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薄壁滚筒式磁力传动的初步研究 摘要 由于磁力传动一般具有结构简单、易于控制、节能环保、无振动噪音、 过载保护等优点，使得磁力传动在机械、化工、汽车、土木、电力、国防 和核工业等不同领域得到广泛的应用。本文提出了一种全新的磁传动方 式，即薄壁滚筒式磁力传动。此种传动方式是由磁铁吸力所产生的摩擦力 带动负载，不是传统的依靠磁吸引力来传动，除了具备磁力传动的一般特 点之外，还可实现传动比的微调和控制。 本文从磁路设计的任务和常用的磁路设计方法出发，以电磁路为例， 详细的介绍了电磁铁磁路的设计过程。并利用白退磁效应法对所设计的磁 路进行了磁路计算，求得了气隙磁感应强度和电磁吸力等参数。本文还用 实验方法验证了试块间磁吸力的大小与试块厚度之间的关系，发现了不同 厚度试块组合时，磁吸力的变化趋势。并据此优化结构设计，选择合理的 滚筒壁壁厚。本文在完成磁路设计的基础上，还完成了薄壁滚筒式磁力传 动系统的机械结构部分的设计。最后利用a n s y s i o 0 软件对滚筒进行了力 学分析。根据力学、摩擦学等知识初步估算出两滚筒间的摩擦力大小、传 动系统提供给负载的最大理论力矩以及传动比的可调范围等。 关键词：磁力传动，磁路计算，薄壁滚筒，磁路设计，自退磁效应 北京化工人学硕上学位论文 p i l o ts t u d yo fm a g n e t i ct r a n s m i s s l 0 n o ft h et h i n w a l lr o l l er a b s t r a c t m a g n e t i ct r a n s m i s s i o ni sw i d e l ya p p l i c a b l et om e c h a n i s m ，c h e m i c a l i n d u s t r y , a u t o m o b i l ei n d u s t r y , c i v i le n g i n e e r i n g ，e l e c t r i cp o w e rp r o j e c t ， n a t i o n a ld e f e n s ei n d u s t r ya n dn u c l e a ri n d u s t r ye t c b e c a u s et h e r ei sm u c h e x c e l l e n c ei nm a g n e t i ct r a n s m i s s i o n ，s u c ha si t ss i m p l es t r u c t u r e ，i sp r o n et o c o n t r o l ，e n v i r o n m e n t - f r i e n d l y , n ov i b r a t i o na n dn o i s e ，o v e rl o a d i n gp r o t e c t i n g e t c id e s i g nan e wt r a n s m i s s i o nn a m e dm a g n e t i ct r a n s m i s s i o no ft h i n w a l l r o l l e r t h et r a n s m i s s i o nd r i v e sl o a db yf r i c t i o nw h a ti sp r o d u c e db ym a g n e t i c f o r c ec o m p a r i n gt h a td r i v e sl o a db ym a g n e t i cf o r c et r a d i t i o n a l l y b e s i d e st h e g e n e r i cc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o n ，f i n e t u n i n go fd r i v er a t i oi s p o s s i b l ea n d c o n t r o l l a b l e t h ea r t i c l ep a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h ep r o je c tp r o c e s so fe l e c t r i cm a g n e t i c c i r c u i t t a k i n g e l e c t r i c m a g n e t i cc i r c u i t a s e x a m p l e t h ea s s i g n m e n ta n d m e t h o do fm a g n e t i cc i r c u i td e s i g n i n ga r ei n v o l v e da ls o t h ea r t i c l ec a l c u l a t e s t h e d e s i g n e dm a g n e t i c c i r c u i tb y d e m a g n e t i z a t i o ne f f e c t t h em a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea r er e c e i v e da tl a s t t h ea r t i c l e t e s t st h er e l a t i o nb e t w e e nm a g n e t i cf o r c ea n dt h i c k n e s so fb l o c k sw i t h e x p e r i m e n t a t i o n 摘要 t h em u t a t i v et r e n do fm a g n e t i cf o r c eo fb l o c k sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s si s d i s c o v e r e da n da b l et oo p t i m i z et h es t r u c t u r ed e s i g n i n g w ec a nh e r e b yc h o o s e t h er e a s o n a b l et h i c k n e s so fr o l l e r t h ea r t i c l ef i n i s h e st h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e d e s i g n i n go fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o no ft h i n w a l lr o l l e rs y s t e ma f t e rh a v i n g d e s i g n e dt h em a g n e t i cc i r c u i t t h ea r t i c l ef i n i s h e sm e c h a n i c a la n a l y s i so f r o l l e r b ya n s y s 10 0 t h ef r i c t i o nf o r c eb e t w e e nr o l l e r s ，t h em a x i m a l a c a d e m i cm o m e n ts u p p l i n gt ot h el o a ds y s t e m ，t h ea d j u s t a b l er a n g eo f d r i v er a t i oa r ea b l et oc a l c u l a t e dp r e l i m i n a r i l y k e yw o r d s ： m a g n e t i c t r a n s m i s s i o n ，m a g n e t i c c i r c u i t c a l c u l a t i n g ， t h i n w a l lr o l l e r , m a g n e t i cc i r c u i td e s i g n i n g ，d e m a g n e t i z a t i o ne f f e c t 符譬说明 符号说明 视在磁感应强度 气隙磁感应强度 磁通利用系数 理论磁化场 线圈的总匝数 磁路的工作点坐标比 磁感应强度 磁导率 磁路气隙截面积 铁心长度 铁心的截面积 磁路尺寸比例系数 线圈的长度 气隙长度 工作点磁场强度 漏磁系数 磁通系数 磁体在磁场中所受的力 最大磁能积 工作点磁感应强度 真空磁导率 相对磁导率 磁通量 导线的电阻系数 线圈的散热系数 g h k 曰 毛品 么 如k 鳓 0 髟 f 勘 胁 脚 o p 略 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：纽韭焦 日期： 翌! 靠旦盗旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。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 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：纽垂焦 日期： 导师签名：7 臣矿土u 日期：导师签名：! 坦丝11 型日期： 第一章绪论 1 1 磁力机械概述 第一章绪论 随着科学技术的发展和人类文明的进步，关于磁的应用已经越来越广泛，不断深 入到人们生活的方方面面，使得磁力设备成为近年来的研究热点。从麦克斯韦理论建 立至今，除了磁学本身的一些前沿研究领域外，同样备受关注的是磁学与其它相关学 科如物理、电气、材料、机械、冶金等的交叉融合。磁力机械就是电磁学与机械学相 结合的一个重要磁应用领域。利用磁能产生的力和力矩，驱动或控制置于磁场中的执 行机构，使其按确定的运动和动力方面的要求动作的机器或机构，称为磁力机械。把 两块磁体极性相同的一极靠近，它们就相互排斥；反之，把极性相反的一极靠近，它 们就相互吸引。磁力机械技术正是在这种理论基础上，结合电磁学和机械学等两大学 科而发展起来的一项新技术。目前采用永磁、电磁、或者永磁与电磁混合结构的各类 磁力机械已经有很多，如磁悬浮轴承、磁力齿轮、磁力弹簧、磁力减震器、磁力搅拌 机、磁力联轴器、磁力变矩器、磁力钻孔机、磁力泵、电磁离合器等，磁力作为机械 设备传动部件或执行器的动力源时，由于设备一般具有易于控制、节能环保、结构简 单等优点，因此，在机械、化工、汽车、土木、电力、国防和核工业等不同领域得到 广泛的应用。 1 2 磁传动特点 磁力驱动传递动力的运动方式具有多样性【l 】。磁力驱动传递动力时既能以直线运 动、旋转运动、或者直线运动与旋转运动相结合的复合螺旋运动等方式传递动力，又 可与不同的机械机构结合，完成三维空间的有序运动或一定距离的位移以及任意角度 的定向运动，实现了多种运动形式的动力传递； 可将轴传递动力的动密封问题转化为静密封，实现零泄漏。磁力驱动传递力或力 矩，主要是利用磁场力的作用特性而实现的。由于磁力驱动装置并不需要磁体之间相 对接触或连接，因此当主动件旋转或做往复运动时，在磁场力的作用下即可实现从动 件同时也进行旋转或做往复运动，而工作容器内外之间也不需要主动轴( 或传动杆) 通过容器壁来达到动力传递的目的，从而可实现动力传递过程的静密封，彻底做到零 泄漏【2 1 。 使工作机械在运行过程中具有过载保护的功能。在主动件和从动件无任何刚性连 接的前提条件下，设计时可适当的增加工作转矩以增加安全运动感，但当从动件负载 北京化- t 人学颂：i ：学位论文 在某一时刻突然增加并超载过大时，主、从动件之间就可产生滑脱而切断转矩的传递， 从而避免了从动件在不能进行正常工作时( 如主动轴抱死、扫膛等) 意外损坏的危险， 同时也对电机起到了一定的保护作用。 可避免振动传递，实现工作机械的平稳运行。由于主、从动件相互间无接触、无 摩擦，因而不存在刚性连接问题，所以当主动件发生突变或振动时都不会直接传到从 动件上f 3 1 。同时从动件发生突变或振动时也不会影响到主动件的工作状态，从而有效 的避免了振动或突变的传递，实现工作机械的平稳运行。 与刚性联轴器相比较，在安装、拆卸、调试、维修等方面均较方便。磁力驱动式 装置在结构上一般均较为简便，由于主动件与从动件之间存在间歇，因此易于安装拆 卸和维修，在减小设备维护的难度和劳动强度的同时，又提高了设备的工作效率。 可净化环境，消除污染，实现文明生产。环境保护是实现我国经济可持续发展的 一项重要的基本国策，在石油、化工、制药、海上油井作业、有色金属冶炼、湿法选 矿、食品行业等的一系列生产流程中，输送物料时应用磁力驱动泵代替传统的机械泵 则可完全避免有毒、有害、易燃、易爆、强酸、强碱等强腐蚀性介质的泄漏，既保护 了操作者的安全，又防止了对环境的污染，真正创造良好的工作环境，实现文明生产。 1 3 磁传动的历史、现状及前沿发展情况 磁力驱动技术早在2 0 世纪3 0 年代就已经被人们所提出，但由于对这一技术尚缺 乏足够的认识和研究，同时也受到磁性材料发展局限性的制约，因此在这一时期内虽 然对这一技术进行过很多相关的实验研究，但终未取得较大的进展【4 j 。从2 0 世纪7 0 年代起，随着现代工业的发展，人们在工业生产中同益重视新技术的研发和环境的保 护，一些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相关法规规程， 有效地促进了新技术、新产品的开发和利用。因此磁力驱动技术在这一时期又被科技 工作者所重视，引起了进一步的深入研究，以及在工业中的逐步应用。如磁力驱动技 术在泵行业的应用就是显著的一例。随着工业技术的不断发展，开始对工业用泵轴封 的泄漏问题提出了更加严格的要求，各种工业用泵最薄弱的环节就是轴封的泄漏，即 使是机械密封液也始终存在3 - 8 m l h 的泄漏量，对于一个大型的厂家而言，数千台运 转的工业泵的总泄漏量是非常严重的，因此开发无泄漏全密封结构的各种设备就成为 工业界的一个重要课题，其中磁力驱动离心泵的开发和研究就成为当时的一个重要课 题。7 0 年代的磁力驱动离心泵，主要采用铁氧体永磁材料，因此不但存在着易退磁、 占用空间大、传动效率低等缺点，而且成本和后期维修费用也比较高。7 0 年代后期随 着稀土永磁材料，如稀土钴和钕铁硼类等新兴永磁材料的发展和应用，促使磁力驱动 技术有了快速的发展。钕铁硼永磁材料的磁能积已达到3 8 m g s o e 以上。使磁力驱动 2 第一章绪论 器传递转矩( 功率) 的能力提高3 4 倍，传递的最大功率已达到4 0 0 k w 。另外，由于 碳化硅滑动轴承等材料的应用，使磁力驱动泵的使用寿命大幅提高。由于技术上的突 破和设计与工艺等方面的改进优化，使磁力驱动泵的可靠性和经济性均得到了极大的 改善。因此8 0 年代后，磁力驱动技术在泵工业上的应用发展突飞猛进，磁力驱动泵 已经成为了石油、化工、制药等许多领域的常用设备【5 j 。 当今世界上磁力驱动泵发展最快的主要是德、英、日、美等国。日本主要在7 5 k w 以下功率领先，特别是其塑料泵的工艺、质量都很好。德国h m d 公司近年研制的两级 磁力驱动泵，其流量为5 6 0 0 0 0 1 h ，扬程为5 0 0 m ，输送介质温度达2 0 5 。c ，功率达 3 5 0 k w 。我国较早开展磁力驱动泵研制的甘肃省科学院磁性器件研究所，已经先后成 功地研制了稀土钴磁力驱动器和磁力驱动泵等系列产品，其技术水平在某些方面已经 达到了世界先进水平。该所开发的新型组合拉推式稀土钴磁力驱动器和磁力驱动设备 已经投入大批量生产，在许多工业部门中得到了广泛应用。所生产的磁力驱动泵的功 率达到1 8 5 k w ，流量1 5 0 0 0 0 l l l ，扬程达3 8 0 m 。 从国内外磁力驱动泵的发展情况来看，目前的趋势主要是由小功率向大功率方向 发展，此外在产品的结构设计、内在质量、使用的技术要求以及工艺性能等方面的要 求也越来越高【6 7 】。近年来正在开发的特种工程用塑料磁力驱动泵，尤其是小型泵，发 展非常迅速。这种泵不但制造工艺比较简单而且成本也很低廉。近年来随着具有高强 度、耐高温和高耐磨性的纳米磁性材料研制的成功，将会更加拓宽磁力驱动泵的应用 领域，在汽车用泵、热循环系统、制冷、化工、石油、水处理、饮料业和日常生活用 泵等领域中，必将得到进一步的应用，发展前景非常可观。例如：英国t o p t o n 泵公司 开发的高扬程磁力驱动泵，其零件采用聚丙烯或具有优良化学性能的聚偏二氟乙烯 ( p v d e ) 注塑成型，其泵壳耐压达1 5 m p a 、耐液温1 5 0 。德国r i c h t e r 公司、日本 的岩木公司开发的普通泵、旋涡泵、多级泵等，其泵壳、叶轮均采用聚四氟乙烯，轴 承采用高密度和高纯度氧化铝陶瓷制造。我国自主开发生产的磁力驱动离心泵轴承则 主要采用三氧化二铝陶瓷制造，而像叶轮、泵壳、隔离套等附件均采用四氟乙烯、六 氟丙烯共聚物制造。目前氮化硅、碳化硅、氧化锆等陶瓷轴承也已投入使用。为适应 输送高温液体，进一步开发高温大流量磁力驱动泵也是十分必要的。现阶段，我国磁 力驱动泵的发展方向除了应大力开发耐强腐蚀介质的磁力驱动塑料衬里泵，( 一般采 用聚四氟乙烯等工程塑料、陶瓷复合等材料) 以满足我国化工等行业的需求外，还应 当开发并采用以太阳能为能源的大功率、耐高压、高温的磁力驱动泵，其耐压能力应 达到5 0 m p a ，介质温度应达到5 0 0 ，电机功率应达到3 0 0 k w 。此外，开发以永磁电 机驱动的磁力驱动泵也应当提上日程瞵j 。 国外在2 0 世纪6 0 年代初期就研制出了针对小型磁力驱动的实验装置，1 9 7 4 年德 国人研制出了永磁联轴节。到了2 0 世纪8 0 年代末期，随着微型机械的研制热潮，人 们于是开始研究用于微型机械的永磁传动机构。日本学者k t s u r u n o t 和s k i l c u c h i 在 北京化下人学颁i j 学位论文 2 0 世纪八十年代提出了使用永磁铁制作渐开线磁性齿轮的设想，轮齿由永磁材料制 成，并在丙烯酸制成的圆盘上按渐开线有序地排列开。他们研究了齿轮齿数、模数、 压力角、传动比、中心距、气隙等参数对磁性齿轮传递力矩的影响，并对永磁齿轮的 轮齿做了优化。在此基础上，这两位日本学者又于九十年代初提出了具有不同结构形 态的永磁齿轮。直到9 0 年代中期，日本学者i k u t a 提出了无接触磁性齿轮，人们才发 现无接触磁性齿轮在非工业领域，如医疗器械和微型传动等领域有着广泛的应用前 景，因此相关的研究也越来越多。目前国际期刊上针对磁性齿轮研究的论文虽说也有 很多，但都是针对某种特殊结构的永磁齿轮的研究。我国磁传动技术的研究与应用起 步相对比较晚，对无接触永磁齿轮的研究基本上很少，对于电磁齿轮的研究几乎没有。 2 0 世纪9 0 年代末，合肥工业大学机械与汽车工程学院院长赵韩教授领导的小组开始 了对稀土永磁齿轮的研究，他们针对永磁齿轮传动机构的磁场分析以及转矩计算提出 了几种算法。国内外所见到的关于磁性齿轮的资料，其研究特点主要有如下几点： 如果用端面作为磁极的端面谐波齿轮，其相位控制相当复杂： 利用电磁绕组线圈磁化线圈内稀土永磁条，利用永磁条露出不太长的磁极传动， 绕组也随着磁条一起转动，其结构复杂、转动惯量大，国内只有个别单位刚刚起步研 究，还未形成产品： 至今为止尚未形成完整、成熟的设计理论和精确的计算方法。 关于电磁齿轮的研究，目前国内外相关研究报告和论文都相对比较少，对其构成 理论、分析技术和设计方法也缺少系统、成熟的研究。从国内外的研究结果来看，研 制出成熟的磁性齿轮传动装置，建立相应合理可行的分析计算方法，是磁性齿轮发展 的趋势。 基于目前磁力机械设计方法的非理论化、非系统化，很多学者一直致力于研究磁 力机械设计中的场量计算和考虑多物理场间耦合效应的设计分析方法，用“场”和“耦 合”的观点，将现有分开考虑的设计内容结合起来考虑、将传统设计方法中普遍忽略 或未考虑的相关因素纳入设计过程，并给出基本的分析和设计方法，以克服现有设计 方法的缺陷和不足，为形成更为系统和精确的磁力机械设计方法体系提供理论基础和 理论支持【12 1 。 当然，磁传动还存在着许多需要攻克解决的问题，主要表现在：磁耦合传动的优 化设计、磁传动的进一步小型化和大型化、高温使用设计的进一步完善、减少涡流损 耗的方法、结构材料和构件的开发选择等。另外，磁传动的小型化和端面圆盘磁力耦 合结构的磁力耦合也很值得研究发展。有人曾对减速机用润滑循环转子泵做密封传动 的技术改造，泵尺寸仅有6 5 m m x 7 5 m m x 5 1 m m ，如果用柱面磁力耦合传动，不仅尺寸 要增8 0 m m ，还要做小型隔离套，而且型腔增加对启动有不利影响，安装空间也有所限 制，而采用了端面圆盘磁力耦合传动的装置，仅在厚度方向增加尺寸4 1 m m 就很好的解 决了问题。磁传动的最高使用温度控制在4 5 0 。c ，主要也是受结构材料和构件的限制， 4 第一章绪论 例如不锈钢在4 5 0 时的组织变化对性能的影响，还有传动轴承存在一个温度最高承 受能力问题。在更广泛的领域磁传动取代机械密封传动是个发展方向，普及程度和取 代的多少只是个时间问题，这主要是来自环境法规，产品责任法规，卫生与安全法规 的逐渐完善和推行。从这个角度讲，磁力传动的研制开发应用具有很大的现实意义和 深远的历史意义 1 3 1 。 总之，磁传动的发展方向正向新材料、新工艺、新技术、新结构等方面发展。 1 4 磁力齿轮传动概述 磁力齿轮是一种利用磁力来传动力矩的机构，其优点表现在：首先，加工容易、 非接触传动及无需润滑，因而传动平稳、清洁、无摩擦能耗、无油污、防尘防水等； 其次，它的启动力矩较低并具有过载保护功能，同时还能适应不对称性，且无需特殊 的维修，齿形也无需精确加工等，这些优点使得磁力齿轮在机器人、医疗器械、仪器 仪表、食品加工设备等领域中有着广阔的应用前景。是目前磁传动研究的一种主要传 动方式【1 4 】。因此，本文先着重介绍磁力齿轮传动的相关特点及其发展应用等。磁力齿 轮有永磁、永磁和电磁的混合或电磁三种驱动形式，这三种不同形式均是由磁力机构 所产生的磁力作用，来实现非接触齿轮传动。磁力齿轮传动与普通机械齿轮传动类似， 都是由电机作为原动机带动主动轮旋转，为从动轮提供转矩以带动负载。如下图所示： 1 4 1 永磁齿轮 电机 主动轮 从糟一 图1 - 1 磁力齿轮传动简要示意图 f i g1 - 1t h es k e t c hm a po fm a g n e t i cg e a rd r i v e n 永磁齿轮是利用电磁绕组磁化绕组内圈的永磁条，利用永磁条露出不太长的磁极 传动，绕组也随着一起转动，一般其结构比较复杂、转动惯量大，但磁场固定，比较 有利于分析和计算。 北京化t 人学硕i ：学位论文 叵匾 固固 图l - 2 永磁齿轮常见的两种结构 f i g1 - 2t h et w ok i n do fp e r m a n e n tm a g n e t i cg e a r 1 4 2 永磁和电磁混合齿轮 永磁和电磁混合齿轮是由一个电磁铁和永磁铁组成的混合磁齿轮。其主动齿轮由 半径为凸，的圆柱形电磁铁铁芯与厚度为h 的永久磁铁组成，电磁铁铁芯采用稀土类磁 性材料制造。半径为以的内孔与驱动系统相连，铁芯外环绕通电线圈的内、外半径分 别为以，和以。，若将铁芯轴线方向选为z 轴坐标方向，圆柱体顶端与末端的坐标分别 为z 和z ，。在铁芯顶部加工出与从动轮齿数相同的m 个凸形台阶，台阶形状决定于 所选定的齿形，台阶凹部的轴向坐标为z ，。在这些台阶上安装由稀土类永磁材料所制 成的一定形状的“齿顶”，其厚度为h ，外半径为口，内半径为以，于是，凸形台阶 与“齿顶”这些永磁材料部件构成了电磁齿轮传动系统中主动齿轮的“齿。 铁芯 戈圄y 。 、 罾 、 鞘 踺到x ，一， 图l - 3 永磁和电磁混合齿轮 f i g1 - 3t h em i x e dg e a ro fp e r m a n e n tm a g n e ta n de l e c t r o m a g n e t i s m 1 4 3 电磁齿轮 电磁齿轮是利用电流通过电磁绕组产生磁通，从而使电磁齿轮带有磁性，根据同 性相斥、异性相吸原理，使两极性耦合，从而实现非接触齿轮传动【1 5 】。电磁齿轮中没 有加入永磁材料，它完全是通过电磁绕组通电后产生磁场，其磁场可以通过改变控制 电流而得到一定范围的变化。当电磁绕组中没有控制电流时，电磁齿轮就没有磁性， 6 第一章绪论 此时电磁齿轮之间没有电磁力的相互作用，而成为离合器。改变电磁绕组控制电流的 大小，可以改变电磁齿轮的磁感应强度的大小，磁力大小等等，从而改变整个传动系 统的传动扭矩，实现整个传动系统的调整与控制，以满足不同场合的需要。 在对非接触磁性齿轮的研究中，主要以对永磁齿轮的研究最为普遍，所以本文以 永磁齿轮的传动方式为代表来进行介绍。永磁齿轮的传动方式一般分为外啮合传动、 内啮合传动和齿轮齿条传动等。 外啮合传动是由一对圆柱磁体或圆环柱体构成，其中每个柱体均被径向多级充 磁。两柱体因异性相吸、同性相斥而在静止时使两相异磁极吸在一起，而当主动轮运 动时，又因同样的原因带动从动轮运动。 图1 4 外啮合永磁齿轮传动 f i g1 - 4t h ee x t e r i o rm e s h i n gg e a ro fp e r m a n e n tm a g n e t 对于内啮合传动，大齿轮必须是圆环体，其它则与外啮合传动相同。 图1 5 内啮合永磁齿轮传动 f i g1 - 5t h ei n n e rm e s h i n gg e a ro fp e r m a n e n tm a g n e t 齿轮齿条传动中的齿轮与外啮合传动中的齿轮相同，而齿条则是一带状磁铁，磁 极沿长度方向均布。永磁齿轮的结构基本有两种，当齿轮尺寸较大时，可用单极体拼 装起来，而当尺寸较小时，则是用一整磁体进行多级充磁。 7 北京化丁人学硕l ：学位论义 图l - 6 永磁齿轮齿条传动 f i g1 - 6t r a n s m i s s i o nb yg e a ra n dr a c ko f p e r m a n e n tm a g n e t 交错轴传动，其两轴央角一般小于4 5 0 。 图l - 7 交错轴永磁齿轮传动 f i g1 - 7t h ep e r m a n e n tm a g n e t i cg e a ro fi n t e r l a c e d s h a f t 1 5 磁传动技术在其他领域的应用 磁传动技术的快速发展使其成为流体机械、压力机械等解决密封问题的一个有效 而经济的强力措施，它用于阀类的开发产品永磁传动阀，包括蝶阀、旋塞阀、球 阀、闸阀、截止阀等，可实现零泄漏的控制，而且结构、安装尺寸与普通阀相同，可 实现主要零部件的互换，操作省力，使用寿命长，可带来明显的经济效益。由中科院 电工研究所研制的永磁传动球阀，经北京市质检部门检验合格，已被广泛应用于化工、 石油系统中。 磁传动搅拌反应釜是磁传动技术的又一个应用，除了实现绝对密封外，还可避免 反应介质的污染，可广泛应用于食品、制药、化工等行业。国内在这方面的研究水平 基本与国外同步。 磁传动技术用于真空系统同样有着重要的作用。国内从上世纪七十年代末开始， 相继研制成功了大转矩圆盘式磁传动装置，用于超真空容器中航天器轴承摩擦润滑模 拟实验装置的动力传递，安全运转了十年；我国第一台分子束外延设备样品传送磁传 动装置，结构简单，操作方便，工作真空达5 1 0 “p a ；为我国重粒子加速器研制磁传 动传送实验靶，方便可靠；在真空镀膜机上设计了磁传动镀膜件的传送机构，大大提 高了镀膜效率，降低了镀膜成本。这些国内磁传动研发的辉煌成就，不仅成功、高效 的解决了科研和实践中的难题，同时也有力的促进了我国磁传动技术的发展【l 7 1 。 第一章绪论 1 6 论文的选题、主要研究内容和意义 众所周知，传统的机械传动对于制造精度要求较高，而且属于接触型传动，例如 齿轮传动、链传动、带传动等，所以发热量很大，摩擦磨损严重，而且一般都需要设 计专门的润滑系统，易污染，使用寿命有限，而且传动也不够平稳。这些缺陷导致传 统的机械传动的使用寿命非常有限，使机械经常出现故障，从而影响企业的生产效益， 维修成本也比较高昂。而磁传动作为一种新型的非接触传动，有效的解决了传统机械 传动所存在的缺陷，因此在世界范围内引起了高度的重视和关注，磁传动的应用领域 也越来越广泛。 圆柱电磁齿轮传动作为一种新型的非接触磁力传动，它是利用磁极异性相吸的原 理，通过磁性齿轮的磁性耦合方式，由主动轮带动从动轮来传递转矩。该传动具有无 需润滑、无摩擦磨损、无污染、传动平稳、无振动噪音、齿形无需精确加工等优点， 因此得到广泛的研究和应用，也是目前磁传动研究的一种主要传动方式。其基本结构、 理论已经同趋成熟，但是磁力齿轮传动同时也存在很多局限。例如，磁力齿轮的结构 比较复杂，磁力齿轮的传动比始终是一个恒定值，不能进行调节和控制，因此很难实 现对负载转速的微调。再者，在过载保护方面也存在着不足。因此，在具备电磁传动 的基本优点基础上，本文提出了一种全新的磁传动方式，即薄壁滚筒式磁力传动。此 种传动方式除了具备无需润滑、无污染、传动平稳等特点之外，还可实现传动比的微 调，在输入功率恒定的前提下既可使负载加速也可减速。此外这种传动方式还具备过 载保护的功能。 论文的主要研究内容包括：根据电磁学相关理论设计出合理的磁路设计；并辅以 实验方法确定、优化各种结构参数；设计出薄壁滚筒磁力传动的整体结构；进行磁路 计算、磁力计算和转矩计算并用a n s y s l 0 0 软件分析等。 论文的创新点：本文在借鉴电磁齿轮传动的优点基础上，大胆创新，突破传统模 式的束缚，采用薄壁滚筒磁力传动方式，有效的弥补了电磁齿轮传动的缺陷和不足， 通过薄壁滚筒磁力传动，可以对传动比进行微调，从而在输入功率恒定的前提下实现 负载的微小调节，而且由于此种传动是由磁铁吸力所产生的摩擦力带动负载，不是传 统的依靠磁吸引力来传动，对于负载变化的适应能力更加简便和机动，因此能够有效 的起到过载保护的功能。 论文的意义：本文选题的意义在于提出了一种新的磁传动思想，设计出一种新的 磁传动结构，解决了可对传动比进行微调这一技术难题，对于负载的微调控制有着重 大的意义，对磁传动技术的发展也有很大意义。 9 第二章结构设计 2 1 磁路的定义 第二章结构设计 在说明什么是磁路之前，首先观察两个现象：一是在通电螺线管内腔的中部、电 流产生的磁力线平行于螺线管的轴线，磁力线渐进螺线管两端时变成散开的曲线，曲 线在螺线管外部空问相接，如图2 1 所示；如果将一根长的铁心插入通电的螺线管中， 则磁力线在螺线管两端不再立即发散，而是沿着铁心继续前进。如果把铁心组成一个 闭合的回路，则绝大部分磁力线集中在闭路铁心中，泄漏到空间的磁力线很少。不管 螺线管中有无铁心，我们都把磁力线所经过的路径称之为磁路。第二个现象是将永磁 体作为磁源，也能出现类似的现象，图2 2a 所示的是一方形永磁体单独存在时磁力 线分布的情形。如果将永磁体放入到一个软磁体回路中，大部分的磁力线仍然通过软 磁体和永磁体构成的回路，如图2 2b 所示，这样的回路也是一个磁路。因此，广义 的讲，磁通量所通过的磁介质的路径叫做磁路。 磁路是许多以电磁原理做成的机械，器件如电机、电器、磁电式仪表等等的主要 组成部分之一，各种磁路传递着磁能、发挥着应有的机能。所以能形成磁路概念，是 由于铁磁物质的导磁系数比非铁磁物质的导磁系数大得多。但同电路相比，电路中导 电材料的导电系数般比电路周围绝缘材料的导电系数大几千几亿倍，而磁路中导磁 材料的导磁系数一般只比非导磁材料的导磁材料大几千倍，因此磁路中漏磁现象比电 路中的漏电现象要明显得多。大多数磁路含有磁性材料和工作气隙，完全由磁性材料 构成闭合磁路的情况也有不少。凡是含有空隙的磁路，一部分磁通量作为有用的磁场 叫做主磁通，还有一部分磁通量在空隙的附近泄漏在空间，形成漏磁通。漏磁通弥散 于整个空间，精确计算几乎不可能，近似计算也相当繁琐。在一般情况下，只计算主 磁通，而忽略漏磁通，或者在主磁通上加上一个修正系数。 图2 - 1 通电螺线管的磁力线分布 f i g2 - 1t h em a g n e t i cf o r c ed i s t r i b u t i n go fs o l e n o i d l o 北京化r 人学硕：i ：学位论文 2 2 磁路设计 r i i i i l i i i i l a )b ) 图2 2 永磁体产生磁力线的情况 f i g2 - 2t h ed i s t r i b u t i n go fm a g n e t i cf o r c eb yp e r m a n e n tm a g n e t 2 2 1 磁路设计的任务 确定磁路结构与选择适当的磁性材料是磁路设计的重要问题。磁路设计一般主要 涉及有两种情况：一是针对一个给定的磁场，较准确的计算出其空间磁通分布情况； 还有一种情况是根据所要求的磁通分布设计出最佳磁路。磁路设计的步骤一般如下： 根据对磁场的要求，初步选定磁路的大致结构，选定各部尺寸、材料类型、性能，然 后用适当方法求解。比较与原提出要求有何差别，修改设计，再行计算，直至达到要 求为止引。可用方框图表示，如图2 3 所示。 但磁路设计远比我们想象的困难，这是因为磁体本身工作状况非常复杂，同时精 确计算磁场内磁通分布又是一件极其困难的事。我们对电路分析是比较熟悉的，但磁 路分析远没有电路分析那样简单。电路的界限十分清楚。而磁路就难于分成一个简单 的支路。漏电不是经常发生的，而漏磁却是无处不在的。因此在设计中几乎所有的计 算公式都是在一定的假设条件下经过简化的近似式，只是一种简化的估算法。不仅如 此，而且有时候有些要求往往还是相互矛盾的，所以设计者要统观全局，综合分析， 权衡利弊，决定取舍，选择一个最佳的可行性方案【1 9 珈】。目前，借助电子计算机，对 于一个给定的磁路可以仔细而较准确地计算出它的空间磁通分布。反过来，若给定一 个空间磁通分布，要求设计出惟一的最佳磁路，暂时还办不到。 第- 二章结构设计 巨冒叫堕亟 圈j li l 醐il | 契霪辍藿箨 验算修正 上l i e b e 耋构藿 回一- j 性性 l 刳稚与涮精l 一j 能r ”r 。7 ”l 图2 - 3 磁路设计方框图 f i g2 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo fd e s i g n i n gm a g n e t i cc i r c u i t 2 2 2 磁系统结构及磁路类型 凡是电磁感应或永磁体组成磁路的能量转换系统都可称为磁系统。通常的磁系统 主要由静止部分和可动部分两个部分组成，静止部分由磁性材料( 永磁，软磁等) 或 线圈组成，根据磁系统的不同的作用原理，静止部分产生一个或几个电磁参数，这些 参数是恒定或变化的，并把这些参数作用到可动部分去。可动部分则由线圈或金属材 料组成，通过线圈或金属材料的运动完成预定的功能。可动部分可按照不同的磁系统 构成不同的形状，形成不同的运动方式。磁系统的种类很多，可按照激磁方式、可动 部分的运动方式、磁路结构等等分类。按照激磁方式可分为永磁式和电磁式，对应的 磁路称为永磁磁路和电磁磁路。电磁磁路又可按照励磁电源的不同分为直流电磁路和 交流电磁路等。也可按照是否带铁心分为带铁心电磁路和空心电磁路等。结合本文的 研究对象，下面重点介绍一下带铁心的电磁路的结构和类型。 带铁心的电磁路含有激磁线圈和铁心，其结构形式比永磁磁路和空心电磁路复 杂，为了分析和计算起来方便，我们把各种有气隙的电磁路分成甲、乙、丙、丁、戊、 己、庚、辛、丙一甲等九个类型，如图2 4 所示。现分别介绍各种有气隙的电磁路的特 征。 1 2 北京化t 人学硕一l ：学位论义 圈国e t 工 圈画，锣t “ 一瞬雷圄h 控冒 图2 - 4 磁路类型 f i g2 - 4k i n d so fm a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r e 雨 i 5 上m 戊 擎 甲型磁路：甲型磁路中只有一个线圈和铁心，而铁心的两端均有磁轭。从而使得 磁力线在铁心中充分地向两边延伸，减少了磁路的自身退磁效应，甲型磁路在磁中性 面处可得到较高的视在磁感应强度8 。，但是这种磁路在空间散失的磁通较多，因此 磁通利用系数s 较小。 乙型磁路：乙型磁路的磁化线圈通常有左、右两组，铁心的长度应等于左、右铁 心插入线圈长度之和。一般来说，乙型磁路的铁重和铜重之比较小，该磁路的视在工 作气隙的磁感较低、磁路铁心呈坐式，所以比较便于安放。 丙型磁路：丙型磁路具有甲型磁路的特点，即丙型磁路中铁重与铜重之比较大， 视在磁感较高；该磁路的工作气隙处于铁心的一端，使部分漏磁通被利用。丙型磁路 的衔铁多为转动式的。 丙一甲型磁路：丙一甲型磁路有很多种结构形式。磁路的磁通利用系数的计算同甲 型磁路，磁路尺寸比例系数计算同丙型磁路，所以将它们称作丙一甲型磁路。其气隙 平均磁感在行程相同时，次于丙型磁路；但是把它作为接触之类的电磁吸力机构使用， 则具有手动的特点，其吸力面为气隙面积的二倍。使得丙一甲型磁路的总吸力通常大 于丙型磁路的吸力，该型磁路的工作气隙长度为行程的两倍，因而限制了该磁路的行 程，设计时行程不宜太大。 丁型磁路：丁型磁路是组成长宽比稍大于1 的磁路，这种磁路的视在工作点很低； 在视在工作点相同的情况下，与戊形磁路比较，该磁路可以在较长的工作气隙中获得 较高的气隙磁感应强度b g ；所以丁型磁路尽管在相同的视在磁感应强度口。条件下， 铜重或铜重和铁重都大，但仍然具有其使用价值。 戊型磁路：戊型磁路也是组成长宽比稍大于1 的磁路，戊型磁路的视在工作点很 第二章结构设计 低。 己型磁路：己型磁路一般相对而言比较容易获得较高的视在磁感b 。，其磁通利 用系数同丁型电磁路，所以该磁路有可能具有较大的气隙磁感应强度b 2 ，此外，该 磁路的空气隙在螺线管或线圈内，从而使得线圈的视在磁感应强度b 。和空气中由铁 心产生的气隙磁感应强度b 2 相互叠加，最终加强了气隙磁感应强度b g 己，也就是说 使得己型磁路的气隙磁感应强度由召g 增加到了b g 己。即 b g 己= b g + 日窖( 2 - 1 ) 式中 式中 或者 式中 b g 己己型磁路的气隙磁感； b g 由铁心所产生的气隙磁感； g 己型磁通中由单独空心线圈在磁路气隙中建立的视在磁场，其值为 h h g 。i + k ( 2 2 ) k 己型磁路中空心线圈的工作点坐标比； 日理论磁化场，其值为 h = 0 4 万n i ( 2 3 ) b g 己= + h = o 4 万等( 2 - 4 ) 川线圈单位长度上的安匝数； 线圈的总匝数； 线圈的长度； 激磁电流； n i 线圈的总安匝数。 庚型磁路：庚型磁路的特点是有两组线圈和两个气隙，两气隙的磁感应强度均匀， 合力的作用点在衔铁的中间。线圈的厚度大于或者等于单个气隙的长度。 辛型磁路：辛型磁路的特点是既可以得到较高的视在磁感应强度b 。，又可以获 得较高的磁通利用系数，而且辛型磁路的吸合面积为铁心截面的两倍；但是由于气隙 为行程的两倍，所以该磁路不宜用于大行程的机构中。 结合本课题的任务要求，我们设计的电磁路即属于庚型磁路，也可叫做u 型直流 电磁路。其磁路的大致结构示意图如下： 1 4 北京化工人学硕士学位论文 2 2 3 磁性材料 图2 5 庚型磁路结构示意图 f i g2 - 5s k e t c hm a p o ft h ea g et y p em a g n e t i cc i r c u i t 磁性材料一般是指铁磁性物质和亚铁磁性物质，磁性材料有金属磁性材料和非金 属磁性材料两大类，它们又各有单晶、多晶、薄膜等形式。 金属材料是指铁、钴、镍及其合金，某些稀土元素的合金和化合物，它们大都具 有铁磁性。金属磁性材料具有很多优异的特性：首先具有很高的饱和磁感应强度，因 此当磁化后在材料单位体积内可存储的磁能也就很高；其次，金属磁性材料的居里温 度也是比较高的，这样不仅可以扩大材料的使用温度范围，而且也具有较高的温度稳 定性；再者，金属磁性材料的第二类磁性能也是很好的，其最大磁导率可达上百万， 因此用作磁芯时可产生很高的磁通量；此外，金属磁性材料还具有延展性好，吸湿性 小等优点。金属磁性材料的主要缺点是电阻率低，在交变磁场下使用时，材料内的涡 流损耗严重，频率越高，损耗就越大，且其化学稳定性较差，重量也比较大。 非金属磁性材料通常是指铁氧体，即以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要 成分的复合氧化物。它们大都具有亚铁磁性。铁氧体的最大优点是电阻率远比金属磁 性材料高，因此，铁氧体在交变磁场中涡流损耗和趋肤效应都比较小；另外，铁氧体 在高频时有较高的磁导率，这是金属磁性材料所不能比拟的。此外，铁氧体抗锈、防 腐、防老化等性能及化学稳定性都比较好，且价格便宜，重量轻。但是铁氧体的饱和 磁感应强度低，温度稳定性差，它的极限使用温度也低；而且在机械性能上，