（流体机械及工程专业论文）基于halbach阵列磁力泵传动机构研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 磁力驱动泵以其无泄漏的特点，在输送危险、贵重等流体介质时有着广泛的 应用。其工作原理为：由电机驱动外磁转子，在内外磁转子的相互磁作用力下， 内磁转子带动叶轮旋转。其中，内、外磁转子由隔离套分开，则实现泵送工作介 质的零泄漏。 本文针对提高磁力驱动泵传动机构传递转矩值，将h a l b a c h 阵列引入磁力传 动机构的设计中，并对影响其转矩大小的因素进行了研究。主要的研究内容如下： 1 总结常用的永磁材料，并分析各种永磁材料的磁学性能，最后选用合适 的永磁材料； 2 分析磁力传动机构的工作原理，总结常用的磁力传动机构的结构，以及 目前设计中常用的永磁体阵列方式； 3 利用a u t o c a d 软件，对磁力泵传动机构永磁体排列方式进行设计。对于 h a l b a c h 阵列设计出三种分段式结构； 4 在总结磁力传动机构传递转矩的理论计算方法的基础上，利用经典电磁 学方法一等效磁荷法推导永磁体阵列气隙处的平均磁场强度及传递的 转矩值； 5 将磁力传动机构二维模型导入a n s y s ，并对其进行网格划分以及材料属 性的定义。采用m v p 计算模型对磁力传动机构气隙处磁场强度进行计 算，并在后处理中利用虚功原理及麦克斯韦应力法求出磁力传动机构传 递的转矩值； 6 通过有限元模拟结果，对传统阵列以及h a l b a c h 阵列进行比较。分别分 析不同转角差、气隙厚度、磁极数、分段数、永磁体厚度及轭铁厚度对 磁力传动转矩的影响。 关键词：磁力驱动泵，h a l b a c h 阵列，有限元分析，等效磁荷法，转矩 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec h a r a c t e ro fn ol e a k ，m a g n e t i cd r i v ep u m pi sw i d e l yu s e di np u m p i n g d a n g e r o u s ，c o s t l yl i q u i da n ds oo n t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei st h a t , t h em o t o rd r i v e st h e o u t e rm a g n e t i cr o t o r , t h e na st h ei n t e r a c t i o nf o r c eb ym a g n e tb e t w e e nt h ei n n e r m a g n e t i cr o t o ra n dt h eo u t e rm a g n e t i cr o t o r ，t h ei n n e ro n ed r i v e st h ei m p e l l e rt or o t a t e t h ei n n e ra n dt h eo u t e rm a g n e t i cr o t o r sa r es e p a r a t e db yc o n t a i n m e n ts h e l l ，s oi t m a k e st h ez e r ol e a ko fp u m p i n gw o r k i n gm a t e r i a l t h i sp a p e ra i m sa tt h ee n h a n c e m e n to ft h et o r q u eo fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o n s o ， h a l b a c ha r r a yw a sb r o u g h ti n t ot h ed e s i g n ，a n dt h es t u d yo ft h et o r q u ea f f e c t e db ya l l k i n d so ff a c t o r sw a sd o n e t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： 1 t h eu s u a l p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h em a g n e t i c p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sw a sc o m p a r e d t h e n ，t h e a p p r o p r i a t em a t e r i a lw a sc h o s e nt of i tt h ed e s i g n 2 t h ep r i n c i p l eo ft h em a g n e t i ct r a n s m i s s i o nw a sa n a l y z e d ，t h es t r u c t u r eo ft h e u s u a lm a g n e t i ct r a n s m i s s i o nw a si n t r o d u c e d ，a n dt h eu s u a lp e r m a n e n tm a g n e t a r r a y sw e r es u m m a r i z e d 3 d e s i g nt h ep e r m a n e n tm a g n e ta r r a y so fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o nb ya u t o c a d s o f t w a r e ，a n dt h r e ed i f f e r e n ts e g m e n t e dh a l b a c ha r r a y sw e r eb r o u g h tf o r w a r d 4 b a s e do nt h es u m m a r yo fc a l c u l a t i n gt h et o r q u eo fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o ni n t h e o r y , t h ea v e r a g em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yi nt h ea i r - g a pa n dt h et o r q u eo ft h e m a g n e t i ct r a n s m i s s i o nw e r e d e r i v e db yt h ec l a s s i cm a g n e t i s mm e t h o do f e q u i v a l e n tm a g n e t i cc h a r g e s 5 t h e2 dm o d e lo fm a g n e t i ct r a n s m i s s i o nw a sb r o u g h ti n t oa n s y ss o f t w a r ea n d m e s h e d t h e nt h em a t e r i a l sp r o p e r t i e sw e r ed e f i n e d t h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y i nt h ea i r - g a pw a sc a l c u l a t e db yu s i n gm v p m o d e l ，a n dt h et o r q u eo ft h em a g n e t i c t r a n s m i s s i o nw a sc a l c u l a t e di ng e n e r a lp o s t p r o cb yu s i n gt h em e t h o d so fv i r t u a l w o r kt h e o r ya n dm a x w e l ls t r e s st e n s e r 江苏大学硕士学位论文 6 t h et r a d i t i o n a la r r a ya n dh a l b a c ha r r a yw e r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s t h e nt h ea f f e c t i o n so fd i f f e r e n ta n g l ed e v i a t i o n ，t h ea i r - g a p ，t h e m a g n e tp o l e s ，t h em a g n e ts e g m e n t s ，t h ep e r m a n e n tm a g n e ta n dt h ey o k ew e r e a n a l y z e d k e yw o r d s ：m a g n e t i cd r i v ep u m p ，h a l b a c ha r r a gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e m e t h o do fe q u i v a l e n tm a g n e t i cc h a r g e s ，t o r q u e m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密函 学位论文作者签名 年) 么月f 占日一言 呻年i 埸| 客日1 独创性l 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。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己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，均己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。 缈加 轹 月 型 k 作p 1 ，姊叫 论 ： l 业 掘1l七岁 学 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 9 4 0 年，英国学者c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 为解决化工泵在输送危险介 质时的泄露问题，设计并制造出了世界上第一台磁力驱动泵。磁力驱动泵由电机 驱动外磁转子，在内外磁转子的相互磁作用力下，内磁转子带动叶轮旋转。其中， 内、外磁转子由隔离套分开，使用静密封取代了传统泵中的动密封，实现泵输送 工作介质的零泄漏【1 捌。随着工业的飞速发展，能源的过度利用以及环境的污染 问题越来越被人们所关注。1 9 9 0 年，美国颁布的空气洁净法令( n eu sc l e a n a i r a n ) 中把传统的密封泵列为世界上最大的污染源之一。同时，2 0 世纪9 0 年代 永磁材料以及磁力传动技术等新科技的发展，磁力驱动泵以其零泄漏的特点在欧 美广泛应用于冶炼、石化、化工、医药、塑料、食品、酿造、核工业、污水处理、 油漆、染料、溶剂等行业。从当时使用磁力驱动泵的化工厂所反馈的信息来看， 磁力驱动泵的使用不仅仅对安全和环境的保护起到重要的作用，而且可以为公司 节省大量的资金【4 】。 目前，我国对磁力驱动泵的研究较少。相关资料显示，我国甘肃省科学院磁 性器件研究所生产的磁力驱动泵的最大转矩为1 8 5 k w ，与之相比英国h m d 公司 最大能够生产4 5 0 k w 的磁力驱动泵【5 】。在我国，磁力驱动泵在化工、石油和食 品等行业中并没有得到广泛的应用。而当今我国的环境问题越来越得到重视，因 此，如何推广磁力驱动泵以及扩展其应用的范围成为一个重要的课题。 本课题主要针对如何提高磁力驱动泵的传动转矩，在设计中利用钕铁硼永磁 材料的高剩磁及高矫顽力的特点，同时利用h a l b a c h 阵列的高聚磁作用来提高气 隙磁密。使得高转矩、超高转矩磁力驱动泵的设计及制造成为可能。 1 2 磁力驱动泵的国内外发展及研究状况 1 2 1 国外研究现状 英国学者c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 设计发明了磁力驱动泵，利用磁力传动 江苏大学硕士学位论文 装置代替传统的机械传动装置，从而实现输送流体介质的零泄漏。1 9 4 7 年h o w a r d 兄弟将全世界第一台磁力驱动泵提供给i c i 公司( 英旧卜内i 、j 帝罔化学工业公司) 并顺利投产使用。 国外生产磁力驱动技术的厂家手要有：英国t o t t o n 泵公司、h i l g e 泵公司， 美国胜达因( 英国h m d 公司于1 9 9 4 年加入、美幽a n s i m a g 公司于1 9 9 8 年加 入、意人利c a s t e r 公司于2 0 0 0 年加入) 、g o u l d s 泵公司，r 本l w a k i 公司， 德国k l a u su n i o n 公司、d i c k o w 公司、a u w e i e r 公司等睁9 1 。其中，h m d 公司一 直在磁力驱动泵设计及制造领域处于世界领先地位，开发了世界上第一台永磁同 步驱动泵、首创了扭矩环解决了磁力驱动泵不能应用于高温介质的缺点、第一个 推广a p i 标准磁力驱动泵。现今，h m d 生产的磁力驱动器可传递的最大功率可 达4 5 0 k w 。 1 9 9 6 年，美国学者k j s t r a n t 等人研制出s m c 0 5 粉末粘接永磁材料( 最大 磁能积约5 1 m g o e ) ，成为第一代稀土永磁材料诞生的罩程碑【1 0 1 。 1 9 7 7 年，日本的t o j i m a 等人研制的s m c o c u f e z r 7 2 永磁材料标志第二代稀 土永磁材料的诞生【1 1 】。稀土永磁材料钐钴合金的应用使得磁力传动部件所传递的 功率提高约3 4 倍【1 厶1 4 1 。 1 9 8 3 年，日本住友公司和美国通用公司联合研发了钕铁硼( n d f e b ) 永磁材 料，成为第三代稀土永磁材料的代表【1 5 1 。n d f e b 稀土永磁材料比s m c o 稀土永 磁材料拥有更好的磁性能，而且其原料成本低。1 9 8 7 年，日本住友特殊金属公 司研制出磁能积为4 0 4 8 k j m 3 的n d f e b 永磁体；1 9 9 0 年，日本东北金属公司得 到磁能积为4 1 8 4 k j m 3 的n d f e b 磁体；1 9 9 3 年，美国金属学会的年会上，住友 公司又宣布了高达4 3 3 6 k j i m 3 的n d f e b 永磁体；2 0 0 0 年，k a n e k oy 制备出磁能 积为4 4 4 k j m 3 的n d f e b 永磁体【1 6 1 。稀土永磁材料与传统的铁氧体永磁材料相比， 磁力传动器在尺寸上减小了约2 5 。n d f e b 永磁体的磁能积己达到2 5 0 k j m 3 以 上，从而使磁力驱动器传递转矩( 或功率) 能力提高3 - , 4 倍【1 7 1 。 单独对磁力驱动器的研究方面，r m h o m r e i c h 和s s h t r i k m a n 1 8 l 对同步转 矩的磁力驱动器做了优化设计。 c f e r r e i r a 和j v a i d y a 1 9 l 用二维和三维有限元法，对永磁驱动转矩做了分析。 w ：w u ，h c l o v a t t 和j b d u l l l o p l 刎用三维有限元模型对磁力驱动器进行了 2 江苏大学硕士学位论文 分析和优化设计。他们分别使用三维、二维有限元模型的设计方法，指出了纠正 使用二维有限元模型设计所存在的终端漏磁的方法。 磁力驱动无密封泵在动力、化工、石油、医药、食品等行业，以其无密封、 零泄漏的特点得到了广泛的应用。各种类型的泵均可以改造为磁力驱动泵，其中 离心泵是磁力驱动泵的主导产品。h m d 公司曾预言：2 0 0 5 年无密封泵中的端吸 离心泵部分将占过程泵的4 0 一5 0 。磁力传动回转位移泵虽有2 5 年的历史，但 仅仅近十年在设计制造水平及大转矩方面才有广泛的基础。重点是磁力驱动齿轮 泵和螺杆泵，最大传动转矩达4 0 0 n m ，在转速为3 5 0 0 r m i n 下，功率为1 5 0 k w 。 1 2 2 国内研究现状 严可镜于1 9 7 8 年进行了磁力耦合式高压釜的研制1 2 1 】，设计参数为：压力 9 8 m p a ，温度为2 0 0 ，容积为2 l ，搅拌器转速为1 5 0 5 0 0 r m i n ，无极调速。 1 9 9 4 年，严可镜【2 2 l 在论述磁力驱动密封装置以及应用时，不仅阐述了磁力 耦合器在反应釜中的应用，而且简要的介绍了磁力驱动密封装置的结构、工作原 理、磁路、传动力矩的计算和金属隔离套的选材要求。 叶子兆【2 3 】在1 9 8 8 年对磁力驱动离心泵的磁路进行了设计和计算。 刘建瑞【冽对化工泵磁力耦合传动的原理做了介绍，提出磁性材料的选择、磁 钢形式与磁力矩的计算等，这对磁力耦合传动的设计有一定的指导意义。 卢东瞄1 在对泵用磁力耦合器的设计中，阐述了圆筒型同轴磁力耦合器的结构 原理，提出了磁力耦合器设计中应该注意的诸多因素。 李廷占等【凋于2 0 0 1 年在推导出磁力驱动耦合器的磁力矩公式的基础上，对 磁耦合器的各主要部分进行各种因素的分析比较，提出优化设计思路，解决了磁 体长和气隙长之比问题、长径比问题、最大磁力矩和最短磁路问题、相对位移角 和磁极张角的比率问题。 施卫东和魏东【2 7 】对磁力驱动装置的结构、磁路、隔离套的设计提出了新的方 法，并对磁力传动的磁扭矩进行了分析计算。 赵德成【捌在介绍磁力驱动泵的特点及使用与维修时，描述了磁力联轴器的结 构及其磁钢在圆柱面上沿方向的紧密排列方式，即形成“组合推拉磁路 ，并列 举出可供选用的磁性材料及其性能参数。还提出了磁力耦合器在应用中应该注意 3 江苏大学硕士学位论文 的问题。 1 2 3 磁力驱动技术存在的问题 综合国内外对磁力驱动泵的研究，现今磁力驱动泵存在以下几点问题【1 7 】： 1 ) 磁力驱动装置产生的外磁场对周围环境的干扰。磁力驱动装置是利用内外转 子上永磁体产生的磁场之问的相互作用而工作的，因此磁力驱动泵的外磁场 会干扰周围环境，使某些避免磁场干扰的仪器与设备的使用受到限制。 磁力驱动装置在启动过程中会产生相对的滞后现象。在启动运作过程中外磁 转子与内磁转子之间的转角差会随时间的变化而变化，直到磁力驱动装置达 到额定工作条件；在磁力驱动装置正常工作时，负载的变化也会引起外磁转 子与内磁转子之间转角差的变化，因此在精确设备的使用上也受到了限制。 3 ) 磁力驱动装置与接触式密封装置相比，其效率相对较低。当磁力驱动装置所 使用的隔离套采用金属材料时，金属隔离套处于交变的磁场中，该磁场的大 小和方向均随时间的变化而变化，因此会属隔离套在垂直磁力线方向的截面 上会感应出涡电流。这种涡电流不但会减弱工作气隙的磁场强度，降低传递 的转矩，同时也在金属隔离套中产生涡流损失，并以焦耳热的形式释放出来， 从而消耗掉主动轴上的一部分驱动功率，降低了传动的效率。 4 ) 现今磁力驱动技术还不能满足高转矩传递的工作要求。高转矩磁力泵的研制 以及超高转矩磁力泵的研发也是当前磁力驱动泵研究的热点。 5 ) 磁力驱动装置不能应用于高温情况。由于永磁材料存在高温退磁的缺点使得 磁力驱动装置的应用受到极大的限制。常用的稀土永磁材料n d f e b 的最高工 作温度约为1 5 0 ，s m c o 为2 5 0 。 1 3h a l b a c h 阵列发展现状 二十世纪八十年代，美国劳伦斯伯克利国家实验室k l a u sh a l b a c h 教授提出 了一种新型的永磁体阵列- h a l b a c h 阵列【2 9 】。在随后的十几年中，被许多研究 机构相继应用于粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置、真空设备、磁 悬浮技术等高能物理领域【3 0 l 。图1 1 为h a l b a c h 阵列在同步辐射装置中应用的结 构示意图。2 0 世纪9 0 年代中期，国际上开始逐渐重视h a l b a c h 阵列在电机上的 4 江苏大学硕士学位论文 应用【3 1 1 。图1 2 即为h a l b a c h 阵列应用于同步电机的结构示意图。采用h a l b a c h 图1 1h a l b a c h 阵歹应用于同步辐射装置的结构示意图 阵列的电机具有以下特点：第一，气隙磁场趋近于正弦分布，转矩脉动小，对高 精度伺服驱动极为有利；第二，转子轭部铁心可以比较薄，甚至不用，这样不但 减小了电机的体积、重量和转动惯量，同时也改善了电机的动态性能；第三， h a l b a c h 永磁电机可以获得比常规永磁体结构电机更高的工作气隙磁密，从而提 高永磁材料的利用率和电机的功率密度与转矩密度【3 2 1 。 图1 2h a l b a c h 阵列在电机中的应用【3 3 】 ( a ) 理想h a l b a c h 阵列( b ) 分段h a l b a c h 阵列 图1 3h a l b a c h 阵列示意图 从目前磁力驱动泵的研究来看，h a l b a c h 阵列在磁力驱动泵中的应用少有研 究。随着当今石油、化工、医药等工业领域对高转矩及超高转矩磁力驱动泵的需 求，使得我们要更加深入的研究永磁材料的利用和磁体的优化排列，以达到使用 5 江苏大学硕士学位论文 更少的材料而得到更高的转矩的目的。因此，h a l b a c h 阵列是一个很有意义的研 究方向。图1 3 所示为圆筒型h a l b a c h 阵列的截面示意图( 箭头方向表示每一块 永磁体的磁化方向) 。其中，图( a ) 所示为理想h a l b a c h 阵列，整个磁阵列由一 块环形磁体构成；图( b ) 所示为分段式h a l b a c h 阵列，整个磁阵列由多块具有 不同磁化方向的小磁体拼接构成。如果要获得理想h a l b a c h 阵列，需要对环形磁 体进行整体环形充磁，但从当前永磁体的充磁加工工艺来看，整体环形充磁的成 本非常高，并且工艺还不够完善。因此，在绝大多数的工程应用中都采用图( b ) 所示的分段拼装方式的分段式h a l b a c h 阵列【3 4 l ( 相邻磁体间由粘合剂粘结) 。 1 4本课题研究的内容与方法 本课题主要将h a l b a c h 阵列应用于磁力驱动泵的传动机构作为研究对象，主 要研究内容为以下几方面： 1 ) 总结现有的永磁材料种类，并分析各种材料的磁学性能，最后选取合适 的永磁材料作为设计方案； 2 ) 分析磁力传动机构的工作原理，总结常用的磁力传动机构的结构，以及 目前设计中常用的永磁体阵列方式； 3 ) 利用a u t o c a d 软件，对磁力泵传动机构永磁体排列方式进行设计。对于 h a l b a c h 阵列设计出三种分段式结构； 钔在总结磁力传动机构传递转矩的理论计算方法的基础上，利用经典电磁 学方法一等效磁荷法推导永磁体阵列气隙处的平均磁场强度及传递的 转矩值； 5 ) 将磁力传动机构二维模型导入a n s y s ，并对其进行网格划分以及材料属 性的定义。采用m v p 计算模型对磁力传动机构气隙处磁场强度进行求解 并在后处理中利用虚功原理及麦克斯韦应力法求出磁力传动机构传递的 转矩值； 6 1 由a n s y s 数值模拟获得的结果，对传统阵列以及h a l b a c h 阵列进行比较 分析。分别考虑不同转角差、气隙厚度、磁极数、分段数、永磁体厚度 及轭铁厚度对磁力传动转矩的影响。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章磁性材料的选择 2 1 磁性材料的分类及其基本物理量 2 1 1 磁性材料的分类 磁性材料是指能够利用的磁学性质的材料，按其功能可分为以下几大类【3 5 1 ： 1 )易被外磁场磁化的磁芯材料( 也称软磁材料) ； 劲可发生持续磁场的永磁材料( 也称硬磁材料) ； 3 )通过变换磁化方向进行信息记录的磁记录材料； 钔通过光( 或热) 使磁化发生变化进行记录与再生的光磁记录材料； 5 )在磁场作用下电阻发生变化的磁致电阻材料； 6 l因磁化使尺寸发生变化的磁致伸缩材料； n形状可以自由变化的磁性流体材料等。 在磁力驱动泵的传动机构中我们主要使用的是前两种磁性材料用作磁 转子的永磁材料和作为轭铁的软磁材料。下文介绍到的磁性材料的特性除特殊说 明外，均指永磁材料和软磁材料。 2 1 2 磁性材料的基本物理量 1 ) 磁感应强度曰 磁感应强度也称为磁通量密度，是用作磁场定量量度的矢量。它表征磁场内 某点磁场的强弱和方向的物理量。单位为特斯拉( t ) 或高斯( g s ) ，1 t = 1 0 0 0 0 g s 。 2 l 磁场强度日 磁场强度是描述磁场现象的一个物理量，其量值是该磁场对另一作为单位磁 场的比值。单位为安培米( a m ) 或奥斯特( o e ) 1a m = 7 9 6 0 e 。在各向同性 的导磁物质中，磁场强度和磁感应强度的关系为h = b 。 3 )磁导率 磁导率是表征材料特性的一个因子，是用来衡量物质导磁能力的物理量。它 与材料中产生的磁感应强度和磁场强度的比值成正比，单位为亨利米( h m ) 。 相对磁导率h = 。心为真空磁导率，其大小恒定，, u o = 4 兀x 1 0 - 7h m 。 7 江苏大学硕士学位论文 对于磁性材料h 1 ；对于非磁性材料胁，h = 1 。 4 ) 居早温度瓦 居鼻! 温度是铁磁性物质由铁磁状态转变为顺磁陀状态的临界温度，它是表征 永磁材料温度使用范围和稳定性的重要参数，单位为摄氏度( ) 。 5 )最大磁能秘m 。； 在永磁体退磁曲线l 二，任意点的磁感应强度和磁场强度的乘积叫做磁能积。 磁能积的最大值叫做最大磁能积。它是表征永磁体强度的指标。 6 ) 磁感可逆系数啦 磁感可逆系数是指温度每升高1 0 0 。c 磁感强度下降的百分比，其单位为 。它是表征永磁材料磁性能随温度变化的指标。 2 2 磁学现象与磁性 2 2 1 磁学现象的基本原理 早在公元前三世纪，人们就发现磁铁可以吸引铁，同极相斥、异极相吸的现 象。最早对磁现象进行研究的科学家是英国的吉尔伯托( w i l i a mg i l b e r t ， 1 5 4 4 。1 6 0 3 ) 。随后，经法国的安培( a n d r 6 m a r i e a m p 6 r e ，1 7 7 5 1 8 3 6 ) 、丹麦的 奥斯特( h a n sc h r i s t i a no e r s t e d ，1 7 7 7 。1 8 5 1 ) 、英国的法拉第( m i c h a e lf a r a d a y ) 等人奠定了磁学科学的基础。在1 9 0 0 年到1 9 3 0 年间，先后确立了金属电子论、 顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、x 射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波 动力学、铁磁性体理论、金属电子量子理论、电子显微镜等相关的理论。 所有物质都是由原子构成的，而原子是由原子核与其核外电子所构成。带单 位负电荷的电子绕原子核作轨道运动和自旋运动。这两种运动都会产生磁矩，与 这种物质磁矩相联系的各种现象统称为磁现象。因此，物质的磁性及磁现象的主 要根源是电子的运动。 2 2 2 磁化与磁滞回线 不同磁性材料在外加磁场中会表现出不同的磁化特性，这种性质称为物质的 磁性。根据物质的磁性分类，磁性材料可以分为：强磁性材料、弱磁性材料和反 8 江苏大学硕士学位论文 磁性材料。本文针对磁力传动机构的研究，下文主要分析强磁性材料的磁化特 性。 所谓磁化，广义上来说是指物质中形成了成对的n 、s 磁极。如上文所述， 物质的磁性是电子绕原子核做轨道运动( 形成轨道磁矩) 和自旋运动( 形成自旋 磁矩) 形成的。在通常的情况下，由于热运动的结果，使得宏观上总的合成磁矩 为零，对外不显磁性。当外加磁场时，带电粒子在磁场的作用下其运动方向会发 生变化，甚至产生新的电流，导致各个磁矩重新排列，宏观上合成的磁矩不再是 零，这种现象称为磁化【3 6 1 。 图2 1 所示为一个完全无磁性的某种铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线图。在 外加磁场强度日从零上升到某一最大值风的过程中，磁感应强度曰沿磁化曲线 o a 上升，磁场强度凰对应一个最大的磁感应强度曰m 。从磁化曲线我们可以看 出磁感应强度随磁场强度的增加而增加，但当磁场强度增加到某一最大值后，磁 感应强度将不再随磁场强度的增加而变化，其大小将保持不变。 在磁场强度日由巩下降到零的过程中，磁感应强度曰沿着另一条曲线曲 下降到某一数值研，夙常被称为剩余磁感应强度或剩余磁通密度，而这种磁感应 强度的变化滞后于磁场强度的变化称为磁滞现象，同时也说明了铁磁材料在被磁 化后，退去外磁场仍然具有磁性。根据剩余磁感应强度的大小，人们常把铁磁性 材料分为硬磁材料( 也称永磁材料) 和软磁材料。 此后，如果施加一个反向的磁场，则当磁场强度变化到_ 日c 时，磁体的剩余 磁场全部被抵消，此鼠称为矫顽力；若继续增强这个反向的磁场强度到h m 时， 则对应的磁感应强度为坷m ，如曲线以段所示。然后，削弱反向磁场强度，磁感 应强度曰将沿如曲线变化到e 点，这时对应的b = - b ，；当反向磁场继续减弱到零 时，磁感应强度曰沿盯曲线变化；最后，若正向施加磁场，磁感应强度变化曲 线不再同o a 曲线的变化情况，而是随向曲线变化。在实际铁磁性材料磁化的过 程中，需要磁场强度日在+ 巩和风反复多次变化后才能得到闭合曲线a b c d e f a ， 这个闭合曲线就称为磁滞回线。 对于同一种材料外磁场施加的磁场强度日的最大值风的不同可以得到不同 的磁滞回线。将不同值下所得到的磁滞回线的顶点连接起来所得到的曲线就 是基本磁化曲线。这里需要指出的是，对于同一种材料其拥有一个最大的剩余磁 9 江苏大学硕士学位论文 感应强度岛值，因此基本磁化曲线最终是趋近于一条直线的曲线。 二 8 m & 一，。l f 。 c l ij | l ，7 坍。 o h c f + h m 童匕一一 一 p 2 3 永磁材料的选择 图2 1 磁化曲线与磁滞回线 永磁材料也常被称为硬磁材料或高矫顽力材料，这类磁性材料经过外加磁场 磁化，再去掉磁场以后能够长时间维持较高的剩余磁性，并能经受不太强的外加 磁场以及其他环境因素的干扰。这一类磁性材料的应用主要是利用永磁材料在气 隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极间的相互作用，磁场对带电物体、离子或 载电流导体的相互作用来做功，从而实现能量的转换或传递。 2 3 1 永磁材料的发展历史 2 0 世纪3 0 年代，铁氧体永磁材料的发现是人们对永磁材料最初研究的开始。 铁氧体永磁材料又称为永磁铁氧体，是由铁的氧化物和锶( 或钡等) 化合物按一 定比例混合，经预烧、破碎、制粉、压制成型和烧结加工而成。当f j i 广泛应用的 永磁铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体，其化学式为m o x f e 2 0 3 ，其中， m = b a ，s r ，c a 或p b 等。铁氧体原材料丰富、平均售价低、性价比高( 性价比 是指单位磁能积的成本，国际上通常将其作为比较不同永磁材料价值的基准) 、 工艺简单成熟、抵抗退磁性能优异，而且不存在氧化的问题。因此铁氧体是最为 1 0 江苏大学硕士学位论文 常见的永磁材料。目前，产值约占永磁材料总产值的4 0 。但是，与其他永磁材 料相比，铁氧体的综合磁性能较低【3 7 1 。 在近5 0 年中，稀土永磁材料得到了迅速的发展，同时也大大推动相关机械 产品的更新和研发。稀土永磁材料可分为钴基稀土永磁材料、n d f e b 稀土永磁 材料和s m f e n 稀土永磁材料。 钴基稀土永磁材料包括s m c o 系、p r c o 系和c e c o 系等，不同的稀土元素构 成的钴基化合物永磁材料具有不同的磁性能。其中，s m c o 系稀土永磁材料最具 有代表意义。s m c 0 5 化合物具有很高的磁晶各向异性常数，( 1 = 1 5 。1 9 x 1 0 a 3 。 其理论磁能积可达2 4 4 9k j m 3 。做成磁体以后，s m c 0 5 永磁体的b r = 0 8 加9 5t ； h 。= 5 5 7 2 7 5 6 2k a m ；( b h ) m a x = 1 3 5 3 1 5 9 2k j m 3 。采用强磁场取向、等静压和 低氧处理工艺，s m c 0 5 永磁体的最高磁性能可以达到曰r - 1 0 7t ；h 。= 8 5 1 7k a m ： ( b h ) 一= 2 2 7 6k j m 3 。s m c 0 5 的居里温度为7 4 0 。c ，它可以在5 0 2 5 0 * ( 2 的温度范 围内工作。 1 9 7 7 年，日本的t o j i m a 等人研制出s m 2 c 0 1 7 稀土永磁材料【1 1 1 。s m 2 c 0 1 7 合 金具有高的内禀饱和磁化强度，居罩温度瓦也很高，t c - - - 9 2 6 。c 。如果用f e 元素 部分取代s m 2 c 0 1 7 化合物中的c o 元素，所形成的s m 2 ( c o l - x f e x ) 1 7 合金的内禀饱 和磁化强度可进一步提高。当胆0 7 时，s m 2 ( c o o 3 f e o 7 ) 1 7 合金的内禀饱和磁化强 度可达1 6 3 t ，其理论最大磁能积可达5 2 5 4k j m 3 ，最高工作温度为2 6 0 。c 。另 外，在s m 2 ( c 0 1 乒嘞1 7 的基础上添加c u 、z r 元素形成的s m z ( c o f e z u ) 1 7 合金拥有 2 5 4 0 0 。c 的工作范围，磁感可逆系数也仅有0 0 3 4 。c ，矫顽力可逆系数也相当 低，约为0 1 4 8 。c 。 钴基稀土永磁材料具有非常好的磁性能，但它的缺点是含有较多的战略金属 c o 和储藏量较少的稀土金属s m 。其原料成本非常高，而且在s m 2 c o l 7 化合物添 入其他元素的工艺也相当复杂。 1 9 8 3 年，同本住友公司和美国通用公司联合研发了n d f e b ( 钕铁硼) 稀土 永磁材料f 1 5 】。按照制造方法的不同，n d f e b 永磁体可分为两类：一类是粘结永 磁体，主要用于电子、电气设备的小型化领域；另一类是烧结永磁体，多为块状 体，主要满足高矫顽力、高磁能积的应用要求。n d f e b 稀土永磁材料比s m c o 稀土永磁材料有着更好的磁性能，而且更重要的是其原材料储藏量大且成本低。 江苏大学硕士学位论文 自n d f e b 被发明以来，各国学者对提高其性能做了非常多的研究。1 9 8 7 年，日 本住友特殊金属公司研制出最大磁能积为4 0 4 8k j m 3 的n d f e b 磁体；1 9 9 0 年， 日本东北会属公司得到最大磁能积为4 1 8k j m 3 的n d f e b 磁体；1 9 9 3 年，在美国 金属学会的年会上，住友公司又宣布了高达4 3 3 6k j m 3 的n d f e b 磁体；2 0 0 0 年， k a n e k oy 制备出最大磁能积为4 4 4k j m 3 的n d f e b 永磁体【1 6 1 。但n d f e b 材料的 缺点是其工作温度范围较窄，最大工作温度约为1 5 0 ，这也使得n d f e b 不适 用于高温的情况。 1 9 9 0 年，c o e y 等人发现大部分r 2 f e l 7 化合物于4 5 0 - 5 5 0 。c 氮化处理后所形 成的s m f e n 间隙会属间化合物( 如s m 2 f e l 7 n 3 ) 的内禀特性几乎与n d 2 f e l 4 b 化 合物相同，同时具有比n d 2 f e l 4 1 3 化合物更高的各向异性场和更高的居里温度。 其最大磁能积的理论值为4 7 2k j m 3 ，居里温度高达5 0 0 。c 3 8 1 。正是因为s m f e n 稀土永磁材料的这些优良特性，许多学者称其为第四代稀土永磁材料，并在理论 以及制备工艺等方面进行了大量的研究。1 9 9 9 年3 月日本住友金属矿山将s m f e n 粘结磁体投入市场，但此产品的最大磁能积只能达到1 0 5k j m 3 ，远未发挥出 s m f e n 的优异磁性能。由于s m f e n 永磁材料的加工工艺还不完善，要使其成为 在市场上具有竞争力的稀土永磁材料还需要在工艺和理论上进行双重研究【3 9 】。 2 3 2 磁力传动机构永磁材料的选择 对于磁力传动机构，永磁材料的选择应当具备以下几点： 1 ) 剩余磁感应强度研足够高。足够高的剩余磁感应强度可以使磁力传动机构获 得较大的磁场力和磁转矩； 2 ) 矫顽力风足够高。矫顽力是决定永磁材料是否容易退磁的一个因素，同时也 使得永磁材料拥有较高的最大磁能积( 引田m 舡。最大磁能积是永磁材料的一个 重要的物理量，它是衡量永磁材料强度的量度。 3 l 永磁材料应当具有良好的温度稳定性和较大的工作温度范围。温度稳定性是 指，永磁材料的磁性不易随工作温度的变化而变化。较大的工作温度范围可 以使磁力传动机构的应用性更强。 当前，我幽市场上常见的永磁材料有铁氧体、钕铁硼( n d f e b ) 、稀土钴 ( r 2 c o l 7 ) 、铝镍钴( a l n i c o ) 等，其性能比较见表2 1 。 江苏大学硕士学位论文 表2 1 各种常见永磁材料性能比较【1 7 , 4 0 性能 剩余磁感矫顽力最大磁能居里温度 磁感可逆最高工作 系数温度 材料 应强度( k a m ) 彩1 , ( k j m 3 ) ( ) ( ) ( ) 铁氧体 邳3 9猢盈74 6 0m 1 82 0 0 s m 2 c 0 1 7 之1 0 5芝6 7 6芝2 0 1 6 7 0 8 5 0旬0 3 3 5 0 n d r ；b芝1 1 7芝8 4 4 2 4 7 2 6 33 4 0 4 d 1 0- 0 1 2 61 5 0 圳i c o 芝1 1 5 芝1 2 7 48 7 5 68 0 00 0 25 0 0 从表2 1 来看，n d f e b 和s m 2 c 0 1 7 的剩余磁感应强度、矫顽力和最大磁能积 都较高，在磁力传动机构中可以获得较高的气隙磁场强度。s m 2 c 0 1 7 和a l n i c o 的磁感可逆系数都很小，温度稳定性较好并且具有比较高的最高工作温度；而 n d f e b 的磁感可逆系数较大，其磁性能的降低随温度的升高变化较大。综上来 看，铁氧体的综合磁性能最差，a l n i c o 的最大磁能积太小，它们都不适宜用作 磁力传动机构；n d f e b 和s m 2 c o 】7 均具有非常出色的磁性能，因此在磁力传动机 构中常常选用这两种材料。由于n d f e b 的成本比s m 2 c 0 1 7 低很多，因此优先选 用n d f e b 永磁材料。但n d f e b 的使用温度较低，在磁力泵中只能用于输送温度 为o 。8 5 的流体介质，在8 5 2 5 0 的高温情况选用s m 2 c o l 7 。 2 4 软磁材料的选择 软磁材料( 也称高导磁材料) 是指，由较低的外部磁场强度就可获得大的磁 化强度及高密度磁通量的材料【3 5 1 。在磁力传动机构中，软磁材料主要作为轭铁。 环形的轭铁可以起到磁屏蔽的作用，防止外部磁场的干扰，同时可以改变磁路中 的磁通密度，调整漏磁的大小。对于软磁材料的基本要求如下： l l 磁导率是软磁材料的一个非常重要的特性参数。对于同一种材料，其具有恒 定的初始磁导率( 戌) 、最大磁导率( ) 。通常要求以和心。要高，其目 的在于提高功能效率； 2 ) 剩余磁感应强度( 毋) 要低。这样可以把软磁体做得轻薄，并且可以迅速响 应外磁场极性( n s 极) 的反转； 3 ) 矫顽力( 日。) 要小。拥有较小矫顽力的软磁材料的高频性能更好； 江苏大学硕士学位论文 钔铁损( i r o nl o s s ) 要低。其目的在于提高功能效率； 5 ) 电阻率要高。较高的电阻率有助于提高高频性能，而且可以较少涡流损失； 6 ) 磁致伸缩系数( m a g n e t o s t r i c t i o n ) 要低。目的相jj ：降低噪卢； n 磁各向异性系数k 要低。可以使得软磁材料无论在哪个结晶方向都较容易磁 化。 表2 2 为常见软磁材料的性能比较。对于磁力传动机构，山于其磁路主要采 用永磁材料，在磁路巾小存在变化的磁场，因此不必考虑磁损的问题。一般情况 下，磁力传动机构选刚低碳钢作为轭铁。低碳钢与工业纯铁的磁性能非常接近， 而且不f 日更容易加工同时价格更便宜。 2 5 小结 本章介绍了： 1 磁学现象的基本原理； 2 磁力传动机构永磁材料的选择； 3 磁力传动机构软磁材料的选择。 1 4 江苏大学硕士学位论文 表2 2 常见的软磁材料性能比较【3 5 1 饱和 材料磁导率 矫顽 居里 磁通电阻率 系组成 初始最大 力温度 材料名称 密度