磁粉性能對(duì)磁粉離合器特性影響分析研究

王 程 常思勤

1.南京理工大學(xué)，南京，210094 2.淮陰工學(xué)院，淮安，223003

0 引言

磁粉作為磁粉離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的工作介質(zhì)，其性能是影響磁粉離合器工作特性的重要因素之一。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)磁粉離合器磁粉材料進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了磁粉性能參數(shù)對(duì)磁粉離合器性能的影響，探索通過(guò)提高磁粉材料軟磁性能來(lái)提高磁粉離合器性能的工作途徑。

1 磁粉離合器工作原理及機(jī)理分析

1.1 磁粉離合器工作原理

磁粉離合器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主動(dòng)件、從動(dòng)件、磁粉、勵(lì)磁線圈等部件組成。當(dāng)勵(lì)磁線圈斷電時(shí)，主動(dòng)件旋轉(zhuǎn)，磁粉在離心力的作用下緊壓在主動(dòng)件工作表面上，與從動(dòng)件沒(méi)有接觸，磁粉離合器主動(dòng)件、從動(dòng)件處于分離狀態(tài)；當(dāng)勵(lì)磁線圈通入直流電時(shí)，磁粉在勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下連接成“磁粉鏈”，離合器依靠磁粉自身的結(jié)合力及磁粉與主動(dòng)件和從動(dòng)件工作表面之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

1.2 轉(zhuǎn)矩傳遞工作機(jī)理

磁粉離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小由工作面半徑、工作面面積、工作氣隙大小、磁粉性能等因素確定。磁粉離合器通電后，磁極對(duì)磁粉形成的電磁力為

式中，S為垂直于磁通的工作間隙總截面面積（工作面面積），m2；B為工作間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；H為工作間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A／m；μ為磁粉磁導(dǎo)率。

設(shè)磁粉間的摩擦因數(shù)為f，有效工作面積系數(shù)為λ，工作間隙數(shù)目為m，工作面半徑為r，則傳遞轉(zhuǎn)矩為

在磁粉離合器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，參數(shù)λ、f、S、r基本保持不變，取K＝λfr S／2，則式（2）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

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由磁路歐姆定律知

式中，U為激磁磁勢(shì)；N為線圈匝數(shù)；I為激磁電流，A；J為勵(lì)磁電流密度，A／mm2；A為勵(lì)磁線圈斷面面積，mm2；Ф為磁粉間隙的總磁通量；Rδ為工作間隙磁粉磁阻；Ri為磁路磁阻。

忽略邊路漏磁，此時(shí)

又有

式中，Lδ為磁粉間隙長(zhǎng)度。

由式（3）～式（6）可知，磁粉離合器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)固定后，磁粉的磁性能決定著磁粉離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞性能。

2 磁粉基本性能

2.1 磁性能

磁粉的磁性能與磁粉離合器工作特性密切相關(guān)，為保證磁粉離合器具有強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩傳遞能力和小的剩余空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，要求磁粉具有大的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率，小的矯頑力和剩磁。

材料化學(xué)成分是決定磁粉磁性能的首要因素，研究表明，在鐵中加入適量的鎳可以增大磁粉的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度，減小矯頑力；加入適量鈷可以使合金獲得大的磁感應(yīng)強(qiáng)度［5］。

磁粉松裝密度是影響磁粉磁性能的另一因素，磁粉松裝密度愈大，其顆粒間的空氣間隙愈小，其磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率就愈大，磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞能力就越強(qiáng)、越穩(wěn)定。文獻(xiàn)［6］研究分析了磁粉填充密度對(duì)磁粉磁性能的影響關(guān)系。研究結(jié)果表明，磁粉磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁粉填充密度的增加而增大，磁粉相對(duì)實(shí)材密度與相對(duì)實(shí)材磁感應(yīng)強(qiáng)度之間呈近似比例關(guān)系。

2.2 磁粉粒徑及其配比

磁粉粒徑及其配比對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能有著較大的影響。文獻(xiàn)［7］研究報(bào)道了磁粉離合器磁粉粒徑與傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。研究表明，受運(yùn)轉(zhuǎn)離心力影響，磁粉粒徑過(guò)大，會(huì)削弱磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞能力；磁粉粒徑過(guò)小，磁粉離合器工作間隙中連接的磁粉顆粒就會(huì)過(guò)多，使磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能不穩(wěn)定，磁粉的平均粒徑一般按其工作間隙的1／16來(lái)確定。文獻(xiàn)［8］對(duì)磁粉00Cr13NiMo進(jìn)行了配比試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，粒徑配比方法對(duì)磁粉松裝密度和磁性能產(chǎn)生一定的影響，采用正三角法配比可使磁粉獲得最佳的磁性能，從而提高磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能。

2.3 流動(dòng)性

磁粉流動(dòng)性對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能也有著較大的影響。通常采用標(biāo)準(zhǔn)漏斗法［9］測(cè)定磁粉流動(dòng)性。磁粉流動(dòng)性越好，磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞響應(yīng)越快，轉(zhuǎn)矩傳遞穩(wěn)定性也越好，磁粉離合器表現(xiàn)出來(lái)的轉(zhuǎn)矩傳遞性能就越佳［10］。磁粉流動(dòng)性與磁粉的球形度密切相關(guān)，球形度越高，磁粉流動(dòng)性就越好，有利于提高磁粉離合器的快速響應(yīng)性，磁粉球形度高還有助于減小磁粉與工作面間的摩擦，減少磨損，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩傳遞“磁粉鏈”，提升磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞能力和穩(wěn)定性。目前使用較多的是橢球形磁粉，國(guó)外磁粉產(chǎn)品粉體的70%呈土豆?fàn)睿?0%呈球形。

2.4 耐久性

磁粉耐久性是指磁粉在磁粉離合器臺(tái)架試驗(yàn)中磁粉離合器力矩降至初始值70%所用時(shí)間。耐久性越好，磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞穩(wěn)定性就越好。

磁粉離合器是靠磁粉間電磁力形成的摩擦力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩的一種磁力機(jī)械產(chǎn)品。在滑差運(yùn)行工況下，磁粉間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦損耗，因此，磁粉耐磨性要好，以保證磁粉離合器在長(zhǎng)時(shí)間的滑差工作狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。滑動(dòng)摩擦同時(shí)產(chǎn)生功率損耗熱量，因此，磁粉要有一定的耐熱性，要求磁粉在500～600℃的高溫下無(wú)明顯氧化，不燒結(jié)成團(tuán)，并且其磁性能在溫度變化范圍內(nèi)必須不改變，即具有良好的熱穩(wěn)定性，以保持離合器的性能穩(wěn)定。

3 仿真設(shè)計(jì)

3.1 分析方法

以麥克斯韋方程為理論基礎(chǔ)的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算是磁粉離合器設(shè)計(jì)工作的核心，常用方法有磁路法和場(chǎng)域法。磁路法是現(xiàn)有磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和設(shè)備普遍使用的工程設(shè)計(jì)方法，較成熟，但精度不高，只能用于近似設(shè)計(jì)。場(chǎng)域法是綜合考慮磁阻、漏磁、邊緣效應(yīng)、渦流損失等因素的影響，對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)分析的一種方法，但計(jì)算方法較復(fù)雜，多采用數(shù)值法求解，其中最具代表性的是有限元法數(shù)值計(jì)算方法。

3.2 磁粉離合器分析模型

3.2.1 幾何模型

磁粉離合器為典型的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為減少分析計(jì)算過(guò)程中的工作量，將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題來(lái)解決，同時(shí)根據(jù)磁粉離合器的具體特征，對(duì)其分析模型作必要的簡(jiǎn)化處理，建立的磁粉離合器主要磁路二維有限元幾何分析模型如圖2所示。

3.2.2 材料屬性

主動(dòng)件、從動(dòng)件、磁軛構(gòu)成磁粉離合器磁路，材料為10號(hào)低碳鋼。

磁粉離合器工作介質(zhì)（磁粉）中，鐵鈷鎳磁粉、鉻不銹鋼磁粉有著優(yōu)良的磁性能、耐熱性和耐磨性，得到普遍應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于納米晶軟磁材料的研究已取得了突破性成果，研究表明，鐵基納米晶軟磁合金具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、高熱穩(wěn)定性、小矯頑力等十分優(yōu)異的軟磁材料性 能［11－12］。 綜 合 考 慮，選 用 粒 徑 為 30μm、40μm、50μm三種不同規(guī)格的00Cr13NiMo、鐵鈷鎳、鐵基納米晶軟磁合金三種磁粉。忽略磁粉粒徑對(duì)磁性能的影響，三種磁粉的B－H曲線如圖3所示。鐵基納米晶軟磁合金磁粉B－H曲線根據(jù)其所對(duì)應(yīng)的實(shí)材材料磁特性按一定比例關(guān)系獲得，鐵鈷鎳、00Cr13NiMo磁粉B－H曲線通過(guò)試驗(yàn)獲得［5，8］。

3.2.3 邊界條件和激勵(lì)源

邊界條件應(yīng)用自然邊界和諾依曼邊界；激勵(lì)源線圈繞組端口面積為100mm2，激磁電流密度J為0～3A／mm2。

3.2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格剖分采用金字塔型剖分設(shè)置，在對(duì)求解參數(shù)和求解域網(wǎng)格能量誤差進(jìn)行設(shè)置后，利用系統(tǒng)自適應(yīng)剖分技術(shù)自動(dòng)求解剖分網(wǎng)格。

3.2.5 仿真結(jié)果與分析

圖4給出了采用不同磁粉材料的磁粉離合器特性仿真曲線。從圖4可以看出，鐵基納米晶磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞容量最大，00Cr13NiMo磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞容量最小。鐵鈷鎳磁粉離合器有著較寬的線性工作區(qū)間。00Cr13NiMo磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性曲線在工作區(qū)間內(nèi)明顯分為非線性區(qū)、線性區(qū)、飽和區(qū)三段，這是由00Cr13NiMo磁粉較小的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度引起的。當(dāng)激磁電流密度J為2.5A／mm2時(shí)，00Cr13NiMo磁粉達(dá)到飽和，磁粉磁導(dǎo)率下降，磁路磁阻增大，工作間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨J的增大而增大的趨勢(shì)減緩，出現(xiàn)圖4中00Cr13NiMo磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性曲線的飽和區(qū)，與實(shí)際工作情況相吻合。

圖5給出了磁粉粒徑分別為30μm、40μm和50μm的鐵鈷鎳磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性仿真曲線。從圖5可以看出，磁粉粒徑越小，磁粉離合器傳遞轉(zhuǎn)矩就越大。隨著粒徑的減小，磁粉在工作過(guò)程中所受離心力減小，使磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性更穩(wěn)定，適應(yīng)于高轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。但是，磁粉粒徑也不能無(wú)限制地減小，因?yàn)檫^(guò)小的磁粉粒徑會(huì)引起過(guò)小的工作間隙，從而影響磁粉在工作間隙中的流動(dòng)。

4 結(jié)論

（1）磁粉的磁性能與磁粉離合器特性密切相關(guān)。提高磁粉材料磁性能是提升磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能的一種有效手段。納米晶軟磁合金材料與其他軟磁材料的性能相比，有著更為優(yōu)異的綜合磁性能［12］。仿真分析結(jié)果表明，采用高性能納米晶軟磁合金磁粉可顯著提高磁粉離合器特性。

（2）磁粉粒徑對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能有著較大的影響。減小磁粉粒徑是提升磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能的一種有效手段，但磁粉粒徑也不能無(wú)限制地減小，要綜合考慮磁粉粒徑對(duì)工作間隙尺寸的影響以及磁粉粒徑在工作間隙中的流動(dòng)性等問(wèn)題。

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