（化工过程机械专业论文）聚磁式磁力传动器的性能分析与结构优化.pdf

东北大学硕士论文 摘要 聚磁式磁力传动器的性能分析与结构优化 摘要 磁力传动器是应用现代磁学原理，来实现力和力矩空间无接触传递的一种装置， 其最大的特点在于内、外磁转予之间无连接因此能够化动密封为静密封，实现了 零泄漏。现在，磁力传动器已经广泛应用于石油化工、原子能、食品、真空、低温、 环保等领域。 本文根据聚磁技术的原理，在组合推拉式磁路的基础之上，提出了磁力传动器 的聚磁式磁路结构，并阐述了聚磁式磁力传动器的整体设计理论。 文章从电磁场的基本理论出发，建立磁力传动器的物理模型和数学模型，利用 大型有限元分析软件a n 趴馋对聚磁式磁力传动器进行了磁场分析和扭矩计算，并与 组合推拉式磁力传动器的性能进行比较，与此同时结合实验来进一步的验证，结果 发现对于相同的外形尺寸，其扭矩值单位长度( 米) 内增大了约3 0 - - 4 0 。 文章中通过大量的计算，对聚磁式磁力传动器的结构参数( 磁极数，轭铁厚度， 永磁体厚度，气隙厚度，侧向小磁体的大小及极化的方向等) 进行了优化，有利于 磁力传动器实际参数的选择和加工、制造，从而最大程度的发挥磁力传动器性能。 此外，通过实验的方法，对磁力传动器的启动特性进行了研究，进一步分析了 磁力传动器脱耦的原因，提出了采用延时启动来解决磁力传动器脱耦的方法 通过本论文的研究，提出了聚磁式磁路的磁力传动器，从理论和实验上证明了 新型磁路的磁力传动器性能的提高，增大了磁力传动器的传动扭矩，减小了磁力传 动器的外形尺寸，符合现代机械向着大扭矩、高转速、小型化方向发展的趋势，同 时本文对于大功率的磁力传动器的研究更具有着重要的意义。 关键词磁力传动器聚磁磁扭矩a n s y s i i 东北大学硕士论文 摘要 t h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h e f l u xc o n c e n t r a t i o ns t y l em a g n e t i cc o u p l e r a b s t r a c t t h em a g n e t i cc o u p l e ri se m p l o y e df o rn o n - c o n t a c tt r a n s m i s s i o nd g v i c et ot r a n s f e r f o r c em dt o r q u ea c c o r d i n gt ot h em a g n e t i ct h e o r y t h e 幽a r yc h a r a c t e ro fm a g n e t i c c o u p l e ri st h a tt h e r ei sn oc o n n e c t i o nb e t w e e no u t e rr o t o ra n di n t e rr o t o r , 8 0i tc a r lc h a n g e m o v i n ga i r p r o o fi n t os t a t i ca 卸r o n fa n dr e a l i z et h ez e r ol e a k a g e n o w m a y s ，i ti sw i d e l y u s e di nt h ef i e l d so fp e t r o c h e m i c a l ，a t o m i cm e r g y , f o o d , v 觞u u i d ，l o wt e n l p e r a t u r e , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , a n ds o0 1 1 i n t h i s p a p e r , a c c o r d i n s t o t h e t h e o r y o f f l u x c o n c e n t r a t i o n , t h e f l u xc o n c m t r a t i o ns t y l e m a g n e t i cc o u p l e ri sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h ea s s e m b l e dp u s h - p u l ls t y l em a g n e t i cr o u t e t h ed e w c o u p l e r sw h o l ed c s i g nt h e o r yi si n t m d u c e d a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i ca n dt h ep r a c t i c a ls t r u c t u r eo fd e w s t y l e m a g n e t i c c o u p l e r , t h e p h y s i c a l m o d e la n d m a t h e m a t i c a l m o d e l 躺c r e a t e d i n t h e p a p e r t h es o f t w a r ea n s y si su s e dt oa n a l y s i st h en e wm a g n e t i cc o u p l e r sm a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o na n di t sp e r f o r m a n c e , c o m p a r e dw i t ht h ea s s e m b l e dp u s h - p u l ls t y l em a g n e t i c c o u p l e r sc h a r a c t e r a tt h e s a m et i m e 1 0 t so f e x p e r i m e n t sa r ed o n et ov a l i d a t et h ec o u p l e f s p e r f o r m a n c e , f i n d i n g t h a tt h et o r q u ei si n c r e a s e db y3 0 - - 4 0 e a c hu n i t ( m e t e r ) t h ec o l l 丘舭砸o np a r a m e t e r so ft h ef l u xc o n c e n t r a t i o ns t y l ei n a 盟甜cc o u p l e r ( n u m b e r so fp o l e s ，t h i c k n e s so fy o k e ，t h i c k n e s so fm a g n e t , t h i c k n e s so fg a s - g a p ，t h es i z e a n dt h ep o l a r i z ed i r e c t i o no ft h el i t t l em a g n e t s ，a r eo p t i m i z e dt h r o u g ha 删d e a lo f c a l c u l a t i o ni nt h ep a p e r t h i si sb e n e f i tt ot h ec h o i c eo fn 鲫c o u p l e r sp a r a m e t e r sa n d p r a c t i c a lm a c h i n i n g ，m a k i n g ，w h i c hc a n e x e r tt h ec o u p l e r sp e r f o r m a n c e 鳓t l y b e s i d e s ，t h es t a r t i n gc h a r a c t e ro fm a g n e t i cc o u p l e ri ss t u d i e dl i j t h e rb ye x p e r i m e n t t h er e a s o no fd o f f i n gi sa n a l y z e da n dt h em e t h o do f p r o l o n g i n gs t a r t i n gi sb r o u g h tf o r w a r d t os o l v et h ep m b l e m h lt h es t u d yo ft h i sp a p e r , t h ef l u xc o n c e n t r a t i o ns t y l em a s n 曲cc o u p l e ri sb m u g h t f o r w a r d t h ed e wm a g n e t i cc o u p l e r sp e r f o r m a n c ep r o v e dt ob ei m p r o v e dt h r o u g ht h e o r y a n de ) c p e f i e n c e i t st r a n s f e rt o r q u ei si n c r e a s e da n di t so l l t 茁s i z e 啪b ed e c r e a s e d 。t h i si s a c c o r d i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t a ll r e n do f m o d e mm a c h i n e ：l a 学t o r q u e , h i g hr o t a t es p e e d ， m i n i a t u r i z a t i o n a tt i l eg a m et i m e 。t h ep a p e ri so ft h ei m p o r t a n tm e a n i n gt ot h es t u d yo n h i g h - p o w e rm a g n e t i cc o u p l e r i i i 东北大学硕士论文摘要 k e yw o r d sm a g n e t i cc o u p l e r f l u xc o n c e n t r a t i o n m a g n e t i ct o r q u e a n s y s 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示谓 意。 本人签名：互欤凄嘻、 日期：2 叻乡、2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 查! ! 垄堂堡主堡墨 苎二主竺丝 第一章绪论 1 1 磁力传动器的原理和结构 1 1 1 磁力传动器的基本原理 磁力传动是应用现代磁学原理，依据磁体的超距特性，即同极相斥、异极相吸 的原理，来实现力和力矩空间无接触传递的一种技术，丽实现这一技术的装置称为磁 力传动器，或称为磁力驱动器、磁力耦台器、磁力联轴器。它的主要特点是内、外磁 转子之问无刚性连接，从而可以将内磁转子和被驱动件完全封闭起来，化动密封为静 密封，实现了零泄漏。现在，磁力传动器已经广泛应用予石油化工、原子能、食品、 真空、环保等领域。 1 1 2 磁力传动器的结构 目前磁力传动器广泛采用的结构主要有两种：平面圆盘型和同轴圆筒型，其结构 均由内、外磁转子基体，耦合磁极及隔离套几部分组成。内转子基体与被驱动件( 泵 或风机等) 相连，外磁转子与动力件( 电机) 相连，耦台的磁极分别镶嵌在内、外磁 转子的基体上，而隔离套将其内、外磁转子隔离开，从而达到了密封传动的作用。 ( 1 ) 平面圆盘型 该结构的磁力传动器主要特点是磁体以轴向充磁，耦合磁极呈轴向配置，分别固 定在内、外磁转子的基体上，主动部分和从动部分基本上相同，图1 1 显示了平面圆 盘型磁力传动器的结构。 盘型磁力传动器的结构。 图1 1 平面圆盘型磁力传动器 f i g 1 1 p l a n ed i s c a _ ls t y l em a 鲫n i cc o u p l e r 东北大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 同轴网简型 该结构的磁力传动器的特点是磁体的极化方向以径向充磁，耦合磁极成径向配 置，分别相对应的安装在内、外磁转子的基体上，中间通过隔离套将内、外磁转子隔 离开，其结构如图1 2 所示。 图1 , 2 同轴圆筒型磁力传动器 f i g 1 2 c o a x i a lc y l i n d e rs t y l em a g n e t i cc o u p l e r 本文所涉及的聚磁式磁力传动器均指同轴圆筒型磁力传动嚣，其结构也包括内 外、磁转子基体、耦合的磁极以及隔离套这几部分组成。 1 2 磁力传动器的特点及应用 1 2 1 磁力传动器的特点叭2 3 】 ( 1 ) 化动密封为静密封，实现零泄露 磁力传动器是利用磁场之间存在磁力作用的特性而研制成功的，因此不需要内、 外磁转子之间有相互接触或连接。当主动轴转动时，在磁力的作用下，从动轴也随之 转动，容器内外不需要贯穿轴或杆，因而不会因运动的传递而破坏器壁的密封，所以 具有消除了动密封的优点，实现了零泄漏，无摩擦、磨损，无介质污染，也没有润滑 的要求，被广泛的应用在对密封有特殊要求的场合，这一特点是磁力传动器最重要的 特性。 ( 2 ) 避免高频振动的传递，使运动的传递更平稳 由于主动件与从动件之间无刚性连接，从动方面运动的突变或振动，也不会直 接影响主动部分。这样避免了主动、从动部分振动的相甄干扰，使得整个装置运转平 稳、可靠，这样即便纯粹作为联轴器使用也有利于运动的传递。 ( 3 ) 具有过载保护的功能 磁力传动器的主动部分与从动部分之间无刚性连接，在设计时使最大传递扭拒 2 东北大学硕士论史第一章绪论 稍大于工作扭拒，这样当从动部分的负载扭拒突然变大，超过最大传递扭拒时，从动 部分与主动部分便会滑脱，结束传动，从而避免了从动部分在不正常的条件下工作( 如 轴抱死、扫膛) 而损坏，对原动机( 电机) 起到了过载保护的作用，防止了原动机的 损坏。 ( 4 ) 与刚性联轴器相比，安装、调试、拆卸简单，维修方便 磁力传动器的主动转子与从动转子无接触，彼此独立，并且与隔离套间均有一 定的间隙，使得安装、调试、拆卸简单，维修方便，对中性要求不是太高，减小了工 人的劳动强度，提高了劳动效率。 ( 5 ) 不适于作精确同步传动使用 磁力传动器的启动过程是一个振荡过程，主动转子的转角、从动转予的转角及 两者之间的转角差均随着时间而变化，从而导致了主动转子与从动转子间的相互错 动，从动部分随主动部分的运动略有滞后，故不适于作精确同步传动使用。 ( 6 ) 隔离套中有涡流损失 磁力传动器在实现密封的作用时，需在内、外磁转予间加上隔离套，若隔离套 为金属材料，那么当内、外转子同步旋转时，金属隔离套便处在一个正弦交变的磁场 中，磁场不但大小变化，而且方向也在变。由于磁通量随时间变化，导体在垂鱼于磁 力线方向的截面上感应出环形电流，即产生涡流。涡流效应一方砸减弱了原来的工作 磁场，降低了传递扭矩：另一方面产生涡流损耗，并以焦耳热的形式释放能量，消耗 了轴功率，降低了传递效率。 ( 7 ) 工作场合受到一定的限制 由于永磁体具有高温退磁的性质，所以其工作温度受到一定的限制，同时由于磁 体本身超强的磁性能，因而不能用在有大量铁屑的场合，也不易于工作在有避免磁场 干扰的仪器设备中。 ( 8 ) 磁力传动器成本价格较高 由于磁性材料，尤其现在稀土永磁材料的价格相对来说较贵，同时磁力传动器对 材料的机械加工和装配工艺要求较高，所以相对于普通的刚性联轴器来磁力传动器说 成本价格较高。 1 2 2 磁力传动器的应用 基于磁力传动器的优点，现在它已经广泛的应用在石油化工、食品、制药、航空、 真空传动、航天及环境保护等领域中，应用的范围越来越广。主要表现在以下几个方 面。 3 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 2 2 1 磁力泵 磁力泵是磁力传动器的一个最典型的应用，也是磁力传动器应用地最多、经济效 益最好的一种。磁力泵最早是在1 9 4 7 年由英国人提出并试制成功的，以后其它国家 相继制造出这种产品 4 】。磁力泵结构如图1 , 3 所示，它是由泵体、磁力传动器、驱动 电机三部分组成，通俗一点说就是把原来用电动机直接驱动泵的传动轴切断，加入磁 力传动器，由电机直接带到磁力传动器的外转子，外转子上的磁体的磁场通过隔离套 作用于内转子磁体上，驱动泵工作，从而达到了将泵与动力部分隔离开，把原来容易 磨损的动密封变成了静密封，实现了无摩擦、无泄漏的动力传动1 5 1 。目前国、内外对 于磁力泵的研制技术基本上已经达到了成熟阶段，其驱动功率从小的几千瓦到大的上 百千瓦都有成熟的产品【6 0 ”，在一些文献中均有介绍。 1 泵2 磁力传动器3 电机 图1 3 磁力泵 f i g 1 3m a g n e t i cd r i v ep t h l 单 1 2 2 2 磁力传动阀门 阀门是流体输送管道的重要组成部分，一套大型成套装置中，阀门的投资约占 设备总投资3 珩_ 5 。现代工业生产对阀门提出了更加绝对可靠的要求。密封是阀门 的生命，目前运行中的阀门，阀杆的泄漏极为常见，泄漏不仅造成系统的莲力损失， 流体的浪费，对于腐蚀陛、易燃易爆性、有毒性流体的泄漏会带来灾难性的后果。磁 力驱动全密封n i j 是近年来在阀门产品中发展起来的一种新型产品【”，它应用磁力传 动的原理，阀杆无需伸出阀盖，传动轴与阀杆问靠永磁体的推拉磁路实现同步转动， 两者之间用隔离套隔开，介质位于一个密闭空间内。淘汰了填料函，减少了阀杆的摩 擦力矩，实现了绝对密封。磁力驱动全密封阀门具有运动灵活，密封性好，安全性好， 以及使用寿命长等优点，尤其适用于石油、化工、制药、军工等行业的易燃、易爆、 腐蚀、有毒等有污染的生产环境中。目前在结构上已经出现了管式结构、筒式结构以 及平面式结构等等，图1 4 为一磁力传动球阀的结构刚”l 。 4 东北大学硕士论文 第一章绪论 5 箨猫韩予；6 黼离套；7 倦动辅；s 瓣盏 图1 4 磁力传动球阀 f i g 1 ，4m a g n e t i cd r i v eb a l l - v a l v e 1 2 2 3 磁力传动反应釜 1 2 、1 3 】 随着石油化工、有机合成和医药工业的发展，对其广泛使用的搅拌反应釜的要 求就越来越高。些易燃易爆、有毒、贵重的介质的操作，要求做到绝对没有泄漏。 而过去常用的填料密封和机械密封都不能满足这一要求，而磁力传动器在反应釜上的 应用则可以解决该方面的问题，它不仅具有传动扭矩大、启动电流小、运行平稳安全 等优点，而且还可以避免反应介质的氧化和冷凝。图1 5 是磁力传动反应釜的结构简 图。 l 电埔枫2 辨谶转予，内麓转予 - 搅拌器5 隔离套 图1 5 磁力传动反应釜 f i g 1 ，5m a g n e t i cd r i v er e a c t i o n k e t t l e 1 2 2 4 磁力传动技术在真空系统中的应用【l 4 、1 5 在各种真空设备中，把运动传递到真空容器中所需要的密封连接，称为真空动 密封连接。真空动密封连接的实例很多，如各种容积式真空泵主轴的动力输入，真空 阀门的开启与关闭，真空冶金设备的送料、拉锭、浇注，真空镀膜机工件架的旋转， 分予束外延设各样品的输送等。由于真空动密封连接，特别是超商真空动密封连接在 其工作中必须保证外界环境不向真空容器内漏气，因此在各种真空动密封连接结构 中，磁力驱动真空动密封因其具有零泄漏的独特优点，近年来得到了越来越广泛的应 用。磁力驱动用于真空动密封的特点是：磁力驱动真空动密封对真空容器内的真空度 几乎没有影响，可以达到零泄漏。动力输送轴与真空容器壁不相接触，变扭矩传递的 动密封为静密封，密封性可靠。在传送运动过程中除密封隔离套受压差影响外，不承 受其它载荷影响。密封件之间无运动摩擦，不但消除了对真空容器内的污染，而且也 5 东北大学硕士论文 第一章绪论 消除了摩擦功耗。目前在该方面已经取得很大的成就，我国第一台分子束外延设备上 采用了旋转与直线运动的复合运动式磁力驱动装置；我国生产柬源，快速换片型分子 束外延设备上采用旋转与直线运动的复合运动磁力驱动装置。近年来在真空储存、真 空粉碎、真空切片、真空干燥以及真空搅拌等方面的应用发展较迅速，特别是在食品、 酿造、制药等行业的应用更为显著。 】2 2 5 磁力传动技术在环境保护上的应用 环境问题是现代工业生产中尤其重视的问题，在石油化工、制药、海上油井作 业、有色金属冶炼、食品等行业的生产流程中，为了确保其密封性的良好，在各种物 料的输送过程中，要求其动力输送设备不能够有泄漏，因此在环境保护方面磁力传动 被广泛的应用，从而解决了密封、泄漏问题，防止了环境污染。 1 3 磁力传动器的发展历史及现状 1 3 1 磁力传动器的发展历史 1 _ 3 1 1 磁力传动技术的探索阶段 磁力传动技术早在二十世纪三十年代就已经被人们所提出，但是由于当时对这 一技术缺乏足够的认识，只是处于探索阶段，而且受当时所使用的磁性材料性的影响， 制约了磁力传动器的发展。尽管科研人员进行了大量的实验研究，但终未取得较大进 展。从五十年代开始，世界许多国家如日本，德国又对这一技术开始了进一步的研究， 到1 9 5 9 年日本首先提出了了简易型磁力传动器( 分散型，八根条的传动方式) ，磁路 的形式为间隙分散式，磁体按一定的间隙分散排列，磁体与磁体之间有隔块，这种磁 路的磁力传动器结构尺寸大，功率消耗大，产生的扭矩小，而传递功率小。所以当时 人们仍然没有将磁力传动技术应用至实际中去，但是人们对磁力传动技术及产品有了 一定的认识，探索出了简易型的磁力传动产品【2 l 。 1 3 1 - 2 磁力传动技术的发展阶段 到1 9 6 4 年至1 9 7 4 年间，随着磁性材料的发展，铝镍钴和铁氧体永磁材料被应 用到磁力传动器中，这两种磁性材料的性能较低，其中铝镰钴的最大磁能积有1 0 - - 8 0 k j m 3 ，而铁氧体的最大磁能积也仅有7 - - 3 8 k j m 3 悯，但是铁氧体的矫顽力比铝镍 钴的大很多，有利于避免磁性材料退磁。结合这些磁性材料的特点，德国瑞伯公司、 法国的莱伯公司当时研制出了较为成型的分散式的磁力传动器。并在国际上进行宣 传、推广，在实际中也得n t 应用，其磁力驱动泵的开发和研究成为当时发展这一技 术的重要课题。但是该时期的磁力传动器还是由于磁性材料的影响，使得磁体易退磁， 占用的空间大，传动效率低，而且造价和维修费用较高。 6 东北大学硕士论文 第一章绪论 七十年代后期随着现代工业的进步和发展，工业生产中日益出现对新技术的需 求和对环境的保护，西方发达国家还相继制定了严格的环境保护和产品可靠性等法 规，促进了新技术、新产品的发展。磁力驱动技术也在这一段时期内被科研人员所重 新重视和关注，引起了进一步的研究。同时稀土永磁材料钐钴l ：5 、钐钴2 ：7 及钕 铁硼的出现为磁力传动器的进一步发展提供了一个先决条件。钐钴材料的最大磁能积 可达到2 4 0 k j m 3 ( 3 嘶帕o e ) f l ”，而且钐钴具有很好的温度性能，可以工作在2 5 0 或更高一点的温度环境( 应用设计合理时) ，温度系数也很低；而1 9 8 3 年问世的第三 代稀土永磁钕铁硼的最大磁能积则达到了4 4 4 k j m 3 ( 5 5 m c , - o e ) 婚 。材料性能的大大提 高使得磁力传动器的发展成为了可能，出现了组合推拉式的磁路结构，使得磁力传动 器的体积减小，磁体的磁能利用好，漏磁少，传动的扭矩也得到了很大程度的提高， 相对于铁氧体永磁材料制成的磁力驱动器重量相差很大，传递的力矩则提高了3 4 倍，目前其最大的传递功率已经达到了4 0 0 k w l ”。另外，由于碳化硅( 陶瓷) 滑动轴承 等材料的应用，使得磁力传动器的使用寿命得到了大幅度的提高。由于技术上的突破 和设计与工艺等方面的改进，使磁力传动器的可靠性和经济性均有较大的提高，因此 进入八十年代后，磁力驱动技术，尤其是磁力泵在工业上的应用迅速发展，已经成为 石油、化工制药、等许多领域中常用的设备。 1 3 2 磁力传动技术的现状 目前，磁力传动器在结构上基本上仍然采用组合推拉式的磁路结构，而间隙分 散式的磁路结构则已被淘汰。同时，由于磁性材料发展到现在已经处于了一个饱和的 状态，因此国内外的一些科研人员基本上都从磁路方面上对磁力传动器的研究进行进 一步的突破，如已经出现了紧密排列、单行聚磁排列、多行聚磁排列以及渐交式的磁 路等等【“2 1 ，纷纷应用到磁力传动器中去，从而来达到增大传递扭矩，提高磁力传动 器的性能。而在磁力传动器的应用方面上，还是磁力泵的应用最为广泛。目前，国际 上磁力泵发展最快的是德国、英国、日本、美国等国家，日本主要在7 5 k w 以下的 小功率产品处于领先地位，特别是塑料泵，工艺质量都很好：德国已发展到3 0 0 k w 英国h m d 公司近年研制的两级磁力驱动泵，输送介质温度达到2 5 0 ，功率达 3 5 0 k w ；我国对于磁力泵的研究在一定方面也已经达到了国际领先的地位，尤其以甘 肃省科学院磁性器件研究所为代表，已经先后成功的研制了稀土钴磁力驱动器和磁力 驱动泵的系列产品，其驱动功率最大可达到了2 0 0 k w 【l 】，一些生产各种泵的厂家也在 搞磁力驱动泵的研制和工业上的应用。总的来说，现阶段磁力传动器的发展趋势是从 小功率向大功率的方向发展。 7 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 4 本课题的研究内容、目的及意义 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 根据聚磁技术的原理，利用永磁体高的矫顽力，在组合推拉式磁路的基础上， 提出了磁力传动器的聚磁式磁路结构，同时对聚磁式磁力传动器的整体设计体系进行 了阐述。 ( 2 ) 依据电磁场的基本理论，结合磁力传动器的基本模型，应用大型有限元分析 软件a n s y s 对聚磁式磁力传动器进行磁场分析和扭矩计算，并结合具体的试验数据 与组合推拉式的磁力传动器性能进行对比分析，从而来验证聚磁式磁力传动器性能是 否优于组合推拉式的磁力传动器。 ( 3 ) 通过大量的计算，在有限元软件a n s y s 中实行参数化设计，研究聚磁式磁 力传动器的结构参数对磁力传动器的性能的影响，并进行分析，得出各种参数的最优 化选择，从而最大程度的发挥磁力传动器的性能。 ( 4 ) 结合工厂中磁力传动器启动过程中出现的实际问题，对磁力传动器脱耦现象 进行了分析，进一步阐述了脱耦的原因，同时提出了解决方法。 1 4 2 本文研究的目的及意义 本文研究的目的是根据聚磁技术的原理，在组合推拉式磁路的基础之上，提出 了磁力传动器的聚磁式磁路结构，并对该种磁路的磁力传动器其进行磁场分析和扭矩 计算。从理论和实验中与组合推拉式磁力传动器的性能进行对比，验证了新型磁力传 动器性能的提高；并且在此基础之上，对新型磁力传动器的结构参数进行优化选择， 从而有利于结构参数的确定，便于实际的加工和制造。 现代机械朝着大扭矩、高转速、小型化方向发展。对于磁力传动器来说，目前 的发展趋势也是由小功率向大功率方向发展，对传递扭矩的要求越来越大，来满足电 机的输出功率，从而达到负载的正常运转。本文所研究的意义也就是建立在此基础之 上。目前，对于磁力传动器的发展现状来说，其最大的传递功率在3 0 0 k w - - 4 0 0 k w 之间，而且对于这一功率范围内的磁力传动器在研究技术上还存着一定的不足，如需 要的永磁材料性能要求高，磁极之间的漏磁要比较小，力求单位质量内传递的扭矩要 大；在结构参数、外形尺寸的确定上有一定的难度，增大传递扭矩的则必定会增大磁 力传动器的外形尺寸，这些都会增加磁力传动器的成本以及增加技术上的难度。而通 过本文的研究，阐述了聚磁式磁力传动器的整体设计理论，从理论和实验中验证了新 型磁力传动器的性能有了很大黻的提高，在增大了传递扭矩的同时，仍然没有改变 磁力传动器的外形尺寸。综上所述，本文的研究对于新型磁路的磁力传动器的研究， 尤其是对于大功率的磁力传动器的研制具有着重要的意义。 8 东北大学硕士论文 第二章聚磁式磁力传动器的设计 第二章聚磁式磁力传动器的设计 2 1 聚磁技术概论 自六十年代以来国内外都开始注重研究聚磁技术，所谓的聚磁技术就是巧妙的运 用永磁体和导磁体的各种排列，尽量使更多的磁通量汇聚到工作气隙中去，使气隙的 磁场强度增大【1 ”。在高矫顽力的永磁体问世以前，在各种低矫顽力的金属永磁材料 的磁路结构中，人们也曾想尽力使磁通量集中到工作气隙中去，但由于矫顽力低，一 方面造成永磁体的退磁，另一方面造成了大量的漏磁，所以聚磁效果不好。 自今为止，只发现超导材料在超导态时表现出绝磁的性质，磁力线不能进入超 导体内部，而般物体在正常状态下都是导磁体，磁力线可以进入一般物体内部，因 此在常温下没有绝磁物质可以帮助汇聚磁力线。为了把尽可能多的磁通量汇聚到工作 气隙中，只有依靠高矫顽力的永磁体，这种永磁体能受得住较强的退磁场，它发出的 磁力线不仅可以进入工作气隙，而且还能使其它永磁体的磁力线受到一定的约束，更 多的进入工作气隙，聚磁技术的基础正是最普通的同极相斥和异极相吸。而现在商矫 顽力的稀土永磁材料的出现为聚磁技术的发展提供了一个必要的条件。图2 1 显示了 一个采用聚磁原理的小例子弘。 图2 1 聚磁式磁路示例 f i g 2 1 ae x a m p l eo f f l u xe o n c e n l r a t i o nm a g n e t i cr o u t e 该回路中，永磁体a 和b 之间有一个工作气隙，要在该气隙中形成一个磁场， 磁力线从永磁体a 的n 极发出，经过气隙到达永磁体b 的s 极。由于磁力线之间互 相排斥，中心气隙磁密下降。如果在侧面加上永磁体“d 、e 、f 则气隙磁密显著增 加。 9 东北大学硕士论文 第二章聚磁式磁力传动嚣的设计 2 2 磁力传动器磁路的发展过程 磁路在磁力传动器的设计中起着至关重要的作用，它决定着磁体的利用效率以 及传动器的性能。同时磁力传动器的磁路设计还受到磁性材料这个重要的因素决定， 磁力传动器的发展同磁性材料的发展紧密联系起来。随着磁性材料的发展，按照永磁 体的布置方式不同，磁力传动器的磁路已经经历了间隙分散式和组合推拉式两种类 型，如图2 2 所示。 间隙分散式 组合推拉式 图2 2 间隙分散式和组合推拉式磁路 f i g 2 ，2g a ps 单m 把a n d a s s c m h | e d p u s h - p t d ls t y l e m a g n e t i c r o u t e s 间隙分散式磁路适合于铝镍钴、铁氧体这两类永磁材料。它们的剩余磁感应强 度b r 与矫顽力h c 均很低，在作为磁力传动器的磁源时。只能利用磁极问的异极相 吸的力，而不能利用同极相斥的力，这是因为在两同性磁极相接近时，会使磁极产生 退磁，而失去原有永磁体的磁性，影响传递的扭矩大小，所以在设计时磁体之间要相 隔一定的距离，来避免发生退磁。该磁路的磁力传动器传动体积大，磁体利用率低， 传递扭矩小，传动效率低，而且造价和维修费用较高，在早期磁力传动器的开发研制 阶段得到了应用。现在随着高性e 甚磁性材料的出现，磁力传动器的这种磁路已经不再 使用。 组合推拉式磁路是伴随着稀士永磁材料的发展丽出现的，尤其是第三代稀土永 磁钕铁硼的出现，使得该种磁路在磁力传动器中得到了广泛的应用。由于稀土永磁材 科具有较高的矫顽力h c 和剩磁b r 以及较大的磁能积0 3 h ) 一，如钐钴材料的最大磁 能积最高可达到2 4 0 k j m 3 ( 3 0 m g o e ) ，矫顽力h c 最大可达到8 3 5 8 k a m ，而钕铁硼 的最大磁能积最高可达到4 4 4 1 c j m 3 ( 5 5 m c _ d 3 h e ) ，矫顽力达到了9 5 5 k a m ，良好的磁 性能使得永磁体在组合推拉式的擞路中采用紧密排列，不留有间隙，磁极之间的磁化 强度干扰很小，在工作时可以和用磁极间同极相斥( 推力) 和异极相吸( 拉力) 的分 别作用，增强了气隙磁场强度，使得传递的扭矩比间隙分散式的磁力传动器有了较大 的提高，磁力传动器的外形尺寸也相对应的减小。该种磁路由于以上的特点现在已经 在广泛的使用当中。 同时在组合推拉式磁路的基础之上，也出现了一些新的磁路形式，如单行聚磁 1 0 东北夫学硕士论文第二章聚磁式磁力传动器的设计 排列的磁路，多行聚磁排列的磁路，渐变式磁路等磁路形式，在文献【1 】和 2 1 q b 有所 介绍，如图2 3 所示。同时，磁力传动器的磁路还出现了一种无铁芯的磁路，即内、 外磁转子基体为不导磁的材料b ”。这些新型磁路的应用都使得磁力传动器的传递扭矩 增大，从而提高了传动器的性能。 酉n ss nns s ssn n 单行稚磁磁路多行聚磁毫路 图2 3 磁力传动器新磁路形式 f i g 2 3 t h en e ws t y l e so f m a g n e t i cr o u t ef o r m a g n e t i cc o u p l e r 2 3 聚磁式磁路的提出 2 3 1 组合推拉式磁路的不足 目前为至，组合推拉式的磁路在磁力传动器中得到了广泛的应用，但由于磁体的 紧密排列，磁极极化方向之间交错布置，使得相邻异性磁极之间容易产生磁力线的回 路，而造成部分磁通失效，导致了磁极之间的局部漏磁，从一定程度上减小了产生的 磁扭矩。图2 4 为一组合推拉式磁力传动器横断面的部分磁场分布图。 图2 4 组合推拉式磁力传动器的磁场分布 f i g 2 4 t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no f p u s h - p u l ls t y l em a g n e t i cc o u p l e r 从图2 4 中可以看出，对于一个磁极，由于相邻两侧的磁体充磁方向的影响导致 了其本身所产生的磁力线在轭铁及磁极周围构成了磁回路，很多磁力线均没有穿过气 隙，导致了磁扭矩的减小，永磁材料利用率的下降。为了满足其传动扭矩的要求，则 势必要加大传动器的外形尺寸，同时永磁体的数量增加，使得产品的成本提高。这些 都是组合推拉式磁路的不足之处。 依据聚磁技术的原理，在组合推拉式磁路的基础之上，与图2 3 中的渐变式磁路 的结构形式相结合，提出了聚磁式的磁路结构，如图2 5 b 所示。 圊圊 凄工对酒芦耐 a 组台摧拉式 b 聚戳式 豳2 5 两种磁路的对比 f i g 2 5t h ec o n t r a s to f t w om a g n e t i cr o u t e s 从图2 5 可以看出组合推拉式磁路和聚磁式磁路在结构上的区别。对于聚磁式的 磁路来说，可以看成是组合推拉式磁路的一种增强。在新磁路中的磁体的布置上，保 留了组合推拉式磁路的特点，有径向充磁的磁体，其排列仍然按照组合推拉式的方式 排列，内、外磁转子上径向充磁的永磁体以不同极性沿圆周方向交替捧列：同时在径 向充磁的磁体的两侧分别设置了具有一定充磁方向的小磁体，来汇聚径向充磁的磁体 的磁力线，使得更多的磁通量穿过气隙，增大气隙的磁强度，而达到聚磁的效果，这 就是聚磁式磁路的主要特点所在。图2 6 显示了两种磁路的磁场分布。 图2 6 两种磁路磁场分布的对比 f i g 2 6 t h ec o n t r a s to f m a g n c 扛cf i e l dd s m b u f i o nf o rt h et w om a g 如r o u t e s 从图2 6 中可以看出，在聚磁式磁路的磁场分布中，由于侧向小磁体的作用，在 气隙两侧，相邻磁极构成的磁力线的回路要明显的少于组台推拉式磁路中构成的磁力 线的回路。而穿过气隙的回路则多于组合推拉式产生的回路，从而导致了聚磁式磁路 气隙内的磁场强度的增大，使得传递扭矩提高。 1 2 东北大学硕士论文第二章聚磁式磁力传动器的设计 2 4 聚磁式磁力传动器的工作原理和动力学分析 2 4 1 聚磁式磁力传动器的工作原理 聚磁式的磁力传动器在结构上由内、外磁转子及隅离套组成，永磁体分为径向 充磁的永磁磁体和侧向充磁的小磁体。其中，径向充磁的永磁体以不同极性沿圆周方 向交替排列，而侧向充磁的小磁体则以图2 5 b 的排列方式分别固定在径向充磁的永 磁体的两侧。在静止状态时，对于径向充磁的磁体，外磁体的n 极与内磁体的s 极 相互吸引并成一直线，达到力的平衡；丽对于侧向充磁的小磁体则可以将其充磁方向 分解成圆周切向方向和圆周径向方向，在切向方向上，内、外磁转予各自上的两个相 邻的小磁体互相吸引，达到力的平衡；在径向方向上，内转子的小磁体和外转子上的 小磁体相互吸引，也达到了力的平衡，此时磁力传动器的磁扭矩为零，如图2 7 a 所 示。当外磁转予在电机的带动下旋转时，刚开始内磁转予由于摩擦力及被驱动件阻力 的作用，仍处于静止状态，这时外磁体相对内磁体开始偏移一定的角度，由于这个角 度的存在，外磁转予径向充磁的磁体n 极( s 极) 及其两侧的小磁体对内磁体的s 极啊 极) 及其两侧的小磁体有一个拉动作用，同时外磁体径向充磁的磁体的n 极( s 极) 及其 两侧的小磁体对内磁体的前一个n 极( s 极) 及其两侧的小磁体有一个推动作用，使内 磁体有一个跟着旋转的趋势，随着电机转速的增加，则逐渐内、外磁转子达到同步旋 转。如图2 7 b 所示。 图2 7 聚磁式磁力传动器工作原理 f i g 27 t h ew o r k t h e o r yo f f l u xc o n c e n t r a t i o ns t y l em a g n e t i cc o u p l e r 2 4 2 聚磁式磁力传动器的动力学分析 结合组合推拉式磁力传动器的动力学分析原理r 2 1 。对聚磁式磁力传动器的动力 学进行分析。当磁力传动器在工作状态时，外磁转子在圆周方向上会相对内磁转子产 生一个偏转角0 ，若取内磁转子上径向充磁的磁块s n l 进行受力分析，见图2 8 。内 磁块s n l 不仅受到外磁转子磁块n w l 的吸引力f l 和两侧小磁体的吸引力f 3 ，同时还 受到外磁转子磁块s w l 排斥力f 2 和其两侧的小磁体的排斥力f 4 的作用。其f i 和f 2 1 3 东北大学硕士论文 第二章聚磁式磁力传动器的设计 的值大小可按式( 2 1 ) 进行计算，所不同的是间隙l 值不同，l 值可分别按式( 2 2 ) ( 2 3 ) 计算：而对于侧向充磁的小磁体来说，可以将极化方向分解，成为圆周的切 向方向和径向方向两部分，切向方向的主要作用是汇聚径向充磁的磁体产生的磁力 线，而径向的分量则也必定分别产生了吸引f 3 和排斥力f 4 ，f 3 和f 4 也可按( 2 1 ) 式进行计算，但是f 3 和f 4 很小，可以忽略不计。 霄d 耻嚣) 2 赢 2 1 - ) l 。= 石碌两再面万而 ( 2 2 ) l ： s i n ( a 一目) ，2 】2 + c o s ( a 一印，2 一】2 ( 2 3 ) 式中： b m _ 磁力传动器间隙实际磁感应强度平均值( t ) ； s ，n - 一内、外磁转子对应磁块平均表面积( m 2 ) ； 卜内、外磁转子对应磁块工作点间的距离( 1 n ) ，此值随磁力传动器工作状态的 交化而变化； 凡一间隙l 修正系数， = o5 ； r l 一内磁转子外半径( m ) ； r 2 一外磁转子内半径( m ) ； a 一磁极张角( 度) ： 0 一内、外磁转子工作转角差( 度) ； 图2 8 聚磁式磁力传动器动力学分析 f i g 2 8 t h ed y n a m i ca n a l y s i so f f l u xo o n c e n l r a t i o ns t y l e 珈a l 吣c o u p l e r f l 、f 2 计算出后，进而计算出磁力f l 和f 2 分别在内磁转子上产生的切向力f z l 和f z 2 ，f ：l 和f 乏的合力为f z ： f z = 只s i n ( 萌) + es i n ( # 2 ) ( 2 4 ) 1 4 东北大学硕士论文 第二章聚磁式磁力传动器的设计 式中： 扣怫毒篙 唬剐心意毫 f ：使得内磁转子产生扭矩m 为： m - - r f f z n( 2 5 ) 式中：n 磁转子上磁极数。 2 5 聚磁式磁力传动器的整体设计 聚磁式磁力传动器与组合推拉式磁力传动器结构基本上相同，由内、外磁转子基 体、耦合磁极及隔离套组成，设计时许多地方满足组合推拉式磁力传动器的设计特点。 结合这方面的经验及理论知识【1 、矾，聚磁式磁力传动器整体设计包括以下几个方面： 传动扭矩的确定，内、外磁转子的设计，磁性材料的选择及隔离套的设计。 2 5 1 传动扭矩的确定 传动扭矩是磁力传动器最重要的性能指标，因此在设计时应按照此依据，在满 足要求的情况下来合理的选择传动器的尺寸。在正常启动和运转的情况下