切換相位角。

（3）通過分析電磁場最佳切換相位角隨耦合距離H和磁極距離L的變化情況，得到了兩電磁體中心與永磁體中心連線的夾角 對最佳切換相位角的影響規(guī)律，得到了最佳相位切換偏移角的近似計算公式。

（4）通過軸流式血泵負(fù)載實驗計算比較了各種切換相位角下血泵的最大負(fù)載力矩，結(jié)果表明按仿真所得最佳相位切換偏移角進行相位切換可使電磁體具有最大驅(qū)動能力。

（5）研究結(jié)論可為系統(tǒng)電磁場切換方案的優(yōu)化以及后續(xù)較強驅(qū)動能力的大間隙磁力傳動系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

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