（机械工程专业论文）磁力传动机构的分析与研究.pdf

摘要 磁力传动机构是采用磁传动技术与各种型式的机械传动机构相结合、实现 多种运动型式组合的一种全新理念的传动部件，不仅可以实现无泄漏、全密封， 而且更加注重运动型式的转化和运动状态的控制。与普通型式的磁力传动器相 比较，显示出更多的优越性。在流体机械、液态介质输送系统、精密机械等领 域已经有许多成功的应用，同时既简化机械结构、又提高了工作的可靠性、实 现无接触动力传递和多种运动型式转换起到卓越的作用。 通过有限元分析，对磁力传动机构的磁场建立二维模型，深入研究了磁力 传动机构耦合磁场内部的微观特性，揭示了耦合磁场内部特征，为磁力传动机 构的工业应用和工程实践具有重要的理论指导作用和深刻的现实意义。 本文在总结和综述了国内外文献关于磁力传动机构的原理理论和应用研究 的技术动态及新成就，而且还提供了设计、制造和运行中需要的公式，参考数 据和曲线。采用理论与实践，分析与实验相结合的方法对磁力传动机构及其磁 场特性进行了全面、系统、深入的研究。 通过对耦合磁场转矩密度的分析研究所得出的结论，可以有效地指导实际工 程应用中对磁力传动机构的优化设计，通过对磁场磁标势，磁感应强度矢量及磁 感应强度绝对值的空间分布研究，进一步认识了磁力传动机构的本征特性，为进 一步改善磁力传动机构的整体设计及运动形式的转换、控制都具有突出的指导意 义。 关键词：磁力传动机构磁驱动技术磁场模拟 a b s t r a c t m a g n e t i cd r i v em e c h a n i s mi san e wc o n c e p to f t r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t s ，u s l n g o fc o m b i n i n go fm a g n e t i c d r i v et e c h n o l o g ya n dv a r i o u st y p e so fm e c h a n l c a i t r a n s m i s s i o na g e n c i e sc o m b i n e dt oa c h i e v et h ec o m b i n a t i o no fv a r i e t yo f m o v e m e n t n o to n l vc a nb ea c h i e v e dt h ew h o l es e a l w i t h o u tl e a k a g e ，b u ta l s oc a np a ym o r e a t t e n t i o nt ot h em o v e m e n tp a t t e r n st r a n s f o r m a t i o na n dm o v e m e n tc o n t r o l c o m p a r e d t oc o m m o nt y p e so fm a g n e t i cd r i v e s ，i ts h o w sm o r es u p e r i o r i t y i th a sb e e nm a n y s u c c e s s f u ia p p l i c a t i o n si nt h ef l u i dm a c h i n e r y ，l i q u i dm e d i u mt r a n s m i s s i o ns y s t e m ， p r e c i s i o nm a c h i n e r y ，a n d o t h e rf i e l d s a tt h es a m et i m es i m p l i f i e dm e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ew o r k i tp l a y e dt h er o l eo f e x c e l l e n c ei na v a r i e t vo fp o w e rt r a n s m i s s i o nw i t h o u t c o n t a c ta n dm o v e m e n tp a t t e r n sc o n v e r s l o n t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，e s t a b l i s h e dt w o d i m e n s i o n a l m o d e lo ft h e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h em a g n e t i cf i e l df o ri n 。d e p t hs t u d yo ft h em i c r o s c o p l c c h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nt h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mc o u p l e dm a g n e t i cf i e l d ，a n dr e v e a l s t h ei n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t i cf i e l dc o u p l i n g i th a sg r e a tt h e o r e t i c a i p r a c t i c eg u i d i n g r o l ea n dp r o f o u n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i n m a g n e t i c d r l v e m e c h a n i s mi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sa n dw o r k s t h i sp a p e rs u m m a r i z e da n dr e v i e w e dl i t e r a t u r e o nt h ep r i n c i p l eo fm a g n e t l c d r i v et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t sa n da c h i e v e m e n t s a n d t op r o vi d et h ef o r m u l ao ft h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n do p e r a t i o n ，r e f e r e n c em a t e n a l s a n dc u r v e s u s i n go ft h em e t h o do fc o m b i n i n go ft h e o r ya n dp r a c t i c e ，a n a l y s i sa n d t e s t t o s t u d yt h em a g n e t i c f i e l da n di t st r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c sr o u n d l y ， s y s t e m a t i c a ll y ，a n dd e e p l y t h m u g ht h es t u d ya n da n a l y s i so ft h ec o u p l i n go f t h em a g n e t i cf i e l dt o r q u e d e n s i t y t h ec o n c l u s i o nc a ne f f e c t i v e l yg u i d et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h em a g n e t i c d r i v et oo p t i m i z et h ed e s i g n t h r o u g ht h es t u d yo ft h em a g n e t i cs c a l a rp o r e n t l a lo f m a g n e t i cf i e l d ，m a g n e t i ci n d u c t i o nv e c t o ra n d a b s o l u t ev a l u eo fm a g n e t i ci n d u c t l o n i n t e n s i t vo nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nt of u r t h e ru n d e r s t a n dt h el e v yo ft h em a g n e t i c t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，t op r o v i d eo u t s t a n d i n gs i g n i f i c a n c eo fi m p r o v i n g t h eo v e r a l l d e s i g na n dm o v e m e n tf o r m so f c o n v e r s i o na n dc o n t r 0 1 k e yw o r d ：m a g n e t i cf o r c et r a n s m i s s i o n m a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o n s y s t e m ；m a g n e t i s ma c t u a t i o nt e c h n o l o g y ； 一1 i - 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，除了文中特别加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鲎或其他 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p 辛占签字唧一肟么月佣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权墨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：p 丰多 签字日期：目g 年月。日 导师签名：专定飞f c 签字日期：多前年6 月id 日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 在工业生产等不少场合，对传动机构提出了特殊要求，例如：( 1 ) 在石油、 化工、制药等行业的工业生产中，需对有毒、易燃、易爆、腐蚀等特殊介质进行 搅拌并对介质流量进行调节和控制。( 2 ) 军事战车、坦克等在作战时需冒着炮火 进行补充加油；在低温核供热堆中，需对热交换器循环液体进行调整、输送和控 制；在高温气冷堆中需对核燃料元件球进行可靠的输送。( 3 ) 在科学实验中，一 些样品的投入与取出需要采用特殊的传动机构，以满足超洁净等要求。 在上述工作过程中，要求主、从动组件相对完全密封，并且主、从动组件 的运动方向、运动速度、运动型式在同步或不同步运动状态下分别完成各自的 运动轨迹。理想状态是力或力矩在传递中，主、从动组件不接触、相对隔断分 离，实现区域性封闭，达到全密封、无泄漏，主、从动组件各自运动的轨迹、 方向、速度或不同或相同；主、从动组件的运动与位移灵活可靠、准确平稳。 这种特殊要求的传动型式，一般很难用传统的机械传动加以实现，既使采用复 杂的结构型式勉强维持运行，也可能在运行过程中出现这样或那样的问题导致 可靠性差、维护与检修频率高、费用大，影响正常工作，部分装置还存在不安 全因素，对环境及人身安全有一定危险性。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题将对磁力传动机构进行分析和研究。在磁力传动机构中，主、从动 组件传递的力和力矩是通过磁场耦合力实现的，因此可以使得主、从动组件的 运动型式各异，即主、从动组件运动的方向同向或不同向、运动的轨迹相同或 不相同、运动的速度同步或不同步。由于主动磁组件需对从动磁组件的运动轨 迹加以控制或约束，磁力传动机构又常称为磁力传动控制器。 磁力传动机构作为一种崭新的新型传动机构，其灵活多变的传动型式不仅可 以简化复杂的机械传动机构，而且使得系统传动的可靠性、稳定性以及可控性大 大提高，同时还可以达到节能和环保的效果。 传统的机械传动都是力或转矩直接的硬传递，不能满足主、从动件分离，也 第一章绪论 很难实现完全密封和零泄漏的要求。磁力传动机构利用磁耦合作用，可与不同运 动型式的机械传动机构相组合，实现主、从动机构完全分离，获得动态下的静密 封，保证零泄漏，且振动小、噪音低、结构简单，可以大大改善机械传动性能， 优化机械品质。 磁力传动机构还可以根据需求，使运动型式从单向向多向，从一维向三维、 四维发展。 我国稀土永磁材料非常丰富，约占世界已探明储存量的8 0 n 5 n 3 。研究磁力传 动机构可以极大地拓展稀土永磁材料的应用领域，在流体机械、流体系统、真空 设备【3 j 、特种阀门f 4 1 以及特种机械等行业有着广泛的应用前景f 5 1 。 1 3 磁力传动技术的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 自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 1 首次采用磁传动密封技术解 决了输送危险性介质化工泵的泄漏问题以来，磁力传动技术就得到很快的发展。 2 0 世纪6 0 年代初联邦德国就已经研制出小型磁力驱动搅拌反应釜的小型实验装 置；1 9 6 6 年，美国学者k j s t r a n t 等人研制出最大磁能积约5 1 m g o e 的s m c o 。 粉末粘接永磁材料，成为第一代稀土永磁材料诞生的里程碑乜4 j ；1 9 7 7 年日本的 t o j i m a 等人研制出s m c o c u f e z r 7 2 永磁材料，达到当时实用永磁体磁能积的最 高值3 0 m g o e ，标志着第二代稀土永磁材料诞生，稀土永磁材料钐钴合金的应用 使磁传动部件的传递功率提高了3 - - 4 倍口1 ；1 9 8 3 年，日本住友公司和美国通 用公司分别研发成功磁能积b i t m a x 高达3 6 5 m g o e 的钕铁硼永磁体，至此第三代 稀土永磁材料诞生；上世纪9 0 年代，日本学者i k u t a 提出了无接触磁性齿轮并 被广泛应用于非工业领域，如医疗器械和微型传动等领域口7 1 。因此相关的研究也 越来越多。 1 3 2 国内研究现状 我国有关磁力传动机构驱动技术的应用研究始于上世纪八十年代初。 严可镜惭1 于1 9 7 8 年进行磁力耦合式高压釜的研制哺鲥。1 9 9 4 年，他在论述磁 力驱动密封装置及其应用时，不仅阐述了磁力耦合器在反应釜中的应用，而且简 要介绍了磁力驱动密封装置的结构、工作原理、磁路、传动力矩计算和金属隔离 套的选材要求；叶子兆嘲1 在1 9 8 8 年对磁力驱动离心泵的磁路进行设计和计算； 王玉良嘲1 于1 9 9 9 年为某试验基地设计了压力4 m p a 、工作温度3 0 0 的磁力传动 第一章绪论 反应釜，投入运行后效果良好。经过不断的实验和研究，目前，我国的磁力传动 技术已逐步应用于石油、化工、军事工程、精密机械等多个领域。 从检索的大量资料来看，无论是在国内还是国际，无论是在泵、釜、阀上装 配的磁力驱动装置还是在真空密封设备和永磁齿轮上装配的磁力驱动机构，无论 是驱动转矩多大还是效率多高，无论是传递转速多快还是多精，无论是圆筒型同 轴式磁力驱动还是圆盘型平面式磁力驱动，所有信息均表明：绝大多数部门 对磁力传动技术的研究还是停留在单纯的同步旋转的圆周运动范围内，主要应用 于磁力泵及磁力釜，只有个别部门做一些磁性齿轮的研究工作。本课题将在旋转 运动的基础上，通过对磁场与机械传动的优化组合，实现主、从动磁组件各自轨 道不尽相同，既可同步又可异步，可以实现复杂的运动传递。 1 4 本课题研究的内容与方法 1 4 i 本课题研究内容 本课题主要研究以下几个方面的内容： 1 ) 用a n s y s 有限元分析软件剖析磁力传动机构耦合磁场特性，并建立耦合 磁场2 d 模型。 2 ) 对磁磁力传动机构进行动力学分析与研究。 对耦合磁场动力学研究，分析不同转角下磁矢势么z 、磁感应强度否及其绝 对值分布情况，旨在得出内外磁组件之间空气层中磁感应强度分布的峰值与转角 之间的关系；并对耦合磁场中磁通量与转角之间的关系进行分析和研究。 3 ) 对2 d 磁场结构参数特性进行分析与研究。包括磁体厚度对转矩的影响； 磁隙厚度对转矩的影响：基体层厚度对转矩的影响；内外磁转子非共轴状态分析 与研究以及材料特性对转矩影响的研究等。 4 ) 对磁力传动机构进行运动学分析与研究。 2 d 耦合磁场运动学研究主要对磁转矩与转角之间的关系进行研究、建立数 学模型并进行数理分析。 对磁力传动机构特性进行实验研究。 1 4 2 本课题研究方法 本课题主要采用理论分析、数值求解和实验测试相结合的方法，利用a n s y s 有限元分析软件，对磁力传动机构耦合磁场进行分析与建模，并用m a t l a b 对实 验数据进行处理和曲线拟合。 3 第一章绪论 1 ) 通过对a n s y s 有限元分析基础理论的研究，分析得出对耦合磁场进行有 限元分析的基本方法和基本条件。 2 ) 用a n s y s 有限元分析软件对磁力传动机构耦合磁场进行分析，采用自底 向上的方法建立磁场2 d 模型。 3 ) 利用2 d 模型，对耦合磁场进行动力学和运动学以及其他相关参数分析。 4 ) 通过学模型、进行数理分析，研究耦合磁场2 d 力学特性，分析并比较 不同情况下所得结论的一致性。 5 ) 通过以上研究工作，得出一些重要结论，从而指导耦合磁场的优化设计， 并提出新的研究课题，指明对磁力传动机构更深层次研究的方向。 4 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 2 1 磁力传动机构的原理及结构特性 本课题于2 0 0 1 年进行课题调研，2 0 0 2 年2 月申报专利并在国家专题立项， 2 0 0 3 年3 月获得国家专利，专利权项主要有三项： 1 ) 将磁驱动技术与机械传动技术有效的结合起来，形成一种新的传动机构， 如曲柄连杆传动与磁驱动的结合，蜗杆传动与磁驱动的结合等； 2 ) 将复杂的磁路设计与机械传动机构的结构设计巧妙的组合起来，简化了 传动机构，如磁场排列与齿轮传动组合等； 3 ) 在主、从动耦合磁场的设计与排列上采取了对称性与非对称性的有效方 法，使主、从动耦合磁场具有相对运动的位移量。 这种全新的传动部件，即磁力传动机构，基本结构如图2 1 所示。 123 l 一动力机；2 一主动磁组件；3 一隔离套；4 一从动磁组件；5 一负载 图2 1 磁力传动机构基本结构示意图 2 1 1 传动机理分析 磁力传动机构可以是通常状况的力和转矩的传递机构，也可以是全密封装置 下的力和转矩的传动机构。 。全密封动力传递机构主要由三个部分组成： 1 ) 主动磁机械运动部件和从动磁机械运动部件，由主动磁组件和从动磁组 件以及与之相配套的机械结构构成，其中包括用于配合运动行式转换的导向装置 等； 2 ) 在主、从动磁运动部件之间工作气隙中设置的隔离套部件以及工作状态 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 ( 如温度、压力等) 测试监控机构等； 3 ) 运动的动力机构及控制系统。 运动系统简图如图2 2 所示。 1 一动力控制系统；2 一动力机；3 一主动磁组部件；4 一隔离套：5 一负载传动及导向机构； 6 一从动磁组部件；7 一负载机构；8 一运动状态检测器；9 一温度检测机构； 图2 2 磁力传动机构运动系统示意图 其工作过程如下：( 1 ) 动力控制系统控制指挥动力机工作。根据运行要求， 动力机工作转速可调，转向可变换。( 2 ) 动力机带动主动磁组件运行工作。( 3 ) 主、从动磁组件之间透过隔离套器壁相互磁耦合，当主动磁组件进行运动时， 从动磁组件由于磁场的耦合作用开始运动。( 4 ) 从动磁组件带动和控制负载运 动。( 5 ) 件8 主要检测从动磁组件及件5 、件7 的工作运行状态；件9 主要检测 隔离套及内部温度、压力等状态；隔离套除了用作密封隔离外，还对主、从动 磁组件起定位、支撑作用以及控制从动磁组件的定向运动作用。 2 1 2 磁力传动机构的运动形式 本文研究的磁力传动机构，其运动形式有以下几种h 1 ； 1 ) 主、从动磁组件做同步旋转运动 如图2 1 所示，当主动磁组件由动力机带动做旋转运动时，从动磁组件在耦合 磁场的作用下跟随主动磁组件做同步运动。由于耦合磁场的作用，从动磁组件 的各种运动状态完全受主动磁组件运动的制约。 2 ) 主、从动磁组件做同步直线运动 结构示意如图2 3 所示。当主动磁组件1 做直线运动时，从动磁组件2 跟随件 1 做直线运动。主动磁组件为环状，设置在隔离套外侧，通常由外磁体、磁屏蔽 体、外罩、传动部件等零件所组成。从动件也是环状，由内磁体、隔离套、磁 回路、紧固件、传动件等零件所组成。 6 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 ii 7 7 + 一卜_ 卜主动磁组件；2 一从动磁组件；3 一隔离套；4 - 传动杆；5 一滑动组件 图2 3 直线运动磁力传动机构示意图 3 ) 主、从动磁组件做同步螺旋运动 由于螺旋运动是平面圆周运动与圆周平面垂直方向上的直线运动的复合运 动，所以它较前两种单一运动形式的磁力传动机构要复杂得多，需要进行磁路 排布，以使得相互迭加的多个磁场可以产生共同作用力从而实现复杂运动。磁 力传动机构的外形与直线同步运动控制器相接近。当螺旋型复合运动机构的主 动件作螺旋运动时，从动件也随之作相同的复合运动，主、从动件的运动轨迹 是同步的。当然这种结构也可以分别完成旋转运动、直线运动或两种运动复合 的运动形式。 4 ) 主动磁组件做旋转运动，从动磁组件的传动杆做直线运动 主动磁组件作旋转运动即平面圆周运动，是二维的；从动磁组件的传动杆 在主动磁组件运动平面的法线方向上做垂直于主动磁组件旋转平面的直线运 动，它的运动是一维的。系统整体的运动是三维的。其运动特点如图2 4 所示。 图2 4 中，传动轴1 带动螺旋套4 做旋转运动，主动磁组件3 与从动磁组件 5 耦合，传动杆6 与5 连接，由于导向机构7 的作用，传动杆6 做直线运动。 l 一传动轴；2 隔离套；3 主动磁组件；4 螺旋套；5 从动磁组件；6 传动杆；7 导向机构 图2 4 螺旋套磁力传动机构结构示意图 7 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 图2 5 中，传动轴1 带动导向槽旋转套4 做旋转运动，主动磁组件3 跟随4 做旋转运动，从动磁组件5 在传动螺杆6 的作用下做螺旋运动，而传动杆7 在导 向机构8 的作用下输出直线运动，其中由于主、从动磁组件相互耦合，则主动磁 组件在做旋转运动的同时，于导向槽中做直线滑移运动。 卜传动轴；2 隔离套；3 主动磁组件；4 导向槽旋转套；5 从动磁组件；6 一传动螺杆； 7 一传动杆；8 一导向机构；9 一螺旋副 图2 5 旋转与直线复合运动结构示意图 5 ) 主、从动磁组件分别做旋转运动与螺旋运动 当主动磁组件做旋转运动时，从动磁组件与传动杆沿着主动磁组件旋转平 面的轴线方向上做螺旋运动，主、从动组件运动的轨迹不同步，称为异型运动。 通过上述多种运动形式的组合还可派生出供多种用途的不同运动组合形式， 如：主动磁组件做旋转运动，从动磁组件与传动杆先做螺旋运动到一定距离后再 做直线运动；或主动磁组件做旋转运动，从动磁组件先做直线运动到一定距离后 再做旋转运动或螺旋运动。 磁力传动机构与其它机构的组合可以构成多种运动传递形式，根据传动机 构的输入输出要求，可以自由组合成任何一种符合传动要求的传动体系。当这 种独有的特性被用于改造某些现有的较为复杂的机械传动机构时，其优越性将 得到充分发挥，不仅可以大大简化运动机构，而且使得系统的动态性能有了很 大改善。 2 1 3 磁力传动机构的运动特点， r 磁力传动机构是在传统的磁驱动技术基础上衍生、提高和发展而来，具有以 下的主要特点： 1 ) 既可以实现简单的二维平面圆周运动，又可以完成螺旋式复合型运动， 可以很好地解决最大转角与转动范围问题，能将复杂的螺旋运动或更为复杂的运 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 动定域在有效空间内。 2 ) 通过将磁路设计和机械结构设计有机地相结合，可以完成复杂的运动传 递并且能够很好地实现动态静密封。 3 ) 通过磁极的均匀性紧密型排列、间歇性紧密型排列、对称性排列和非对 称性排列，可以使耦合的两组分离部件作彼此相关联的、同步或者不同步的双向 异型运动h 。 4 ) 磁力传动机构可以完成低温、真空、辐照等特殊条件下的一系列作业。 总之，将磁力传动机构与数字控制系统相组合，可以实现各种复杂的运动传 递，具有突出的优点和特性，可以在一切传输机构中选择应用。 2 2 磁力传动机构的分类及应用 按照结构原理及应用特性可以分为四类： 2 2 1 旋转调速传动机构 这种类型的磁力传动机构由磁驱动组件与齿轮传动组件组合而成。结构的组 合形式有三种： 1 ) 主动磁组件与齿轮传动组件组合； 2 ) 从动磁组件与齿轮传动组件组合； 3 ) 主、从动磁组件分别同时与齿轮组件组合。 主要用于旋转装置。主、从动机构分离，转速和方向的变化是通过调整齿轮 系统完成的。机构运动平稳可靠、转速调整准确、方向变化自如。 2 2 2 直线旋转调位移传动机构 包括两种运动结构： 1 ) 直线运动行式的结构 磁驱动传动组件与电机一曲柄滑块系统组合成直线调位移传动机构。电机一 曲柄滑块系统是与主动磁组件组合的，位移调整通过曲柄滑块完成。机构只作直 线运动。 2 ) 直线旋转调位移运动形式的机构 这种传动机构由主、从动磁传动组件、导向轴杆、旋转滑套组件以及滚轮、 轴承、标杆等组成，结构较为复杂。机构可作直线运动、旋转运动、螺旋运动等 复合运动。位移可调整、旋转角度为3 6 0 0 任意角。 9 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 直线旋转调位移传动机构主要用于直线运动和复合运动的机构上，运动灵活 可靠、位移调整准确、主从动机构密封分离。 2 2 3 旋转与直线运动组合的传动机构 这种类型的磁力传动机构的结构是由磁驱动传动组件与螺杆传动系统组合 而成。螺杆传动系统与从动磁组件组合，从动磁组件是主动磁组件旋转运动的执 行元件，也是螺杆传动系统的命令元件；螺杆传动系统中螺杆是执行直线运动的 元件。机构主要用于流体系统的控制与调节上，运动平稳、灵活、可靠、主从动 机构密封分离。 2 2 4 螺旋运动的传动机构 螺旋运动形式的磁力传动机构是由磁驱动传动组件与导向传动组件、螺旋传 动组件组合成，导向传动组件与主动磁组件组合；螺旋传动组件与从动磁组件组 合。机构主要用于流体系统的截断、调节及控制上，运动灵活可靠稳定、主从动 机构密封分离。 2 3 磁力传动机构的应用 磁力传动机构主要用于流体机械、流体系统、精密机械等领域，其应用范围 广、覆盖面大。 2 3 1 流体机械领域的应用 主要用于各种特殊要求的流程泵、搅拌器、搅拌反应釜、流量计、截断控制 阀以及各种类型的空调等h 3 。 应用目的与作用： 流体介质的输送与控制； 流体介质的搅拌与混合； 流体介质的剂量与控制； 流体介质的分流与控制； 流体介质的截断与控制。 2 3 2 流体系统中的应用 主要用于各种流体系统的输送管线、分流装置、混合装置、循环系统、导热 1 0 第二章磁力传动机构的原理、结构及应用 系统、冷却系统等。 应用目的与作用： 对流体大小的控制与调节； 对流体的剂量与控制； 对流体截断与调节。 2 3 3 精密机械中的应用 主要用于精密机床、真空装置、核工业及军事工程中的部分特殊装置。 应用目的及作用： 减小机构运动过程的振动与噪音； 提高机械运动的效率； 提高机械运动的可靠性和安全性； 容器内样品的传递与取出： 高温高压下物体安全输送。 2 4 本章小结 本章主要对磁力传动机构原理及应用进行了综述，分析了其结构与运动形 式，描述了磁力传动机构的应用领域及前景。 磁力传动机构具有一下主要特点： 从二维发展到四维，突破了平面运动局限而进入空间状态，可以完成复杂 的运动传递。 具有良好的动态密封性，确保零泄漏。 与传统机械传动控制机构相比，具有结构简单、运动平稳等优点。 第三章磁力传动机构磁场的有限元分析与建模 第三章磁力传动机构磁场的有限元分析与建模 3 1 用a n s y s 对磁场进行分析 a n s y s 具有强大的建模功能。提供了1 6 0 多种单元，并且提供了自适应网格 划分功能，程序可自动分析网格划分所带来的误差，根据误差自动细划网格。进 行磁场分析包括静态磁场、耦合磁场、磁场结构等的分析。 目前用a n s y s 分析磁场还较少。 本节主要用a n s y s 分析磁场领域的问题，如磁通量密度、磁场分布、磁力线、 力、磁运动效应、磁场能量谱图等。并对力、力矩及其它参数进行数学分析与计 算。 采用a n s y s 分析磁场问题时，着重考虑三个方面： ( 1 ) 维数一2d 进行二维( 2 d ) 场分析处理； ( 2 ) 场的类型场仅由恒定源产生，则看作为静态场； ( 3 ) 有限元方法一基于节点法或基于单元边法。 本论文采用a n s y s 软件分析磁场，主要由五个步骤组成： ( 1 ) 创建物理环境： ( 2 ) 建立模型、划分网格、赋予特性： ( 3 ) 加边界条件和载荷： ( 4 ) 求解： ( 5 ) 后处理，查看计算结果。可以查看磁力线、磁力或力矩等，也可以查看 列表显示、图形矢量显示或等值线等。 根据磁场问题的特点，分别选用二维( 2 d ) 分析。 3 2 实体建模 3 2 1 基本条件 图3 1 给出了所分析的磁力传动机构的实体模型结构与尺寸。为简化分析， 只考虑模型中与磁性相关的材料，其基体层为碳钢，包封层为不锈钢 ( 1 c r l 8 n i 9 t i ) ，永磁体材料为s m c o 。其余部分当作空气层处理，即设其相对磁 导率为1 。图3 2 给出了s m c o 材料的退磁曲线。包封层的相对磁导率设为1 0 。 第三章磁力传动机构磁场的有限元分析与建模 ( t ) 图3 1 实体模型结构与尺寸 h ( k o e )2 z 5z o ，01 7 515 0 1 2 5 1 0 o 7 55 o2 50 图3 2s m c o 材料退磁曲线 实体建模主要采用自底向上的方法。首先建立关键点，再由这些关键点建立 线、面和体，来构成主体模型。主体模型完成之后，再通过组合运算操作，来完 成最终的形状。 对于磁场的计算模型，不得不考虑空气介质的磁场分布。考虑到计算量及计 算的精确度问题，模型中的空气层扩展到材料尺寸的2 - 5 倍以外。并给定远程场 边界条件。 3 2 22 d 有限元模型 2 d 有限元模型始终处于总体坐标系的x y 平面，只计算模型在该平面内的磁 感应强度b 的分量，即b x ，b y 。模型的边界条件和结果只随x 和y 坐标变化，而 与z 轴无关。该模型事实上是将磁力传动机构当作无限长来处理。由于忽略了其 边缘效应，故分析结果( 如转矩) 比实际值偏大。但是，该模型在分析轴对称量 比如内外转子的半径，空气层厚度，包封材料与基体层材料性能及厚度，内外转 子的非共轴偏移等对磁转矩的影响，有其特有的模型简单、计算量小的优点。对 一 ， r ， 融m 9 e 7 6 s 4 3 z ，o 第三章磁力传动机构磁场的有限元分析与建模 于上述轴对称参数的分析与优化设计，采用2 d 模型比较更方便有效。 3 2 2 12 d 有限元模型的磁场计算 有限元模型的磁场计算是基于磁矢势的z 分量。麦克斯韦方程组磁场分量的 两个方程为： v b = 0 ( 3 一1 ) v x 雪= s o t o - = a e - + 。元( 3 - 2 ) 在模型中，如果引入磁矢势五，它的旋度是磁感应强度雪，即 雪：v j 则上述的麦克斯韦方程组可化为： vxv 彳= , u o 等+ 鳓歹o( 3 _ 3 ) 优 即 v ( v f i ) v 2 五= 占。- = a e - + 。歹。 如果选择彳使其满足v 互= 0 ，则上式可化为 v 2 彳：氏。罢等- i - 。元 在静磁场问题中，_ a e ：0 ，所以事实上是求解泊松方程 v 2 彳+ o j o = 0 对于二维问题，由于只考虑豆的x y 平面内的分量，所以磁矢势只有z 分量。 这样，可用单一的么7 分量来描述以上方程。即 v 2 幺+ 脶j o z = 0 只要通过边界条件将该方程解出，磁感应强度雪可以通过下式获得： 雪= 警一娑( 3 - d x 4 ) c i y 。 3 2 2 22 d 建模 ， 图3 4 给出- y - - 维模型的结构。从里向外，其材料分别为：空气、基体层、 永磁体、包封层、空气层、包封层、永磁体、基体层和空气，共有九层结构；其 半径分别为8 5 m m 、11 m m 、1 6 r a m 、1 7 r a m 、2 0 m m 、21 r a m 、2 6 5 衄：2 8 2 m m 和1 0 0 m 。 其中永磁体为8 极结构。 1 4 第三章碓力传动机构磁场的有限元分析与建模 瞄342 d 模型结构 净o 8 槲罐i s m 6 ：模型+ 斌1 麓譬嚣封层结构。爻i 芦嗍确锄 图3 5 a 、b 、c 分别给出了其中的永磁体、基体与包封层结构与尺寸。永磁 体区材料为s m c o ，采用8 极模型，其内转子的内外半径分别为1 l = m 和1 6 m m ，厚度 为5 哪。外转子的内外半径分别为2 1 r a m 和2 6 5 衄，厚度为5 5 m 。内转子的内侧 和外转子的外侧为基体区，采用碳钢为其材料，其厚度分别为25 m 0 和1 7 m m 。 内转子的外侧和外转于的内侧加了一层不锈钢包封，其厚度为l = m 。其余部分均 设其磁导率为1o ，对空气，铝合金和钛合金等材料不加区分。为满足精度要求， i o 畸 ， 第三章磁力传动机构碰场的有限元分析与建模 最外的空气层半径为1 0 0 珊，约为材料区的4 倍。并且给其加载了无限边界条件。 建模采用p l a n e 5 3 单元，单元结构为八节点四边形，有中间节点，所以模型 为二阶。图3 6 给出了模型的网格划分图。划分采用的不是均匀单元，即各单元 的面积是不一样的，在材料区划分得较密，而外围的空气层则较稀疏，这样做可 以减少计算量并且使材料区的场强分布与实际情况更加符合。图3 7 给出了模型 中的节点分布图，可以看出，中间部分材料区节点分布很密，而外围则较稀疏。 与网格图比较出现了中间节点。 3 3 本章小结 a 网格划分总体 b 材料区网格划分 圈3 , 62 d 模型阿格置咀分图 图37 节点分布图 本章主要对磁力传动机构的磁场进行了建模。 1 ) 提出用a n s y s 分析磁场领域的问题，着重考虑的三个问题和五个步骤 第三章磁力传动机构磁场的有限元分析与建模 以及分析的方法； 2 ) 通过二维磁场分析，建立了磁场2 d 模型结构，并描绘出2 d 模型的网格 划分图和节点分布图； 2 d 实体模型为磁力传动机构耦合磁场的动力学和运动学研究提供了坚实的 理论依据。 第四章磁力传动机构的磁场力学二维分析 第四章磁力传动机构的磁场力学二维分析 4 12 d 模型数理参量定义 在上一章建立的2 d 有限元模型中，可以通过固定内转子，旋转外转子来改 变内外转于之间的转角，并通过分析软件获得相应转角下的磁场分布，然后通过 虚位移法。计算其间磁场的相互作用力，最后通过对表面作用力的求和来获得 转角与转矩之间的关系。同时从能量传递的角度，结合转角与转矩的关系，来获 得功率与转角之间的关系。转角( 口) 的定义如图41 所示，当内外转于的n 、s 极耦合对齐时的平衡位置为零度逆时针方向为正向。 l 回f - l 鹣二 圈4 i 转角( 口) 的定义 4 22 d 磁场动力学分析与研究 通过分析软件取得不同转角下的磁矢势虬、磁感应强度吾矢量、磁感应强度 吾的绝对值分布，磁通密度阻及不同转角不同层面的磁感应强度分析研究，以确 定其变化规律。 4 2 1 不同转角下磁矢势a z 的分布 图42 分别给出了不同转角下的磁矢势k 的分布圈。从中可以看出，在平衡 位置时，内外转子的磁矢势a ：的分布与角度的关系是一样的，或者说，磁矢势 极大值的位置是在同一角度处。随着外转子偏离平衡位置角度的增加，或者说， 第四章磁力传动机构的磁场力学二维分析 随着转角的增加外转子磁矢势的极大值位置也逐渐发生偏转。其偏转的角度与 转角是一致的。 在磁矢势的空间分布计算出来后，按下式对磁矢势盘求偏导数可获得磁感应 强度雪的空间矢量分布。五= 等。一笔 。卵功c ap - - 0 c 目- - 2 0 0 b 目= j d6 - 3 0 0 ，。， 圈42 不同转角下的磁先势a ，的分布圈( 单位a 4 2 2 不同转角下磁感应强度画的矢量分析 图4 3 给出了不同转角下磁感应强度茸的矢量分布圈。从中可以看出，在 t h e t a o 时磁极在表面上按s n s n s n s n s n 的形式呈现8 极分布。该分布与从理 论上设想的形式是完全一样的。磁感应强度在永磁体附近大致在02 t 一0 5 t 左 右。不过其中有一部分黄线和红线，表明该处的场强较强而出现黄线和红线的 地方主要在两块永磁体交界处，这是由于在角点处没有做钝化处理的结果。从理 论上的计算也表明，若在区域中有尖角的存在，则在尖角处会出现很强的磁场， 第四章磁力传动机构的磁场力学二维分析 这就是所谓的尖角效应。不过，如果是纯粹由永磁体构成的结构，除非某些特殊 的结构( 如m a g i cr i n g 结构) ，空间场强一般不会比永磁体的剩余磁感应强度大。 但是我们发现，某一部分交界处的磁感应强度比材料的剩余磁化强度( 0 9 3 t ) 要 大。这主要是表面包覆的基体层为软磁性的碳钢材料，它有聚集磁力线的作用， 可以在一定范围内起着增强空间磁感应强度的作用。在t h e t a = 0 时，由于空间磁 感应强度矢量的对称分布，沿着周向一周积分，其总的磁感应强度为零。 随着转角的增加，从图中可以看出，磁感应强度矢量沿着其中的一个方向发 生偏移，由于发生偏移，导致磁感应强度矢量沿着周向一周积分，其总的磁感应 强度不为零。由于在永磁体表面上有磁荷的存在，所以内外转子的磁相互作用力 是作用在其表面的。按照磁场强度的定义，磁场强度与磁相互作用力的关系为： f = 9 ，h 其中q 。为磁荷。再根据磁感应强度与磁场强度的关系后= ，疗，可得： f ：业 而力矩的定义为： 三= f 孟 若考虑柱坐标系，豆在径向，所以对转矩有贡献的是周向上的力。或者说，磁感 应强度的周向分量才对转矩有贡献。随着转角的增加，从图中可看出，磁感应强 度的逐渐偏离径向，其周向分量越来越大，从而磁转矩的数值也越来越大。而当 转角大于2 5 。后磁感应强度的偏离赃逐渐减小，从而磁转矩的数值也逐渐减小。 瓣i 薰 a0 = 0 b8 = 5 第四章磁力传动机构的磁场力学二维分析 g 0=30。h0 = 3 5 。 图43 小同转角下的磁感应强度画的炙量分布罔( 单位t ) 4 2 3 不同转角下磁感应强度画的绝对值分析 薰。瓣，一，簿 第四章磁力传动机构的磁场力学二维分析 图44 分别给出了不同转角下磁感应强度豆的绝对值分布图。 d h0 = 3 5 0 图44 不同转角下的磁感应强度画的绝对值分布囤( 单位t ) 从后的绝对值分布圈中可以看出，在两块永磁体的相接点，场强达到极大值 第四章磁力传动机构的磁场力学二维分析 在t h e t a = 0 时，内外转子磁感应强度极大值所处的角度是一样的，随着外转子的 转动，空间的磁场分布也随着发生变化。空间磁场的变化导致了其所储存的静磁 的变化。由于外转子是由平衡位置( 能量极小值处) 开始转动，需外力做功才能 使其转动。由能量守恒原理，在准静态的情况下，外力作的功就等于静磁能的增 加。按照这一点，如果计算出不同转角下空间所储存的静磁能玩， 刍f 历= 一疗砌y ，将静磁能对转角t h e t a 求偏导，三= 一等，也可以求得不 d 同转角下的转矩值。不过，从数值计算的角度来看，按照该改方法有一缺陷。由 于静磁能毋是对整个空间积分的结果，假设外转子转了一小角度a r = 口一日， ff 则上式可写成厶= 一兰等- 箸，对整个空间的静磁能来说，易矿与差别很小， 口一口 所以按照上式计算所获得的磁转矩值误差较大。 从图中可以看出，最大磁感应强度可以达到了1 3 8 7 t ，该数值比永磁材料 的剩余磁感应强度大，其原因在于基体层为软磁性的碳钢材料，它具有聚集空间 磁力线的作用，从图中也可以看出，磁感应强度最大的地方都是出现在软磁性的 碳钢材料内部的。 如果表面覆盖一层软磁性材料，这一效应更加明显。在图中出现红色数值的 都在软磁性的基体层，在该处磁力线最为密集。 4 2 4 不同转角下磁通密度分析