基于Ansys Maxwell的非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真優(yōu)化研究

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）

隨著工業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展，非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)是一種新型的傳動(dòng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)力或力矩的無(wú)接觸傳遞，避免了剛性接觸與摩擦所帶來(lái)的能量損耗，將動(dòng)密封轉(zhuǎn)變成為靜密封，保證了工作介質(zhì)之間不相互滲透，實(shí)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(duì)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，它一方面，提高了原料運(yùn)輸?shù)睦眯?；另一方面，有效控制了有毒、有害、易燃易爆等化學(xué)介質(zhì)的泄漏對(duì)環(huán)境的污染，提高了生產(chǎn)過(guò)程的安全性，具有較佳的實(shí)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值。非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)將工程機(jī)械與電磁力學(xué)相結(jié)合，它利用電磁場(chǎng)能夠穿透過(guò)工作間隙或隔磁套薄壁的性質(zhì)來(lái)傳遞力或力矩，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)磁轉(zhuǎn)子裝置和從動(dòng)磁轉(zhuǎn)子裝置之間相互獨(dú)立。同時(shí)，非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且自帶過(guò)載保護(hù)機(jī)制，在對(duì)中安裝要求低、減震效果好等方面的優(yōu)勢(shì)大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及使用壽命，因此，也具有較高實(shí)用研究?jī)r(jià)值。本文提出，兩種非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，先在三維建模軟件solidworks中創(chuàng)建幾何模型，再利用ANSYS Maxwell軟件對(duì)兩種非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行磁力特性仿真，比較兩種機(jī)構(gòu)輸出磁轉(zhuǎn)矩的性能差異，從而為非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型的建立

1.1 工作原理

非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、永磁體、氣隙和旋轉(zhuǎn)軸組成，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪上包含磁體盤(pán)和永磁體。驅(qū)動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)源相連，磁體盤(pán)切割永磁體的磁感線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在磁體盤(pán)上產(chǎn)生渦流進(jìn)而產(chǎn)生了磁場(chǎng)阻礙原磁場(chǎng)的變化。驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間存在一定的氣隙間距，永磁體均勻鑲嵌在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的磁體盤(pán)上，永磁體采用軸向充磁，N、S磁級(jí)采用相互交替布置形式，磁通從磁極N出發(fā)，經(jīng)軸向通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪之間氣隙和導(dǎo)體部分，回到相鄰S極，在磁體上閉合形成回路。通過(guò)磁場(chǎng)之間的同性相斥異性相吸的相互作用使得作用在驅(qū)動(dòng)輪對(duì)從動(dòng)輪的力矩進(jìn)行了疊加，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩傳遞到從動(dòng)輪側(cè)。

1.2 幾何模型的建立

非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化后模型如圖1所示，它是由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪和永磁體組成。

圖1 兩種磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

模型中，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪是軸向上下放置，兩種方案的永磁體個(gè)數(shù)分別為12對(duì)和18對(duì)，其中12對(duì)永磁體之間的徑向夾角是10°，18對(duì)永磁體之間的徑向夾角是0°，永磁體均布在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪磁體盤(pán)的永磁槽上，驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪的氣隙間距為5mm。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題研究，作以下假設(shè)和簡(jiǎn)化，（1）零件材料各向同性，永磁體均勻磁化；（2）對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪和永磁體組成；（3）永磁體性能不隨溫度變化；（4）不考慮零件的振動(dòng)以及變形忽略部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)的變形。

1.3 材料模型的選擇與建立

非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用釹鐵硼作為永磁體的材料，此材料需要進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)置，其矯頑力為-880000A/m、剩磁Br=1.18T，在定義了永磁材料的磁性能后，還需要對(duì)其電導(dǎo)率進(jìn)行設(shè)置，在Bulk Conductivity（體積電導(dǎo)率）后輸人625000。永磁盤(pán)的材料設(shè)置為Steel 1010，設(shè)置被動(dòng)激勵(lì)源，band域和求解域Region設(shè)置為vacuum（真空）。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 磁場(chǎng)分析

利用ANSYS Maxwell有限元軟件，分別對(duì)兩種非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行磁特性仿真分析，得出磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖如圖2和圖3所示。兩種方案的仿真結(jié)果云圖空氣中有一定的磁力線，說(shuō)明系統(tǒng)存在一定的漏磁現(xiàn)象，也說(shuō)明驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的相互作用有一定的距離范圍。兩種方案仿真結(jié)果模型中，磁力線是由驅(qū)動(dòng)輪上的永磁體N極出發(fā)，經(jīng)過(guò)永磁鐵回到從動(dòng)輪S極，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的交互方向的前一個(gè)位置磁感應(yīng)強(qiáng)度大于后一個(gè)位置的，磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)兩個(gè)相互作用的磁場(chǎng)傳遞力矩，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以可以使從動(dòng)輪沿著旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖驗(yàn)證了本仿真設(shè)置的準(zhǔn)確性和本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的可行性。

圖2 方案1磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

圖3 方案2磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

2.2 磁力分析

通過(guò)ANSYS Maxwell有限元軟件分析，得到非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布云圖，可觀察到驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪在交互磁場(chǎng)作用下所受到的磁轉(zhuǎn)矩。該非接觸式驅(qū)動(dòng)裝置中，驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪所受的作用力是相互的。在仿真過(guò)程中，以驅(qū)動(dòng)輪為參照物。圖4為方案一中從動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的周期特性曲線，方案一從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周可分為12個(gè)周期，其沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其在一個(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，且方案一從動(dòng)輪的最大磁轉(zhuǎn)矩為1.25Nm；圖5為方案二中從動(dòng)輪磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的周期特性曲線，方案二從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周可分為18個(gè)周期，其沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其在一個(gè)周期內(nèi)從動(dòng)輪的磁轉(zhuǎn)矩由最大值減小到最小值然后增加最大值，且方案二從動(dòng)輪的最大磁轉(zhuǎn)矩為1.6Nm。

圖4 方案1驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩周期特性曲線

圖5 方案2驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩周期特性曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了兩種由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、永磁體、氣隙和旋轉(zhuǎn)軸組成的非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，先在solidworks軟件中創(chuàng)建三維幾何模型，并利用ANSYS Maxwell仿真軟件分析了驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的磁場(chǎng)特性以及其磁力特性，比較了兩種機(jī)構(gòu)輸出磁轉(zhuǎn)矩的性能差異。仿真結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪所受的作用力是相互的，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間可以產(chǎn)生連續(xù)的周期驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩趨于周期穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩存在一定的周期波動(dòng)，在一個(gè)周期內(nèi)，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩先由最大值減小到最小值然后再增加到最大值，其中方案一從動(dòng)輪的最大磁轉(zhuǎn)矩為1.25Nm，方案二從動(dòng)輪的最大磁轉(zhuǎn)矩為1.6Nm，方案二最大磁轉(zhuǎn)矩相比方案一增大28%，方案二永磁體體積相比方案一增大50%。從而可知方案二輸出的最大磁轉(zhuǎn)矩優(yōu)于方案一，但方案二中的永磁體個(gè)數(shù)、體積和成本也明顯高于方案一。該研究結(jié)果可為非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，可以考慮驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的永磁體布置形式、永磁體形狀、個(gè)數(shù)、間距等因素對(duì)非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。