基于maxwell 的10kw標準型磁力耦合器的建模設(shè)計

韓笑　蔣欣卓

【摘 要】磁力耦合器在現(xiàn)代工業(yè)中的出現(xiàn)，對能源節(jié)約的實現(xiàn)發(fā)揮著越來越重要的作用。在電動機和負載之間安裝磁力耦合器，不僅可以實現(xiàn)軟起動、隔振以及惡劣條件下的無機械連接傳動，而且可以獲得優(yōu)越的調(diào)速性能。本文將對10kw標準型磁力耦合器的建模過程進行分析。首先，掌握磁力耦合器的結(jié)構(gòu)特點，對磁力耦合器的運行原理進行學習，分析磁力耦合器實體結(jié)構(gòu)及設(shè)計圖紙，研究各部件的設(shè)計參數(shù)對運行效果的影響，對模型的結(jié)構(gòu)尺寸進行設(shè)計。其次，利用Ansoft Maxwell軟件依據(jù)已經(jīng)設(shè)計的參數(shù)，在三維環(huán)境下建立磁力耦合器的模型。整個過程為磁力耦合器的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】磁力耦合器 Ansoft Maxwell 建模設(shè)計

1 課題研究的背景

傳統(tǒng)機械式傳動結(jié)構(gòu)可以保持傳動比恒定，能保證大功率運行及其他運行優(yōu)勢，但是，卻存在系統(tǒng)性能受到過多因素影響的缺陷，比如，在傳動過程中，由于主動件與從動件之間的直接接觸，會產(chǎn)生磨損、噪聲和振動等不良效果；由于對潤滑和裝配精度要求較高，使得實施密封的措施過于復雜等[1-4]。磁力耦合器作為傳動設(shè)備在工程上的應(yīng)用，在實現(xiàn)優(yōu)良調(diào)速性能、提高傳動效率的基礎(chǔ)上，可以在很大程度上節(jié)約能源，并實現(xiàn)了主動件與從動件完全分離，簡化了機械結(jié)構(gòu)，形成了無直接接觸的傳動結(jié)構(gòu)，能夠在高粉塵、高諧波、振動、易燃易爆等惡劣環(huán)境中正常運行，并極大的減小了磨損、振動、噪聲等各種故障的發(fā)生頻率，有效的節(jié)約了維修經(jīng)費[5]。

2 磁力耦合器的結(jié)構(gòu)與原理

磁力耦合器結(jié)構(gòu)簡單，呈左右對稱式結(jié)構(gòu)，主要由輸入端安裝盤、導磁體、嵌入永磁體的磁體安裝盤、磁體蓋板以及輸出端安裝盤等部件構(gòu)成，其中兩個端蓋與兩個導磁體通過機械聯(lián)接固定，并與電機驅(qū)動軸連接構(gòu)成主動轉(zhuǎn)子；嵌入永磁體的磁體安裝盤與負載軸連接構(gòu)成從動轉(zhuǎn)子。主動轉(zhuǎn)子與從動轉(zhuǎn)子之間存在可調(diào)節(jié)大小的空氣間隙。磁力耦合器在運行過程中，驅(qū)動電機和負載之間的聯(lián)接沒有直接接觸。

磁力耦合器主要由主動部分與從動部分組成，驅(qū)動側(cè)的導磁體和負載側(cè)的磁體安裝盤之間存在空氣間隙，并可自由、獨立的轉(zhuǎn)動。當驅(qū)動側(cè)導磁體轉(zhuǎn)動時，與磁體安裝盤上的永磁體在滑差存在的情況下產(chǎn)生相對運動，導磁體通過切割磁感線，可以在表面產(chǎn)生渦流，而渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場在永磁場作用下，會帶動負載側(cè)磁體安裝盤轉(zhuǎn)動，在負載輸出軸上產(chǎn)生扭矩，最終實現(xiàn)磁力耦合傳動。

3 磁力耦合器建模流程分析

本文使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell 16.0對磁耦合器進行模型設(shè)計與建立，研究中只是單純對磁力耦合器的結(jié)構(gòu)與運行的狀態(tài)進行分析，因此本設(shè)計中對于驅(qū)動電機、負載電機、基座以及控制箱等其他輔助設(shè)備都進行了忽略處理：

（1）考察實際設(shè)備結(jié)構(gòu)，搜尋設(shè)備設(shè)計圖紙及相關(guān)數(shù)據(jù)；（2）應(yīng)用軟件Ansoft Maxwell 16.0在三維立體空間內(nèi)對磁力耦合器的各個部件進行模型的建立；（3）對磁力耦合器各個部件進行細節(jié)處理。

由于實體磁力耦合器完全進行拆解存在一定的困難，因此只能通過對外輪廓進行測量，并參考已有型號的設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)自行進行相關(guān)設(shè)計

4 磁力耦合器各組成部分的建模

啟動Maxwell程序，執(zhí)行菜單命令Project/Insert Maxwell 3Ddesign，或者單擊工程欄上方對應(yīng)的按鈕，建立Maxwell 3D分析類型，對新建的工程重新命名，調(diào)整三維繪圖區(qū)坐標系的位置和放大比例，執(zhí)行菜單命令Modeler/Units，進行單位設(shè)置，選取“mm”。

4.1 輸入端安裝盤的建模

（1）參考已有型號設(shè)備，查找部件的尺寸數(shù)據(jù)并記錄；（2）選取三維空間坐標原點（0，0，0），設(shè)置輸入端安裝盤外徑尺寸為116mm，在xoy平面內(nèi)繪制輸入端安裝盤底面外圓邊界，重新命名為“duangai1”；（3）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為7mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）選取三維空間坐標原點（0，0，0），輸入內(nèi)圓半徑29.5mm，在xoy平面內(nèi)繪制圓柱底面外圓邊界；（5）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為7mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能將前后兩個圓柱體作函數(shù)運算；（7）材料屬性的設(shè)置，在軟件材料庫中可以直接為已建立的模型賦予屬性，如果不能在材料庫找到滿意的材料，還可以根據(jù)個人需求進行自定義材料的建立。使用【material name】功能，將輸入端安裝盤材料屬性賦為“stell_1010”，在【Properties】功能中選取灰色進行填涂，完成輸入端安裝盤立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.2 導磁體的建模

（1）參考已有型號設(shè)備，查找部件的尺寸數(shù)據(jù)并記錄；（2）選取端蓋頂端平面（0，0，7）作為基準面，以99mm為半徑為繪制導磁體外圓邊界，重新命名為“tognhuan1”；（3）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為5mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）選取輸入端安裝盤頂端平面（0，07）作為基準面，輸入圓柱體半徑50mm，在與xoy面平行的平面內(nèi)繪制圓柱體底面外圓邊界；（5）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為5mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能將前后兩個圓柱體作函數(shù)運算；（7）使用【material name】功能，將導磁體材料屬性賦為“copper”，在【Properties】功能中選取黃色進行填涂，完成導磁體立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.3 磁體安裝盤的建模

（1）參考已有型號設(shè)備，查找部件的尺寸數(shù)據(jù)并記錄；（2）留取高度為3mm空氣間隙如圖2.5所示；（3）以z軸高度為15mm在與xoy面平行的平面內(nèi)繪制半徑為90mm的磁體安裝盤底面外圓邊界，重新命名為“l(fā)vpan”；（4）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（5）選取磁體安裝盤底面所在平面（0，0，15）作為基準面，輸入內(nèi)徑30mm，在與xoy面平行的平面內(nèi)繪制圓柱體底面外圓邊界；（6）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（7）使用【Subtract】功能將前后兩個圓柱體作函數(shù)運算，得到一個環(huán)形柱體；（8）分別在磁體安裝盤底面坐標為（0，70，15）處，繪制以y軸為對稱軸的圓形，其半徑為10mm；（9）使用【Cover Lines】功能將圓形填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（10）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁體安裝盤內(nèi)部將上一步中得到的圓柱體均勻陣列，選取z軸為中心軸，設(shè)定角度【Angle】為20，【Total number】為18。（11）使用【Subtract】功能將柱狀體與18個圓柱體作函數(shù)運算，在磁體安裝盤中留取永磁體空間；（12）使用【material name】功能賦予材料屬性為“aluminum”，在【Properties】功能中選取紅色進行填涂，完成磁體安裝盤立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.4 永磁體的建模

（1）參考已有型號設(shè)備，設(shè)計永磁體尺寸；（2）在磁體安裝盤底面坐標為（0，70，20）處，繪制圓形，半徑為10mm（3）在與磁體安裝盤底面平行的平面（0，0，20）處，使用【Cover Lines】功能將圓形填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸。（4）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁體安裝盤內(nèi)部將上一步中得到的圓柱體通過陣列可以得到均勻分布的數(shù)個磁極，精確建模的同時節(jié)省了大量時間。選取中心軸“Axis”為z軸，設(shè)定角度“Angle”為20，總數(shù)“Total number”為18，由此嵌入在磁體安裝盤內(nèi)部的永磁體結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成。（5）設(shè)定永磁體材料以及極化方向。為了讓每兩個相鄰的永磁體產(chǎn)生磁回路，對于不相鄰的永磁體，需要設(shè)置同一種充磁方向相同的磁體材料，其余的永磁體要設(shè)置另一種充磁方向相反的磁體材料，根據(jù)個人的模型需要，磁體可以按照不同的幾種方向進行充磁，包括沿著X軸的正向和反向進行充磁，沿著Y軸的正向和反向進行充磁，沿著Z軸的正向和反向進行充磁。在本模型中磁體的充磁方向是沿著Z軸的正向和反向充磁。選取編號為奇數(shù)的9個磁極，使用【material name】功能設(shè)定材料為第三代銣鐵硼材料“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分別做出設(shè)定“X Component”的值為0，“Y Component”的值為0，“Z Component”的值為1，由此設(shè)置部分永磁體正向充磁；選取編號為偶數(shù)的9個永磁體，使用【material name】功能設(shè)定材料為“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分別做出設(shè)定“X Component”的值為0，“Y Component”的值為0，“Z Component”的值為-1，設(shè)置其余永磁體反向充磁，將全部永磁體按照兩種相反的方向進行充磁，在【Properties】功能中選取灰色進行填涂，完成永磁體立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.5 建模完成

磁體蓋板的建模與輸出端安裝盤的建模與之前過程一致，至此，磁力耦合器虛擬模型的設(shè)計與構(gòu)建已經(jīng)基本完成，如圖2.9，其中主要部件的具體參數(shù)如下：

輸入端安裝盤與輸出端安裝盤，外徑為116mm，內(nèi)徑為29.5mm，高度為7mm，材料為“stell_1010”；導磁體與磁體蓋板，外徑為99mm，內(nèi)徑為50mm，高度為5mm，材料為“copper”；空氣間隙高度為3mm；永磁體安裝盤外徑為90mm，內(nèi)徑為30mm，高度為26mm，材料為“aluminum”；永磁體半徑為10mm，高度為26mm，材料為“NdFe35”。

5結(jié)語

磁力耦合器結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，在生產(chǎn)研發(fā)中受到了越來越廣泛的關(guān)注。本文主要做了以下工作：

（1）對磁力耦合器相關(guān)知識進行理論學習，查閱文獻，掌握其主要結(jié)構(gòu)，對特定型號器件的設(shè)計圖紙進行研究；（2）學習計算機軟件，在虛擬三維空間建立模型，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)；

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作者簡介：韓笑（1993.10—），男，山東濟南人，工作單位：大連海事大學，職務(wù)：本科生，研究方向：機械。