非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的磁特性仿真分析

龔儉龍，江美霞 ，佐偉軍，梁其金

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041）

永磁齒輪非接觸傳動(dòng)技術(shù)具有加工容易、無需潤滑、無摩擦能耗、無噪聲、清潔、無油污、防塵防水、啟動(dòng)力矩較低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)并具有過載保護(hù)作用。日本學(xué)者Koji Ikuta提出了一種非接觸永磁齒輪傳動(dòng)方式。南京航空航天大學(xué)樓佩煌教授提出了一種由永磁齒輪、永磁齒條以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成的非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)裝置，該系統(tǒng)應(yīng)用于長距離傳動(dòng)中，其永磁齒條的價(jià)格昂貴，且永磁齒條易吸附雜物，不易維護(hù)。廖偉強(qiáng)等提出了利用永磁材料或電磁鐵產(chǎn)生的磁力，可以實(shí)現(xiàn)力和轉(zhuǎn)矩?zé)o接觸傳遞，實(shí)現(xiàn)無機(jī)械連接的耦合。梁星等基于Ansoft Maxwell軟件，對多種永磁軌道排布方式進(jìn)行優(yōu)化，得到了一種相對最優(yōu)的排布方式——三極對頂式永磁軌道。段振云等提出了利用有限元軟件仿真分析驅(qū)動(dòng)裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，得出驅(qū)動(dòng)裝置的力特性曲線。本文提出一種由永磁驅(qū)動(dòng)輪、永磁從動(dòng)輪組成的非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。它以磁力作為動(dòng)力源，利用“磁懸浮技術(shù)”使得驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間存在無任何接觸的支撐，從而可以避免由摩擦帶來的能量消耗和速度限制。采用有限元法對該非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行磁特性分析和力特性分析，著重對不同永磁體布置形式和旋轉(zhuǎn)方向的扭矩進(jìn)行仿真分析研究，有助于非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與穩(wěn)定性提高。

1 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

該裝置的驅(qū)動(dòng)部分是由永磁驅(qū)動(dòng)輪、永磁從動(dòng)輪、伺服電機(jī)以及負(fù)載等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間是非接觸且存在一定的距離差，單個(gè)永磁體分別均勻地鑲嵌在永磁驅(qū)動(dòng)輪和永磁從動(dòng)輪的圓周方向上，永磁驅(qū)動(dòng)輪與伺服電機(jī)直接連接，當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)永磁驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在磁力可影響的距離內(nèi)，由于在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪圓周方向上有多塊永磁體參與嚙合工作，會產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，而從動(dòng)輪又與負(fù)載刀片直接連接，從而可以進(jìn)一步帶動(dòng)負(fù)載刀片旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)攪打動(dòng)作。

2 磁特性分析

為了明晰永磁驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪在不同位移處旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁驅(qū)動(dòng)輪與永磁從動(dòng)輪之間傳遞的扭矩關(guān)系，對該簡化裝置的磁場特性和力特性進(jìn)行仿真分析。

2．1 有限元模型的分析條件

圖1 結(jié)構(gòu)原理示意圖

永磁驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪非接觸驅(qū)動(dòng)簡化裝置的有限元模型如圖2所示。模型中，永磁驅(qū)動(dòng)輪和永磁從動(dòng)輪是上下放置，永磁體上下輪上分別放置12塊，均布在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的表面上，驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪的間隙為5mm。在進(jìn)行仿真分析時(shí)，對該簡化裝置進(jìn)行建模、材料的定義和網(wǎng)格劃分。

圖2 有限元模型

2．2 磁場特性

利用ANSYS有限元軟件，對非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)裝置的模型進(jìn)行磁特性分析，得出磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖如圖3和圖4所示?？諝庵杏幸欢ǖ拇帕€，說明系統(tǒng)存在漏磁現(xiàn)象，也說明永磁鐵驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的相互作用有一定的距離范圍。模型中磁力線由驅(qū)動(dòng)輪上的永磁體N極出發(fā)，經(jīng)過永磁鐵從動(dòng)輪導(dǎo)軌回到S極，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置交互方向的前一個(gè)位置磁感應(yīng)強(qiáng)度大于后一個(gè)位置，所以可以沿著旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2．3 磁力特性

通過ANSYS有限元軟件分析得到非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)裝置的磁場分布，可觀察到永磁驅(qū)動(dòng)輪和永磁從動(dòng)輪在磁場作用下所受到的扭矩。該非接觸式驅(qū)動(dòng)裝置中，永磁驅(qū)動(dòng)輪與永磁從動(dòng)輪所受的作用力是相互的。在仿真過程中，以永磁驅(qū)動(dòng)輪為參照物。圖5為永磁從動(dòng)輪的扭矩特性曲線，永磁從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)1周可分為12個(gè)周期，其沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其1個(gè)周期內(nèi)從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩由最大值減小到最小值然后增加最大值，且從動(dòng)輪的最大扭矩為0.2Nm；

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖一

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖二

圖5 驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪的磁盤扭矩

3 結(jié)語

本文提出了一種由永磁驅(qū)動(dòng)輪、永磁從動(dòng)輪組成的非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并利用有限元仿真的方法分析了永磁驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的磁場特性以及其力學(xué)特性。結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間可以產(chǎn)生連續(xù)的驅(qū)動(dòng)扭矩，且驅(qū)動(dòng)扭矩趨于穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的扭矩存在一定的波動(dòng)，且從動(dòng)輪受到的最大扭矩為0.2Nm。該研究方法為今后從不同永磁體布置形式、永磁體形狀、個(gè)數(shù)、距離等變量因子下提高非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性以及最大扭矩指明了研究方向。