（机械制造及其自动化专业论文）基于有限元分析的磁性齿轮模拟仿真及实验研究.pdf

摘要 本文以一种可实现非接触式空间交错轴系传动的磁性齿轮为研究对象，系 统研究其磁场强度、力特性等材料属性，以及与之有关的性能检测实验。获得 有益的结论如下： 1 利用a n s y s 商用软件对磁性齿轮进行有限元分析，研究了磁极数对传 动扭矩的影响规律，以及两磁性齿轮间隙与磁场力的关系，分析了磁 性齿轮最大承载力的最佳位置。 2 通过分析磁性材料属性选择出磁性齿轮材料，规划出工艺制作过程。 在此基础上，设计出模具和充磁装置结构，并对所设计的磁性齿轮磁 场强度和均匀度进行实验测试。 3 对磁性齿轮传动实验装置进行设计，并对其性能进行实验测试。结果 表明所研制的磁性齿轮的性能数据达到国外同类产品的水平，且磁性 齿轮能成功实现空间交错轴系的传动。 上述成果不仅对新型齿轮的制造奠定了良好的基础，而且还对由该类 型齿轮作为核心零件的传动设备的设计开辟了一条新思路，在工业应用中 应具有着广阔的前景。 关键词：磁性齿轮磁性材料承载力 有限元 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e da to n ek i n do fm a g n e t i cg e a rw h i c hc a nr e a l i z et h e n o n c o n t a c ts p a c eo v e r l a p p i n gt r a n s m i s s i o n m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , f o r c ec h a r a c t e r s a n do t h e rm a t e r i a lp r o p e r t i e sa r es y s t e m a t i c a ll y i n v e s t i g a t e d ，a sw e l l a ss o m e e x p e r i m e n t sf o rp e r f o r m a n c et e s t i n g t h e r ea r es o m ec o n c l u s i o n ss u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 a n s y si su s e dt od ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ei n f l u e n c er e g u l a t i o no f m a g n e t i cp o l eo nt h et r a n s m i s s i o nt o r q u e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a g n e t i c g e a r sg a p a n di t sm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dt h eo p t i m i z a t i o np o s i t i o no ft h eg r e a t e s t l o a df o r c eo nm a g n e t i cg e a rh a sb e e ns t u d i e d 2 m a g n e t i cg e a r sm a t e r i a ls e l e c t i o na n di t sm a n u f a c t u r ep l a n n i n gp r o c e s sa r e m a d eb a s e do nt h em a g n e t i cm a t e r i a la n a l y s i s e s p e c i a l l y ，t h ed e s i g na n dt e c h n i c a l c o n t e n to ft h em o l da n dm a g n e t i z e sa r ei n t r o d u c e d t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n d t h eu n i f o r m i t yo ft h i sm a g n e t i cg e a ra r et e s t e d 3 t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h em a g n e t i cg e a r t e s t i n ge q u i p m e n t ，a n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h et e s tr e s u l t t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h em a g n e t i cg e a rh a sa c h i e v e dt h eh i g h e s tl e v e lo f s i m i l a rp r o d u c t sw o r l d w i d e ，a n dt h em a g n e t i cg e a rc a nr e a l i z et h en o n - c o n t a c ts p a t i a l o v e r l a p p i n gt r a n s m i s s i o ns u c c e s s f u l l y t h i sr e s e a r c hc a nn o to n l ye s t a b l i s h e dg o o df o u n d a t i o nf o rt h em a n u f a c t u r eo fn e w t ) r p eo fg e a r ，b u ta l s oc r e a t ean e wm e t h o df o rt h ed e s i g no ft r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t s w h o s ec o r ep a r ti st h em a g n e t i cg e a r t h e s er e s u l t sh a v ew i d ef o r e g r o u n di nt h e i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m a g n e t i cg e a rm a g n e t i cm a t e r i a l l o a df o r c ef i n i t ee l e m e n t n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特另, j j j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李分期辛签字日期：沙7 年期弓7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李渤辛 签字日期：矿( 年r 月- ；7 日 n 导师签名： 签字日期： 偏拇 沙产s 月) 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 在液晶屏( l c d ) 、等离子显示器( p d p ) 等半导体平板显示设备的生产过程 中，即使是微量的颗粒、灰尘也会造成产品报废或出现次品，因此对于生产环 境的洁净程度指标要求非常苛刻。为了保证平板显示产品生产过程中的洁净条 件，迫切需要特殊的无尘化生产传送机构与装备。传统的传送装置一般是采用 带、链、齿轮等各种机械传动，而这些常规传动无论是啮合传动还是摩擦传动， 由于都是接触式传递，在工作过程中不可避免地会产生微粒与灰尘。 而磁性齿轮与传统齿轮有着本质上的区别，其传动方式为非接触式传动， 在传动的过程中不会像传统齿轮那样靠齿廓接触传动，它是通过磁极耦合作用 来实现力的传递，其整个传动过程中，两磁性齿轮间一直留有一定间隙，所以 它不会像传统齿轮那样产生摩擦、挤压等影响，甚至传动失效。因而，在对环 境的清洁条件要求相当高的行业中，用磁性齿轮代替齿轮、带等传统的接触式 传动成为一种趋势，它具有洁净化程度高、低噪声、低损耗、安全性高等诸多 优点。 针对平板显示器生产过程中对传送装备与工业自动化产品的高清洁度要 求，研究磁性齿轮非接触式传动的关键技术以及其设计的实现，其中涉及磁性 材料、齿轮成型、齿轮充磁、磁极数、磁通量、间隙等关键参数对磁性齿轮传 动的影响，研制适用于平板显示器生产线的磁性齿轮传动试验型装置，具有实 际应用价值和前景，它在国外己日益受到重视【l 州。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 国外发展概况 1 9 4 0 年英国人c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 利用磁力驱动烈5 j 首次解决了输 送危险性介质的化工泵泄漏问题。1 9 8 3 年，由于高性能钕铁硼( n d f e b ) 永磁材 料的问世，提供了磁力驱动泵关键部件的材料，使其得到了快速的发展。 加拿大n o v a 公司生产的超压风机【5 j ，成功利用磁轴承以静密封代替动密 封实现传动。其磁力传动的内轴承位于所密封的空间内，它用密封的介质润滑 和冷却，在1 7 m p a 氦气压力下，泄漏率小于l c m 3 h ，轴承寿命超过1 0 0 0 0 h 。 另一系列的加压风机，自由排放流量7 5 0 m 3 h ；系统压差为3 5m p a 时，流量 第一章绪论 4 0 0 m 3 h ，实现了零泄漏。 韩国l n a t e c h 公司是l c d 、p d p 等半导体产业设备的制造企业。该公司 具备产品系列化的非接触传动传送装置，可移送l c d 或f p d 等平板显示器。 它是一家将磁性齿轮规模化地应辟j 于工业生产- j 的代表型企业。如图1 1 所示。 22 国内发展概况 图l - ii n a t e c h 公司的磁齿轮流水线 1 多层碰啮轮 如图i 一2 所示的一种多层平面磁啮 轮和多层球面磁咕轮以及采用这种磁喘 轮的磁性传动装置。多层磁啮轮m 1 由若干 可旋转的基底、若下可一起旋转的间隔片 以及排布在基底上的磁体和转轴组成。如 图1 - 3 a 所示，磁啮轮的每个基底都是由 等间隔排列于其分度圆上的磁体组成，且 磁体磁极为异号交替分布，圈中深色磁体 图i 2 多层碰啮 为极，浅色磁体为5 极。整个磁啮轮由带磁体的基底和间隔片相间同轴叠台 而成，如图1 3 b 所示。 在两个相啮台的磁啮轮的啮台部位，个磁啮轮的任一碰体或磁极都处于 另一磁啮轮的若干磁体或磁极所形成的磁场巾，在转轴的约束f ，当磁体或磁 极偏离对应磁场时就会产生切向的磁作f j 力。该传动装置虽可实现非接触传动， 但其结构复杂，凡寸偏大，装调不方便。 第一章绪论 豳 盅 移。一 焱勰i n 二。一一 目1 3 多层碰啮轮原理图 2 单个磁对应传动齿轮 单个磁对应传动齿轮1 7 1 本体外圆周上设置有凹槽，凹楷内放置磁条块，其 中的 、s 为镶入的磁条块，且n 、s 极交替排列：两磁对应齿轮在镶入的磁条 块耦合作用下实现非接触传动。但其存在结构工艺性差、承载能力小、加工装 配困难等缺点。 3 直驱承磁风力发电机 2 0 0 5 年，我国第一台国产兆瓦级风力发电机投入运行。这台i2 m w 直驱 式永磁风力发电机m 1 是我国第一台整机设计、制造的兆瓦级风机。其定子结构 与电磁式同步发电机基本相同，其转子为永磁式结构，咀永久磁铁取代了电磁 式同步发电机的电励磁绕组，无需外部提供励磁电源，提高了效率，简化了发 电机的结构。 国内外有关于碰性齿轮应用于工业生产装备的报道或文献比较少，大多只 是在理论方面的探索研究，例如对磁性齿轮的传动特性和扭矩分析【l “、磁性齿 轮用在人工心脏的模拟实验、磁能血泵的驱动分析坤。 第一章绪论 1 3 课题的主要研究内容 本文结合磁性齿轮的国内外发展现状，对磁性齿轮的基础理论和工作原理 进行了初步探讨，并运用电磁场有限元分析技术对磁性齿轮进行了模拟仿真计 算，重点阐述了磁性齿轮的材料选择，磁性齿轮的制造及性能测试。论文章节 安排如下： 第一章阐述本课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究状况和 存在的一些问题并提出本文的主要研究内容。 第二章对磁性齿轮的工作原理及材料特性进行分析研究，并进行选材。 第三章采用a n s y s 对磁性齿轮的不同极数、不同间隙等情况做了模拟仿真 计算，得到其基本设计参数值，为磁性齿轮的制作提供有效依据。 第四章根据磁性齿轮最佳参数制作充磁器，并进行性能测试。 第五章对实验测试装置进行方案设计并进行实验分析。 第六章汇总全文主要结论，并提出今后工作展望。 4 第二章磁性齿轮理论及材料选择 2 1 引言 第二章磁性齿轮理论及材料选择 磁性齿轮的传动相比于传统齿轮的最大不同之处在于磁性齿轮的形状 与普通机械齿轮的形状完全不同，它没有轮齿，而是由多个磁体按照极 和s 极相间顺序围成的圆柱体或是圆环体，磁极被径向进行磁化。两磁性 齿轮之间有一定的空隙，因此磁性齿轮的传动不像传统齿轮那样，通过轮 齿的直接接触来传递动力的，而是通过磁极产生的磁场相互进行耦合来传 递力和力矩的。 本章阐述了磁性齿轮的工作原理和与之相关的磁力学知识，提出了制 造磁性齿轮的材料以及其加工方案。 2 2 磁性齿轮相关理论 传统齿轮【12 j 的啮合，其啮合原理如图 2 - 1 所示。当两轮的一对轮齿开始啮合时， 必为主动轮的齿根推动从动轮的齿顶，啮合 点为b 2 。随着传动的进行，两齿廓的啮合点 将沿着主动轮的齿廓，由齿根逐渐移向齿项， 同时沿着从动轮的齿廓，由齿顶逐渐移向齿 根。当啮合进行到b - 点时，两轮齿即将脱离 啮合。齿轮传动是典型的接触传动，在啮合 接触过程中会产生摩擦、磨损和微粒污染， 并且发生点蚀、断齿等失效以及添加的润滑 剂所造成的污染等。 由于在半导体行业对生产环境、洁净度 要求很高，非接触传动取代传统接触传动是 图2 1 齿轮传动原理 一个趋势，因此考虑采用磁性齿轮来代替传统齿轮实现非接触传动。磁性 齿轮不像传统齿轮那样外形复杂、齿廓加工工艺繁杂，磁性齿轮的外形为 一光滑圆柱体，其磁极经在其圆柱体上充磁得到，它可以通过磁极强度的 相互耦刽1 7 吲作用实现传动。它涉及多学科的交叉和综合， 第二章磁性齿轮理论及材料选择 2 2 1 磁性齿轮工作原理 如图2 2 为两圆柱体磁环，上面分布磁极，称该对磁环为磁性齿轮。设齿 轮l 为主动轮，齿轮2 为从动轮，齿轮环状柱体表面由数对、s 磁极交替分 布，同传统齿轮一样，两轮在圆周上的线速度须保持一致，即分布在两磁性齿 轮表面的单个磁极宽度一致，且两相对磁极为异号。 主 图2 2 磁性齿轮传动示意图 ( a ) 动轮 动轮 0 。 轮 ( d ) 动轮 q 图2 3 磁性齿轮工作原理图 磁性齿轮通过轮缘磁极间产生的磁场相互耦合，产生磁作用力来传递运动。 两轮静止时，在磁场力作用下，同极相斥，异极相吸，在两轮连心线上始终保 第二章磁性齿轮理论及材料选择 持、s 相互耦合。如图2 - 3 ( a ) 所示，当传动静止时，磁力分布在两轮连心线上， 大小相等，方向相反，磁极间传动扭矩为零；当主动轮发生旋转，设转角为鼠， 此时假设从动轮未发生旋转，则力平衡被破坏，从动轮受到一个向上的磁极分 力足，作用，如图2 - 3 ( b ) 所示，该分力对从动轮形成驱动扭矩，使从动轮转动； 当齿轮旋转到图2 - 3 ( c ) 所示位置时，即旋转角为舅时，此时从动轮受到主动轮 s 极和极合力砌的作用，此时的从动轮所受的合力最大，产生的驱动扭矩也 最大；如果当从动轮发生旋转到图2 - 3 ( d ) 的位置时，此时的两磁性齿轮处于非 稳定的力平衡状态下，从动轮将发生非定向的旋转，这主要取决于主动轮的旋 转方向，或按照一定的旋转惯性发生旋转。在一对耦合磁极分离之前，相邻一 对磁极会跟进进入耦合，从而保证传动的连续进行。 2 2 2 磁性齿轮的传动类型及结构形式 磁性齿轮不但可以像传统齿轮那样实现平行轴系的运动传递，也可以实现 轴系交错的传动，因此它也有多种传动类型和结构形式。 图2 - 4 外啮合传动图 图2 5 内啮合传动图 图2 - 6 齿轮齿条传动 1 同齿轮传动一样，磁性齿轮传动也分外啮合传动、内啮合传动和齿轮齿 条传动。如图2 4 所示，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极充磁。对于内啮合传动，如图2 5 所示，大齿轮必须是 圆环体，其它则与外啮合传动相同。图2 - 6 所示为齿轮齿条传动，该磁性齿轮 与外啮合传动中的齿轮相同，而齿条则是一带状磁体，磁极沿长度方向均布。 2 根据主动轮与从动轮轴线方位关系的不同，有同轴式、平行轴式i l y 叫w 、 交错轴式mu 三种方式。 同轴式磁性齿轮传动中主动轮与从动轮的轴线重合，优点在于磁能利用率 高，但由于两轮同轴，其应用场合有限。如加拿大n o v a 公司生产的超压风机【4 】、 非接触式联轴器1 2 4 】等，一般用于密封或隔离装置的中的机械传动。 平行轴磁性齿轮传动中主动轮与从动轮轴线平行，是非接触式传动，传动 第二章磁性齿轮理论及材料选择 方向类似于直齿圆柱齿轮传动，可以适用于传递同方向运动的场合，如可运用 于磁能血泵【l l 】来传递动力等。 交错轴磁性齿轮传动中两个磁性齿轮的轴线是垂直交错的，两外表面没有 直接接触，它们之间留有一定的空隙，两磁极交替分布于圆周上，且相对磁极 为异号。交错轴磁性齿轮传动类似于蜗轮传动，可以应用于对传动方向有要求 的场合。本课题所制作的磁性齿轮就属于该类齿轮，可将其应用于平板显示装 备制造系统的传送装置中。 2 3 磁性材料 磁性齿轮磁极耦合作用的强弱与其磁场强度、间隙等因素有关。磁性材料 通常分成硬磁和软磁两类。硬磁材料的磁滞回线宽，剩磁和矫顽力较大，因而 磁化后，其磁感应强度能长久保持。软磁材料的磁滞回线窄，矫顽力小，但其 磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁。磁性材料都有表征其性能特征 的两条基本曲线，分别为磁化曲线和磁滞回线，该曲线还直接影响材料的充磁 效果，它是磁性材料选择的重要依据。 2 3 1 磁化曲线与磁滞回线 1 磁化曲线 基本磁化曲线【2 4 】：铁磁体的磁滞回线的形状是与磁感应强度( 或磁场强度) 的最大值有关，在画磁滞回线时，如果对磁感应强度( 或磁场强度) 最大值取不 同的数值，就得到一系列的磁滞回线，连接这些回线顶点的曲线叫基本磁化曲 线。 铁磁体内部的磁场强度日与磁感应强度b 有如下的关系：b = n - i 。对于 铁磁物质而言，磁导率非常数，而是随日的变化而变化的物理量，即 = 厂( 日) ，为非线性函数。所以b 与日也是非线性关系，也称为磁化曲线。 2 磁滞回线 磁滞回线【2 4 l 在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线 来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关 系是一条闭合线，即磁滞回线。磁滞回线在第二象限的部分被称为退磁曲线， 这也是永磁材料的基本特征曲线。 以磁中性状态( - = b = o ) 为起始状态，当磁状态沿起始磁化曲线o s a 磁化到a 点附近时，此时磁化强度趋于饱和。将此时磁场强度记为h s ，磁感应强度记为 凰。此后若减小磁场，则从某一磁场( a 点) 开始，b 随日的变化偏离原先的起始 第二章磁性齿轮理论及材料选择 磁化曲线，b 的变化落后于日。当日减小至零时，b 并没有减d , n 零，而等于 剩余磁感应强度肼。为使b 减至零，需加一反向磁场，称为矫顽力。反向磁场 继续增大到h s 时，强磁体的b 将沿反方向磁化到趋于饱和历，反向磁场减小 并再反向时，按相似的规律得到另一支偏离反向起始磁化曲线的曲线。于是当 磁场从协变为h s ，再从h s 变到h s 时，强磁体的磁状态将由闭合回线a b c d e f a 描述，曲线a b c d e f a 即为磁滞回线。在此回线上，同一日可有两个b 值，这取 决于磁状态的过程。这是由不可逆磁化过程所致。当日大于极限回线的最大磁 场强度h s 时，磁化基本可逆；小于此值时，b 为日的多值函数。通常用极 限磁滞回线上的研值及矫顽力h c 来表征该材料的磁特性。 根据上述讨论，通过磁化曲线和磁滞回线就可以得到永磁材料的重要磁性 能参数：剩磁b ，、矫顽力坼、最大磁能积( b h ) m a x ，最大磁能积表征了该磁性 材料的总体性能，一般来说，最大磁能积越大，其剩余磁感应强度越大，磁力 也就越强。所以根据本课题的要求，所选用的磁性材料应具备高剩磁，高矫顽 力，即最大磁能积大的材料。 2 3 2 磁性齿轮材料的选择 根据课题要求，需要一种能长久保持磁感应强度的材料，选用硬磁永磁材 料，第三代稀土永磁材料一钕铁硼【2 抛5 1 。钕铁硼永磁材料是以金属间化合物 n d 2 f e ，4 b 为基础的永磁材料，是目前磁性能最强的永磁材料。 钕铁硼磁性材料按生产工艺的不同分为烧结、注塑和粘结钕铁硼三种【4 3 1 。 烧结钕铁硼永磁体经过气流磨制粉后冶炼而成，矫顽力值很高，拥有非常高的 磁性能，但其加工工艺复杂，成本较高。注塑钕铁硼磁体虽有极高的精确度、 易制成各向异性形状复杂的薄壁环或薄磁体，但其同样存在工艺及成本问题。 最后考虑经济性、简易性及加工工艺等方面的因素，决定选用粘结钕铁硼材料， 它是一种将钕铁硼粉末与树脂、塑胶或低熔点金属等粘结剂均匀混合制成复合 型钕铁硼永磁体。它具有如下特点： 1 、尺寸精度高，一次成型，不需二次加工，材料利用率高； 2 、各向同性，可以多极充磁； 3 、可以容易与各类五金件，塑料件配套使用； 4 、磁性均匀稳定，一致性好； 5 、磁性范围宽可以在o 1 0 m g o e 范围内调整。 因此，采用粘结钕铁硼永磁体，可以简化磁性齿轮制造工艺，并能获得良 好的传动性能，虽然在粘结永磁体中，粘结剂大约要占去体积的1 0 0 0 - 2 0 ，所 以磁性能相应的有所下降，但这不影响其整体的性能，且结合本课题中磁性齿 9 第二章磁性齿轮理论及材料选择 轮的承载物较轻，其外形简单，所以粘结钕铁硼永磁材料是作为制造磁性齿轮 的最佳材料。 图2 7 伊退磁曲线图 图2 - 7 所示的b 一退磁曲线为本课题所选用的钕铁硼永磁材料的特性曲 线：根据上述材料b 日退磁曲线得，胁为永磁体相对磁导率舻1 3 5 3 8 ；b r 为磁 通密度驴0 8 2 死皿为磁场强度h 。= 4 8 2 k a m ；肋为绝对磁导率，其值为4 万1 0 7 。 钕铁硼永磁材料以其具有的高磁性能，低成本，良好的机械特性，成熟的 制造工艺等优点，成为制作磁性齿轮的首选材料。当然它也存在不足之处，例 如主要表现在居里温度点低，温度特性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其 化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，对此也做了相应的处理，如对其 表面进行表面电泳处理，改善了外部环境对磁性材料的影响。 2 4 本章小结 本章主要分析研究了关于磁性齿轮传动的理论知识， 选用材料和磁性齿轮的加工方法，结论如下： ( 1 ) 阐述磁性齿轮的工作原理和相关的磁力学知识， 制造提供了依据。 详细分析了磁性齿轮 为磁性齿轮的选材和 ( 2 ) 确定本课题所需齿轮材料为钕铁硼永磁材料，加i n 造方法为粘结法。 1 0 e s 第三章磁性齿轮的有限元分析和设计 3 1 引言 第三章磁性齿轮的有限元分析和设计 由于制作不同规格的实验用磁性齿轮需要设计不同规格的压模模具和充磁 线圈等，会增加大量的设计及制作的工作及成本量，使整个设计及制作周期变长。 因此，本章在制造磁性齿轮之前采用a n s y s 对磁性齿轮的不同极数、不同间隙 等情况做了模拟仿真计算，得到其基本设计参数值，这为磁性齿轮的制作提供了 有效依据。 3 2a n s y s 在磁场中的应用计算 由于磁物理性能分析、计算的复杂性，给磁性齿轮的分析带来了困难。难点 之一在于分析其主要特征参数的影响，包括磁场分布、磁极个数、磁场密度等， 它们直接决定了磁性齿轮传动的功率特性与承载能力。 有限元法 2 9 3 0 的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按 一定方式连接在一起的单元组合体。由于单元能按不同的方式进行组合，且单元 本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限单元 法作为数值分析的另一个重要的特点是利用在每一个单元内设定的近似函数来 分单元地表示求解区域上待求的未知场函数。 用于a n s y s 磁场分析 2 7 3 0 的有限元公式由磁场的m a x w e l l 方程组导出，通 过将标量势、矢量势或边界条件通量引入m a x w e l l 方程组中并考虑电磁性质关系， 就可以得出适合于有限元分析的方程组。a n s y s 程序的其它一些功能增强了程 序的电磁分析的能力和灵活性，其工作界面如图3 1 所示，可方便的选择m k s 、 c g s 、或其他一些单位制，作为标准的f r o n t a l 求解器的替代者，p c g 、i c c g 和j c g 迭代求解器非常适合于求解磁场问题，因为它们提供了势场问题的快速解法。使 用二维或者三维的无限边界单元，则不需要建立环绕电磁设备的无限介质( 例如 空气) 的大型模型，同时降低了对计算机资源的要求。 a n s y s 程序提供了丰富的线性材料的表达方式，包括各项异性和正交各项 异性的线性磁导率，材料的b h 曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户 显示磁力线、磁通密度和磁场强度并进行力、力矩、源输入能量、感应系数、端 电压和其它参数的计算。 第三章碰性齿轮的有限元分析和设计 g ! ! 到d d 一_ _ _ _ 0 t 。l ，一i r 璺驾廓磊i i i i ；i 丽 图3 - 1 磁场有限元分析a n s y s 工作界面 3 21 磁性齿轮的a n s y s 分析概述 整体式磁性齿轮是采用一对磁环相对磁极之间的相互引力及排斥作用使主 动轮在非接触情况下推动从动轮运转。在此过程中，两磁性齿轮的间隙条件对 磁性齿轮的运转质量起着决定性影响，期间磁性齿轮的工艺条件，如碰极个数 等决定了单个磁性齿轮的磁场强度。因此需要通过a n s y s 计算得出，在额定 问隙条件下符合该间隙尺寸的磁环参数，然后加工适当的模具制造磁环。为了 简便有效的得到所需的磁性齿轮的数据，将磁性齿轮简化为两维计算。在求解 区域中，舍有两种介质，一是永磁体，二是空气，内部介质可以认为是空气， 冈而永磁体与空气的交界面属于媒质内部的交界面，在条件变分问题中可以自 动满足。 使用有限元法时，为了减少工作量，求解区域应尽量取小这样，区域剖分 后得到的网格和节点就少，经单元分析和总体合成所形成的代数方程组的阶数就 小，计算时间短。求解区域的选取有两个条件：1 ) 要保证需要求取场量的所有点 落在区域之中；2 ) 在区域的边界上能给出已知的边界条件。同时还可以利用磁场 的周期性条件来压缩区域范围。当磁场满足整周期条件时，可以将求解区域缩小 到一个周期的范围；当磁场满足半周期条件时，还可以进一步将求解区域缩小到 半个周期的范围。所以为减少分析计算量，本文在对磁性齿轮分析时只建立四分 之一的模型。 第三章磁性齿轮的有限元分析和设计 3 22 磁性齿轮的a n s y s 分析过程 l 建立a n s y s 模型 有限元分析的蛀终目的是要还原个实际工程系统的数学行为特征，换句 话说分析必须是针对一个物理原型的准确的数学模型。广义上讲，模型包括所 有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件，叭及其它用来表现这个物理 系统的特征。在a n s y s 术语中，模型生成一般狭义的指用节点和单元表示空 间体域及实际系统连接的生成过程。物理模型的建立是一个复杂的过程，它的 合理与否直接影响计算的结果。下面采用实体建模技术，以磁性齿轮为例简要 说明实验过程，如图3 - 2 所示。 圈3 - 2 磁环1 4 模型 采用p l a n e 5 3 线性单元和p l a n e l l 0 远场单元，因为碰环处于开域场中如 用p l a n e l1 0 远场单元建立模型可大大减少分析的计算量，如图3 - 3 所示。 - oj j 圉3 - 3 碰环及远场单元模型 第三章磁性齿轮的有限元分析和设订 2 网络划分 理论上，网格划分越小，误差也就越小，但是网格划分越细计算量就会加 大。本章用m a p 网格对p l a n e li o 远场单元进行划分，再用f r e e 网格对p l a n e 5 3 线性单元进行划分，期间要严格控制网格密度( 如图3 4 ) 。 图3 - 4 网格划分 3 定义材料属性 给磁性齿轮和空气分别定义材料属性，说明它们的磁导率。对永磁体用b h 曲线定义它的材料性能，然后用矫顽力矢常量和单元坐标系鞋合定义永磁体的 极化方向r 如图3 5 ) 。 、o 图3 4 定义材料属性井显示极化方向 4 加载边界条件 如果是一对齿轮相互耦含，则为了得到两磁性齿轮问的作用力，用f m a g b 宏命令给磁环加力的标志，该命令会自动计算磁环所受到的排斥力，这将在后 面一节用到，故在此先介绍一下，后面不再单独说明。同时用s f 命令给p a n e l l 0 第三章磁性齿轮的有阻元分析和设计 单元加无限表面标志( 如图3 - 6 ) 圉3 - 6 加戴边界 5 求解过程 a n s y s 提供了三个求解器，即波前求解嚣( f r o n t a l ) 、有条件共轭梯度求解 器( p c g ) 、共轭梯度求解器( j c g ) ，采用f r o n t a l 求解器求解。在求解进行中，打 开图形求解跟踪( g s t ) ，图形求解跟踪( g s t ) 特征显示计算收敛准则和判据。 程序将根据所输入的粘结永磁体的相对磁导率* ，磁感应强度矫顽力胁 和空气的磁导率，进行求解( 如图3 - 7 ) 。 o 一 鬻3 ，7 磁环求解 6a n s y s 后处理过程 利用a n s y s 软件画出磁力线的分布图，磁力线分布见图3 - 8 ，磁力线的疏 密表示了磁场强度的大小。磁力线最密处即为磁场强度最大她。 第三章磁性齿轮的有限7 c 分析和设计 型3 - 9 碰场强度分布 图3 - 9 表示了磁环的1 4 剖视图颜色的深浅代表了磁势大小的分布。颜色 最深处有碰势最大值。 3 3 通过a n s y s 分析获取磁性齿轮力矩特性设计参数 以一对外径为4 2 内径为3 2 轴向厚度l - 2 i 极数为8 极的径向 充磁的钕铁硼磁性齿轮为例，进行传动力矩的训算。设定两环在没有外力作用保 持静止时的相对转角为8 - 0 。f 如图3 - 1 0 1 。 第三章磁性齿轮的有限元丹析和设计 ；参。 ：繁 携， 圉3 i ，相互耦舍的砖碰性齿轮 磁性齿轮的传动转矩是磁极数、两磁环间的间隙以及其之间的相对转角等变 量的函数。为了分析磁性齿轮的磁场，计算传动转矩，建模时必须精确考虑它的 几何模型和材料特性。在这里，钕铁硼永磁的相对磁导率“，= l3 5 ，矫顽力 阿。= 4 9 2 k a m ，空气的相对磁导率“= 1 。 331 磁极数对传动扭矩的影响 磁极数就相当于齿轮的齿数，在齿轮的设计中，齿数是相当重要的设计参 数，故在磁性齿轮中，同样也要研究磁极数对传动扭矩的影响。在磁体的几何 尺寸保持不变( 径向宽度固定为5 轴向长度固定为2 l m m ) 、且工作间隙相 同( 两齿轮间距保持在im l , n 不变) 的情况下，磁性齿轮的磁极数对最大传动力矩 的影响如图3 - l i 所示，当磁性齿轮磁极数从4 极增加到8 极、1 2 极、1 6 极、 直到2 0 极时，力矩的峰值也相应发生变化。这是禺为，当碰极内外径保持不 变时t 如果磁极数增加，则磁场强度也逐渐增大然而每个磁极的表面积却在 减小，因此，两者的影响导致力矩的最大峰值与磁极数具有一定的优化关系 如图3 - 1 2 所示。设计参数中的磁极数对磁扭矩有一定的影响。磁性齿轮最大传 动力矩与磁极数之间存在着一定的关系 后随之下降。由上述分析，可得出结论 在8 个极点数时扭矩达到顶峰，然 8 个极点是加强碰扭矩的最理想状态。 第二章磁性齿轮的有限元分析和设训 鞋极数z 一4 黟 碰极数z = 1 2 霸 磁极数z = g l 黟 磁檄数z = 1 6 、黟 磁极数z = 2 0 图3 i i 不同极数磁性齿轮问的耦合 第三章磁性齿轮的有限元分析和设计 图3 1 2 磁性齿轮磁极数与传动力矩之问的关系圈 3 32 磁性齿轮间间隙和磁场力之间的关系 磁性齿轮间的间隙直接影响两齿轮的传动关系。图3 - i3 是一对磁性齿轮问 间隙值从0 6 m 2 , 0 m m 情况f ( 每隔0 2 m m 间隙) 的磁场强度分析结果。图3 - 1 4 为磁环间间隙和磁场力之间的关系趋势图。 南图3 一1 4 可见，当两齿轮间隙从0 6 增加到i2 m 时，最大磁力值成直线 f 降，且该直线斜率较大，下降速度较快；在12 - 20 m m 之问磁力虽有下降， 但幅值很小，几乎对磁力没影响。但不是说间隙越小越好，因为当磁力增人的 同时它对磁性齿轮装置的要求也相对提高所以两磁性齿轮间的间隙设定需 考虑多方面的因素。故对于这一环节，需结台实际的实验结果分析再来决定。 间隙t = o6间隙t = o8 篝 薷三章磁性齿轮的有限元分析和设计 问瞰户l0 间黥f i4 问隙f i8 间隙t - i2 间隙t = 】6 间隙t = 20 图3 - 13 不同问隙下的磁场强艘分布图 ：嚣篓篓您 纛嚣蠹蠹 lj；|曼一ajll_昌昂 篓黧l；兰量暑=芒 第三章磁性齿轮的有限元分析和设计 2 5 2 4 2 3 舌2 2 z 2 1 冀2 0 澎 9 8 0 4o 60 81 0 21 ，41 。6，岛2 02 2 两磁住跚轮f l j f | j j 隙( m m ) 图3 1 4 间隙和扭矩值的关系 3 3 3 磁性齿轮最大承载力分析 磁性齿轮有其最大承载能力，即在临界脱齿时，磁性齿轮所产生的扭矩值。 此时，两磁性齿轮之间会形成一定的转角，也称滞后角织该角度影响磁性齿轮 的脱齿时间，所以本章将对该旋转角度作分析，确定当一对磁性齿轮传动时，其 最大扭矩值为多少。 假设主动齿轮与从动轮间的相对转角为易当伊0 。时，即两磁性齿轮没有转 角差，传动转矩为零，磁性齿轮处于稳定状态；当主动轮开始旋转时，假设从动 轮负载很大，导致其不发生旋转，则两齿轮间存在一个相对转角8 0 0 ，当相对转 角增大时，磁性齿轮的传动力矩也相应增大，当相对转角达到半个磁距时，传动 力矩值为最大，该值就是该对磁性齿轮的最大传动负载值。超过半个磁距时，传 动力矩随着相对转角的增大而减小，当9 等于一个磁距时，传动力矩值为零，但 这时磁性齿轮处于非稳定状态。图3 15 是磁性齿轮在磁极数 k 8 、两环间距g 为 lm m 的情况下，当相对转角0 发生变化时，两磁性齿轮间的扭矩值演变过程。 本文中只列出当0 转过半个磁距时的分析图，从图中可以看到，当0 0 0 时，磁性 齿轮传动处于正常工作状态。传动力矩随着转角的增大而增大，并于接近磁极张 角的1 2 处达到最大值。 图3 1 6 是两磁性齿轮在发生相对旋转过程中的扭矩值变化趋势图。分析模 型为8 极点数的磁性齿轮。从图中可以看出磁场强度随着旋转角的增加而增加， 但到了2 2 5 0 ( 即半个磁距之后) ，又会随着旋转角度的增加而减小。在相对旋转 角度为2 2 5 。时，磁效应会使磁性齿轮产生一个最大的扭矩，即该对磁性齿轮临 第兰章磁性齿轮的有限元分析和设计 界脱齿所能承载的虽大扭矩值。 | f 二= 习 卜蒸 ：箍羹， 一 相对转角o - 0 。 相对转角班2 25 。相对转角萨4 5 0 一1 5 e 三1 0 量 苦 专5 宰 图3 - i5 磁性齿轮在不同转角下的磁场强度 3 4 本章小结 榭列转角( 。) 图3 - 1 6 磁性齿轮传动力矩与相对转角的关系 本章首先建立了齿形齿轮模型，采用a n s y s 对建立的磁性齿轮模型的磁极 数、问隙、转角等情况做了模拟仿真计算，得到其基本设计参数值，这为磁性齿 轮的制作提供了有效依据，得出如下结论： ( 1 ) 8 个磁极的磁性齿轮是加强磁扭矩的最理想状态。 第三章磁性齿轮的有限元分析和设计 ( 2 ) 根据模拟仿真的结果，当两齿轮间隙从0 6m m 增加到1 2m m 时，最大磁 力值成直线下降，且该直线斜率较大，下降速度较快；在1 2 2 0 m m 之间，磁力 虽有下降，但幅值很小。但是考虑到当磁力增大的同时，对磁性齿轮装置的要求 也相对提高，因此不能认为间隙越小越好，而是应该根据实际的情况来确定齿形 齿轮的间隙。 ( 3 ) 相对旋转角度为2 2 5 0 时，磁效应会使磁性齿轮产生一个最大的扭矩，即 该对磁性齿轮临界脱齿所能承载的最大扭矩值。 第四章磁性齿轮的制造及性能测试 4 1 引言 第四章磁性齿轮的制造及性能测试 根据上一章采用a n s y s 对建立的磁性齿轮模型的磁极数、间隙、转角等 参数做的模拟仿真计算，并考虑到其制作及充磁器的设计制作的简易性和成本 等各方面问题，根据得出的磁性齿轮的最佳参数，制造磁性齿轮，并对其进行 表面处理和充磁，然后测试磁场的均匀性测试。 4 2 磁性齿轮的压制成型 所制作的磁性齿轮是外形光滑的圆柱磁环，结构简单，主要设计参数有： 轮径( 即：磁性齿轮的内外径) ，厚度，充磁极数等。 其主要成型方法 3 3 1 有：压制成型、注射成型等。压制成型的磁体密度为 6 - - 6 - 3g c m 3 ，磁性能是磁粉磁性能的6 0 7 0 ，而注射成型磁体的密度为 5 - 5 3g c m 3 ，其磁性能只有压制成型磁体磁性能的6 0 7 0 ，所以在本课题中采 用压制成型钕铁硼粘结磁体。 磁性齿轮从磁粉到成型、到充磁的整个工艺流程如图4 1 所示： 图4 1 磁性齿轮制作工艺流程 1 ) 选择磁粉，磁粉是根据磁性能要求，耐温要求等进行选择； 2 ) 预处理：将含有一定配比的原材料如：钕、镝、铁、钴、铌、镨、铝、硼铁 等通过感应熔炼炉快淬制造薄带，将薄带制成粉，可直接得到快淬商品磁粉。 薄带主要是通过感应圈将在坩埚内的n d - f e b 母合金加热熔化成为熔体，通 过气阀调节氩气压力将熔体从坩埚下端的窄缝直接喷射到高速旋转的紫铜 辊的表面，紫铜辊可通冷却液冷却，或用其自身的良热导性质，将喷射到其 表面的合金液体以1 0 5 1 0 6 口c s 速度冷却，其薄带厚度一般在1 0 8 0 朋， 用最佳快淬速度制造的合金薄带的晶粒尺寸约可达3 0 8 0 h m ； 2 4 第四章磁性齿轮的制造及性能测试 3 ) 配台料：将粘结剂与磁粉均匀混合，制成粘结磁体； 4 ) 逢粒：将碰粉粒度按生产工艺要求适当调整，便于成型； 5 ) 压制成型：利用模具在成型机p 获得相应规格的产品不同规格产品必须制 作相应模具； 6 ) 固化：粘结剂在l5 0 - 2 0 0 条件下，环氧树脂与固化剂产生胶联反应，使磁 体具有良好的强度； 7 ) 表面处理：将磁体进行倒角抛光处理，便于涂层，然后根据防腐要求选择进 行电泳涂层、喷涂涂层、p a r a l e n e 滁层或含防锈油涂层； 8 ) 充磁：根据具体蔓求选择，町按要求进行内充、外充、斜充、甲面多极、轴 向充磁或辐射充磁。 针对不问规格的磁性齿轮和不问的充磁要求，均需制作对应的充磁线圈，已 在本章第二小节中将作详细介绍。 一 图4 - 2 压制模具 磁性齿轮的压制模具( 如图4 - 2 示1 采用了套柱形式：外圆柱和中心圆柱分别 按照磁性齿轮的内外径尺寸设计制造，因此起到了定位及成型的作用。在此次 模其设计中为了改善磁粉压制的均匀性采用了上下两次压制成型的方法。其 具体操作步骤为；将计算过的一定量磁粉倒入模具后，自然形成需要的内外直 径再将内圆柱体从一侧套住中心圆柱并压a ，当磁性齿轮压制定型后，将模 其反转，去掉其后部的垫环，再重复压入操作，将中心圆柱底座压至与外模平 齐，此时压制完成，即可得到所需的磁性齿轮。经上下两次压制完成的磁性齿 轮较一次压制完成的齿轮有紧密度高、磁粉分布均匀且上下一致性佳、尺寸精 度高等优点。 由于钕铁硼磁性齿轮中含有大量的铁和钕，极易被锈蚀。所以在压制完毕 后，将对磁性齿轮表面进行涂层处理1 3 “，目前常用的涂层方法有环氧树脂涂敷 法，电泳法和纳米技术法等。一般涂层厚度为1 0 4 0 f a n 。不同涂层的抗腐蚀能 第四章磁性齿轮的制造及性能测试 力也不一样。 1 ) 涂敷法一般涂敷一些有机树脂、硅脂或一些绝缘防潮材料。因涂敷材 料要配溶剂才能涂敷，溶剂挥发时，给涂敷层留下了许多毛细孔。有些涂敷材 料本身具有亲水性，常年累月，水会渗入，致使钕铁硼受潮氧化，使其性能下 降，但它同样具有抗溶剂、抗冲击、抗盐雾能力。 2 ) 电泳法电泳是电泳涂料在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷的涂 料离子移动到阴极，并与阴极表面所产生的碱性作用形成不溶解物，沉积于工 件表面。它主要包括四个过程： a ) 分解：在阴极反应最初为电解反应，生成氢气及氢氧根离子o h ，此反 应造成阴极面形成一高碱性边界层，当阳离子与氢氧根作