盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)理的仿真研究

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）

1 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展，非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為一種新型的傳動(dòng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)力或力矩的無接觸傳遞，避免了剛性接觸與摩擦所帶來的損耗，將動(dòng)密封變成為靜密封，保證工作介質(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。非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用不僅提高了原料運(yùn)輸?shù)睦眯剩疫€可以有效控制了有毒、有害、易燃易爆等化學(xué)介質(zhì)的泄漏對(duì)環(huán)境的污染，從而提高了生產(chǎn)過程的安全性，具有較高的實(shí)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)開展了一系列研究，也取得一些成果。王凱開展了磁力聯(lián)軸器在磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、磁轉(zhuǎn)矩與磁渦損計(jì)算、傳動(dòng)性能影響因素分析以及磁熱流固多場耦合分析方面研究。于嬌等人根據(jù)盤式磁力耦合器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，利用Ansoft Maxwell 軟件對(duì)盤式磁力耦合器進(jìn)行三維建模和仿真分析，得出的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和渦流密度矢量驗(yàn)證了仿真設(shè)置的正確性，繪出了輸出轉(zhuǎn)矩與永磁體軸向長度、氣隙和導(dǎo)體盤厚度所能傳遞力矩的影響曲線。王昭等應(yīng)用COMSOL 軟件對(duì)盤式永磁耦合器進(jìn)行有限元三維瞬態(tài)建模，分析其渦流特性和電磁傳動(dòng)特性，并且分析了磁鐵材質(zhì)、磁鐵級(jí)數(shù)、氣隙間距對(duì)扭矩和軸方向受力的影響，得出相關(guān)的規(guī)律特性。此外，目前國內(nèi)外研究主要集中在非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和磁力特性分析方面。

本文提出一種由永磁驅(qū)動(dòng)輪、永磁從動(dòng)輪、永磁體、導(dǎo)體盤等組成的盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，首先利用三維建模軟件Solidworks 對(duì)其進(jìn)行幾何建模，再應(yīng)用電磁仿真軟件ANSYS Maxwell 對(duì)盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁特性仿真，分析其渦流損耗特性和電磁傳動(dòng)特性，從而為盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和后續(xù)優(yōu)化提供重要的參考。

2 磁力驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

本文提出一種新型盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，首先利用三維建模軟件Solidworks 對(duì)其進(jìn)行幾何建模，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。新型盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、導(dǎo)體盤、輸出軸、氣隙、永磁體等組成。其中驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)大致相同，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間是單獨(dú)隔離開的且存在一定的間距，永磁體分別均勻地鑲嵌在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的圓周方向上，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪上的永磁體采用徑向充磁，N 磁極和S 磁極相互交錯(cuò)地布置，磁通從N 磁極開始出發(fā)，從徑向方向通過驅(qū)、從動(dòng)輪之間氣隙和導(dǎo)體盤部分，后沿軸向經(jīng)過導(dǎo)體，再沿著徑向經(jīng)驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間氣隙回到相鄰S 磁極，從而在磁體上閉合形成回路。驅(qū)動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)軸直接連接，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在交互磁力矩影響下，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，就可以帶動(dòng)從動(dòng)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工作。

圖1 盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

3 理論基礎(chǔ)

3.1 麥克斯韋方程組

Maxwell 方程組描述了電磁場的基本特征，是研究電磁場相關(guān)問題的基本理論基礎(chǔ)，并能反映電磁場中各個(gè)物理量之間的關(guān)系。該方程是研究盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中電磁場分析計(jì)算的理論基礎(chǔ)，其微分形式表示為：

Maxwell 方程組可應(yīng)用于解決各類的電磁問題。由于位函數(shù)比較容易建立邊界條件，所以在電磁場數(shù)值分析中可以通過引入輔助函數(shù)，即位函數(shù)，從而減少未知數(shù)個(gè)數(shù)，使得求解問題得到簡化。位函數(shù)包含矢量磁位、標(biāo)量磁位，分別表示為：

式中，μ 為磁導(dǎo)率；σ 為電導(dǎo)率。

3.2 非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)基本原理

非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)是基于電磁學(xué)的基本理論，通過永磁材料或電磁所產(chǎn)生的磁力相互作用，來實(shí)現(xiàn)力矩或力的非接觸式傳遞技術(shù)。本文提出的盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有所不同，在盤式非接觸磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)部件與從動(dòng)部件傳遞的力矩或力是通過磁場中相互耦合作用力來實(shí)現(xiàn)，它是通過磁場透過磁場工作間隙或者隔離套來傳遞力或力矩，其驅(qū)動(dòng)部件和從動(dòng)部件之間可以實(shí)現(xiàn)無任何介質(zhì)接觸，實(shí)現(xiàn)液體介質(zhì)的零泄漏。

3.3 非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)和接觸式機(jī)械驅(qū)動(dòng)的區(qū)別

非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)和接觸式機(jī)械驅(qū)動(dòng)的最大不同點(diǎn)，是它們?cè)谙騻鲃?dòng)部件傳遞力矩和力時(shí)，是否是直接接觸傳遞的。非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)是利用磁場透過磁路工作間隙或隔離套來傳遞力矩和力。比如在化工行業(yè)中應(yīng)用的磁力驅(qū)動(dòng)泵和磁力驅(qū)動(dòng)攪拌反應(yīng)釜，它們就是采用磁力驅(qū)動(dòng)密封裝置后取消了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)泵、釜，非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)裝置把動(dòng)密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封。因此從根本上消除了傳動(dòng)軸密封處所產(chǎn)生的泄漏，解決了工業(yè)用泵、釜等設(shè)備一直存在的跑、冒、滴、漏和機(jī)械密封發(fā)熱、磨損等一系列問題，為安全可靠輸送或攪拌反應(yīng)有毒、易燃、易爆、腐蝕以及各種貴重介質(zhì)創(chuàng)造了條件。

3.4 有限元仿真理論分析

當(dāng)盤式非接觸磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，其整個(gè)空間是存在著電磁場。有限元法的求解過程是從偏微分方程出發(fā)，遵循變分原理，把電磁場邊值問題的求解轉(zhuǎn)化為泛函數(shù)極值問題的求解，再通過離散化處理，將變分問題轉(zhuǎn)化為多元函數(shù)的極值問題進(jìn)行求解。因此，在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，有限元法被較為廣泛地應(yīng)用于電磁場領(lǐng)域的數(shù)值模擬。

基于有限元原理的ANSYS、ANSOFT 等軟件的開發(fā)給電磁場相關(guān)研究領(lǐng)域帶來機(jī)遇，在ANSYS 仿真軟件中，其中電磁場分析模塊中有限元公式可由磁場Maxwell 方程組導(dǎo)出，其工作原理是將所研究對(duì)象劃分為有限個(gè)單元，再根據(jù)矢量磁勢或者標(biāo)量電勢求解一定邊界條件和初始條件下各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的磁勢，從而進(jìn)一步求解磁通量密度、電磁場儲(chǔ)能等相關(guān)量。ANSYS Maxwell 仿真分析具體的操作步驟，如圖2 所示。因此，本文在盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過程中，利用ANSYS Maxwell 有限元仿真軟件對(duì)盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝置進(jìn)行磁特性和力特性仿真分析，以獲取永磁驅(qū)動(dòng)輪和永磁從動(dòng)輪的工作狀態(tài)，以及永磁驅(qū)動(dòng)輪和永磁從動(dòng)輪之間傳遞的扭矩關(guān)系。

圖2 仿真分析具體的操作步驟

4 磁特性分析

4.1 有限元分析模型

對(duì)盤式非接觸式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡化處理，有限元模型由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪和永磁體組成，如圖3 所示，采用釹鐵硼作為永磁體的材料，此材料矯頑力需單獨(dú)設(shè)置為-880000A/m、剩磁設(shè)置為Br=1.18T，由于是永磁體是徑向充磁，所以材料坐標(biāo)系設(shè)置為cylindrical，材料屬性設(shè)置為R Component，從而材料坐標(biāo)系的徑向分量設(shè)置為1，表明永磁體磁化方向?yàn)閺较蛘较?，反之徑向分量設(shè)置為-1 時(shí)，則表明永磁體磁化方向?yàn)閺较蜇?fù)方向。設(shè)置被動(dòng)激勵(lì)源，band 域和求解域Region 設(shè)置為vacuum（真空）。

圖3 盤式磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元模型

4.2 基本假設(shè)

（1）非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁場分布計(jì)算是一個(gè)非線性問題。力矩和力傳遞的物理過程主要發(fā)生在氣隙間隙中，由于氣隙間隙與磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸向尺寸相比足夠小。忽略端部效應(yīng)的影響，近似認(rèn)為同一位置的氣隙磁場沿軸向沒有變化，因此可以用氣隙平均厚度處的磁場來等效氣隙磁場。

（2）導(dǎo)體盤的厚度與其他兩個(gè)方向上的尺寸相比很小，所以在導(dǎo)體盤內(nèi)部產(chǎn)生的渦流主要是由氣隙磁場的軸向分量引起的，考慮氣隙磁場的軸向分量，并計(jì)算其在導(dǎo)體盤內(nèi)部所產(chǎn)生的徑向電場和徑向渦流。

（3）忽略渦流在導(dǎo)磁盤軸向的趨膚效應(yīng)影響。

（4）永磁體沿軸向均勻磁化。

（5）只計(jì)算原交變磁場在導(dǎo)體盤內(nèi)所產(chǎn)生的渦流，忽略渦流產(chǎn)生的附加交變磁場在導(dǎo)體盤內(nèi)產(chǎn)生的渦流。

4.3 磁場特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元軟件，對(duì)盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)裝置的模型進(jìn)行磁特性分析，在盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)裝置中，永磁體提供了穩(wěn)定的靜態(tài)磁場，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪保持相對(duì)靜止時(shí)，永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場不會(huì)被切割，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間不會(huì)產(chǎn)生扭矩。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的靜態(tài)磁場會(huì)產(chǎn)生切割，從而會(huì)在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的永磁體內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向渦流，并且由于相連永磁體的磁極方向是相反的，因此在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的永磁體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的相鄰渦流，如圖4 所示。驅(qū)動(dòng)輪中永磁體的剩余磁通在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)使從動(dòng)輪永磁體產(chǎn)生渦流，從動(dòng)輪內(nèi)形成的渦流會(huì)產(chǎn)生新磁場，其方向大致垂直于從動(dòng)輪，相鄰渦流產(chǎn)生磁場的方向是相反的。從動(dòng)輪上永磁體感應(yīng)產(chǎn)生的磁場分布與驅(qū)動(dòng)輪中永磁體形成的磁場分布類似，如圖5 所示。

圖4 渦流密度分布圖

圖5 磁通密度分布圖

4.4 磁力特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元軟件對(duì)盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行磁力特性仿真分析，得到其磁場分布，可觀察到驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪在非接觸磁場力作用下所受到的磁扭矩。在該盤式非接觸式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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。在電磁仿真分析過程中，以永磁驅(qū)動(dòng)輪作為參照物，永磁從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一周可看作為8個(gè)周期，其沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)從動(dòng)輪的磁扭矩輸出是由最小值增大到最大值然后減少到最小值，且從動(dòng)輪的最大輸出磁扭矩為0.95N·m，圖6 為永磁從動(dòng)輪扭矩輸出特性曲線。

圖6 從動(dòng)輪扭矩輸出曲線圖

5 結(jié)語

本文提出了一種由永磁驅(qū)動(dòng)輪、永磁從動(dòng)輪組成的盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，首先利用三維建模軟件Solidworks 建立其幾何模型，再將模型導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS Maxwell 中進(jìn)行電磁仿真，分析了永磁驅(qū)動(dòng)輪和永磁從動(dòng)輪之間的磁場特性和磁力特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪中永磁體的剩余磁通通過空間耦合使從動(dòng)輪中永磁體產(chǎn)生渦流，從動(dòng)輪中永磁體產(chǎn)生的磁場與驅(qū)動(dòng)輪中永磁體形成的磁場方向相反，驅(qū)動(dòng)輪中永磁體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)使從動(dòng)輪中永磁體產(chǎn)生磁扭矩，從而永磁驅(qū)動(dòng)輪和永磁從動(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)輪工作的扭矩存在一定的波動(dòng)，且從動(dòng)輪的最大輸出磁扭矩為0.95N·m。該研究方法可為今后從永磁體布置形式、永磁體形狀、永磁體級(jí)數(shù)和氣隙間距等方面對(duì)盤式非接觸式磁力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。