（机械电子工程专业论文）面向平板显示制造装备的磁性齿轮传动关键技术研究.pdf

上海大学硕上学位论文 摘要 本文的课题来源于上海市重点学科建设项目( 快速反应基金项目) ，并 得到了国家重点学科( 机械电子工程) 、国家自然科学基金、上海市教委基 金的资助。 磁性齿轮传动技术涉及机械学、磁学、材料学的相关知识，具有多学 科交叉综合的特征。磁性齿轮传动装置具有高洁净度、低能耗、无噪声、 高安全性等特点，本文所介绍的是一种可实现非接触式空间交错轴系传动 的磁性齿轮，它适用于对生产环境洁净度要求较高的生产制造产业，如平 板显示输送行业等，因其具有的优越性，磁性齿轮在工业应用中有着极其 广阔的发展前景。 本文针对磁性齿轮的国内外发展现状及研究的主要内容进行了简单介 绍。并对磁性齿轮的基础理论、工作原理及其材料特性进行了初步探讨。 作者利用a n s y s 软件对磁性齿轮进行有限元分析，研究其磁极数对传 动扭矩的影响、两磁性齿轮的间隙与磁场力的关系、分析磁性齿轮产生最 大承载力的位置。 本文对磁性齿轮的材料选择及其制作过程进行了描述，重点介绍了模 具和充磁装置设计方面的技术内容，并对制作的磁性齿轮磁场强度和均匀 度进行了测试，测试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。 论文还介绍了磁性齿轮传动实验装置的设计、制作及实验测试的情况， 并对测试结果进行了分析。实验结果表明磁性齿轮能成功实现空间交错轴 系的传动。 本文最后介绍了由作者参与设计和调试的用于平板显示器生产线的磁 性齿轮传动输送台样机，并对今后磁性齿轮传动技术的深入研究和工业应 用进行了展望。 关键词：磁性齿轮 非接触 4 5 。螺旋有限元分析平板显示器 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp r o j e c tb e l o n g st os h a n g h a i l e a d i n ga c a d e m i cd i s c i p l i n e a n ds t a t e l e a d i n g a c a d e m i cd i s c i p l i n ef u n d ( p r o j e c tn o y 010 2a n db b 6 7 ) ，i sa l s oj o i n t l ys u p p o r t e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n da n ds h a n g h a ie d u c a t i o nc o m m i t t e ef u n d t h et e c h n o l o g yo f m a g n e t i cg e a rt r a n s m i s s i o ni n v o l v e st h er e l a t e dk n o w l e d g eo f m e c h a n i c s ， m a g n e t i s ma n dm a t e r i a l ，h a st h em u l t i d i s c i p l i n a r yo v e r l a p p i n gs y n t h e s i sc h a r a c t e r i s t i c s t h e e q u i p m e n tm a g n e t i cg e a rt r a n s m i s s i o nh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g hc l e a n n e s s ，t h el o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，n o n - a t t r i t i o n ，n o i s e l e s sa n dh i g hs e c u r i t y w h a tt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e di so n ek i n do f g e a rw h i c hc a nr e a l i z et h en 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 ，i ti ss u i t a b l et ot h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yw h i c hi sr e q u e s t e dt l l eh i g hc l e a n n e s se n v i r o n m e n t s u c ha sp a n e ld i s p l a y t r a n s p o r t a t i o np r o f e s s i o n t h em a g n e t i cg e a rh a st h ee x t r e m e l yb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t i nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o nb e c a u s ei t ss u p e r i o r i t y t h i sa r t i c l eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h em a g n e t i cg e a r sd e v e l o p m e n ti nd o m e s t i ca n d f o r e i g n a n dh a v ec a r r i e do nt h ep r e l i m i n a r yd i s c u s s i o no ft h em a g n e t i cg e a r sb a s i ct h e o r y , p r i n c i p l eo fw o r ka n dm a t e r i a l sb e h a v i o r t h ea u t h o rh a sc a r r i e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su s i n gt h ea n s y ss o f t w a r et ot h e m a g n e t i cg e a r , s t u d i e si t si n f l u e n c ea b o u tt h em a g n e t i cp o l ea n dt h et o r q u e s ，t h er e l a t i o n s h i po ft h e m a g n e t i cg e a r sg a pa n di t sm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ，t h ep o s i t i o no ft h eg r e a t e s ts u p p o r t i n gc a p a c i t y o nm a g n e t i cg e a r t h i sa r t i c l em a d ead e s c r i p t i o no ft h em a g n e t i cg e a r sm a t e r i a la n di t sm a n u f a c t u r ep r o c e s s e s p e c i a l l y , i n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dt e c h n i c a lc o n t e n to ft h em o l da n dm a g n e t i z e s ，a n dt e s tt h e m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dt h eu n i f o r m i t yo ft h i sm a g n e t i cg e a r t h et e s tr e s u l th a di n d i c a t e dt h e p 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 el e v e lo fs i m i l a rp r o d u c t so v e r s e a s t h ep 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 g e q u i p m e n t ，a n dh a sc a r r i e d0 1 1t h ea n a l y s i st ot h et e s tr e s u l t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a t t 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 lo 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 f i n a l l y , i n t r o d u c e dt h em a g n e t i cg e a r sw o r kp l a t f o r mf o rt r a n s p o r t i n gt h ef l a t - p a n e ld i s p l a y p r o d u c t i o nl i n e sw h i c ht h ea u t h o rh a dt a k e np a r ti np a r t i c i p a t i o nb yt h ea u t h o r , a n dm a d ea e x p e c t a t i o no f m a g n e t i cg e a r sd e e pr e s e a r c ha n dt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f m a g n e t i cg e a r k e y w o r d s ：m a g n e tg e a r n o n c o n t a c t 4 5 。s k e wf e a f l a t - p a n e ld i s p l a yt r a n s p o r t v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 眸 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 弛i 碰v - i ，新躲冰吼掣 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于：“教育部高等学校重点学科建设项目、上海市重点学科建设 项目资助”( 项目编号：y 0 1 0 2 和b b 6 7 ) ：国家自然科学基金资助项目( 项目编号： 5 0 7 0 5 0 5 3 ) ；上海市教委基金资助项目( 项目编号：0 7 z z 0 4 o 1 2 课题研究的目的和意义 国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中明确提出要 把高清晰度大屏幕平板显示器作为重点领域中的优先主题，要开发各种平板和 投影显示技术，建立平板显示材料与器件产业链；在“上海中长期科技发展战 略任务 规划中，新型平板显示器也被列为今后十至十五年上海中长期科技发 展战略重点之一。 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 l 海大学硕士学位论文 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牛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，它在围外已日益受到重视h 】。 1 3 国内外发展概况 13 1 国外发展概况 1 ) 1 9 4 0 年英围人c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 利用磁力驱动泵p 首次解决 了输送危险性介质的化工泵泄漏问题。i 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。 2 ) 加拿大n o v a 磁有限公司生产的超压风机口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 一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 甜h ：系 统压差为3 5 m p a 时，流量4 0 0 m 3 h ，实现了零泄漏。 3 1 韩国i n a t e c h 公司【6 1 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 齿轮规模化地应用 于工业牛产中的代 表型企业。如图1 - 1 所示。 幽1 - ll n a t e c h 公司的融齿轮流水线 p 海大学碗1 。学位论文 3 2 国内发展概况 多 目前，国内有类似的磁性齿轮研究，但还没有查到相关应用方面的报道。 层磁嘴轮i 如图1 2 所示的种多层平而 磁啮轮和多层球面磁啮轮以及采 用这种磁啮轮的磁性传动装置。多 层磁啮轮由若干可旋转的基底、若 t 可一起旋转的间龋片阻及排布 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 图i 一2 多层磁l 啮轮 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，图中深 色磁体为n 极，浅色磁体为s 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。 在两个相啮合的磁啮轮的啮合部位，一个磁啮轮的任一磁体或磁极都处于 另一磁啮轮的若干磁体或磁极所形成的磁场中，在转轴的约束下，当磁体或磁 极偏离对应磁场时就会产牛切向的磁作用力。浚传动装置虽可实现非接触传动， 但其结构复杂，尺寸偏大，装调不方便。 m ) 图1 0 多层碰啮轮原理图 3 燮 ，辣乒豢茎 囝世一 上海大学硕士学位论文 2 磁对应传动齿轮 8 】 单个磁对应传动齿轮的结构图如图1 4 所 示，其齿轮本体外圆周上设置有凹槽，凹槽内n 放置磁条块，图中指出的n 、s 为镶入的磁条 6 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、加工装配网 难等缺点。 3 直驱永磁风力发电机【9 】 i i 图1 _ 4 磁对应传动齿轮 2 0 0 5 年，我国第一台围产兆瓦级风力发电机投入运行。这台1 2 m w 直驱 式永磁风力发电机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，以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。 国内外有关于磁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【1 0 1 、磁性齿 轮用在人工心脏的模拟实验、磁能血泵的驱动分析等。 1 4 课题的主要研究内容 本论文是作者攻读硕士学位期间参加的由我校国家重点学科快速反应基金 和市教委科研基金资助的磁性齿轮项目研制工作，对磁性齿轮的基础理论和工 作原理进行了初步研究和总结。本课题的最终目标是磁性齿轮研究成果的应用 实现，它涉及机械学13 1 、磁学【1 扣15 1 、材料学 1 的17 】等学科相关专业知识，具有多 学科交叉和综合的性质。本课题在取得了磁性齿轮的初步研究成果后，又得到 了国家自然科学基金的大力支持。 本文介绍了磁性齿轮的工作特点及国内外发展现状，对磁性齿轮的基础理 论和工作原理进行了初步探讨，并重点阐述了磁性齿轮的材料选择、充磁器设 计和磁性齿轮的制造。作者运用电磁场有限元分析技术对磁性齿轮进行了磁极、 4 上海大学硕士学位论文 磁通量、磁力线分布的计算。在有限元分析的基础上，作者介绍了磁性齿轮的 实验装置和磁传动输送台机械结构设计和控制设计，制作及调试等工作。 本课题的研究内容主要包括以下几个部分： 1 、磁性齿轮的基础理论和工作原理 2 、磁性齿轮的材料选择及制作 3 、磁性齿轮的充磁技术 4 、电磁场有限元计算和分析 5 、磁性齿轮实验装置设计及参数测试与分析 6 、磁性齿轮传动输送台样机设计与实现 5 上海大学硕上学位论文 第二章磁性齿轮的工作原理及材料选择 经查阅国内外相关资料后，本文将进一步对磁性齿轮的工作原理及材 料特性进行分析研究。 2 1 磁性齿轮相关理论基础 在介绍磁性齿轮之前，先简单介绍我们 所知道的传统齿轮【1 3 的啮合过程。其啮合 原理如图2 - 1 所示，齿轮l 为主动轮，齿 轮2 为从动轮。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 项，啮合点为b 。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 逐渐移向齿顶，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。 图2 1 齿轮传动原理 由于在半导体行业对生产环境、洁净度要求很高，因此非接触传动取 代传统接触传动是一个趋势。我们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合作用实现传动。它涉及多学科的交叉和综合， 下面简要阐述磁学的基本知识。 6 上海大学硕十学位论文 2 1 1 磁场基本知识 磁性材料的磁现象起源于材料内部原子的核外电子运动所形成的微电流。 这可以用安培分子电流假说来解释，每一个分子都是由原子核和绕它转动的电 子组成，转动的电子可以看作一个小的环形电流( 分子电流) ，磁体中分子电流 的排列比较整齐，他们所产生的磁感强度方向一致，表现出宏观的磁性。磁体 总有两个磁极，一个是n 极，另一个是s 极，且同号相吸，异号相斥，磁体之 间的相互作用力主要是通过磁极之间的耦合作用【18 1 9 1 来实现。磁场是磁体磁力 所能到达的空间，或磁力作用的范围，它没有一定的界限，只有强弱之分，其 强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地 方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。与任何力场一样， 磁场是能量的一种形式，它将一个物体的作用传递给另一物体，而力的作用又 是相互的。 两磁体的相互作用力可通过库仑定律表示，设两磁体之间间隙为r ，磁极 强度分别为m l 和m 2 ，则两个磁极间的引力或斥力的方向在两个磁极的连线上， 大小跟它们的磁极强度的乘积成正比，跟它们之间距离的平方成反比。 库仑定律公式表示如下： f ：k 堕至( 2 1 ) ， 式中k 是比例常数，它的大小和式中各量的单位有关，在厘米克秒制时， k = 1 。 2 1 2 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，我们称该对磁环为磁性齿轮。 设齿轮1 为主动轮，齿轮2 为从动轮，齿轮环状柱体表面由数对n 、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。 7 上海大学硕士学位论文 主 图2 - 2 磁性齿轮传动示意图 动轮 动轮 0 。 轮 ( b ) 图2 - 3 磁性齿轮工作原理图 ( d ) 动轮 0 。 轮 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 持n 、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q ， 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 上海大学硕上学位论文 力f s t 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，即旋转角为只时，此时从动轮受到主动轮s 极和n 极合力f m 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 1 3 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。 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。 众 图2 - 4 外啮合传动 图2 5 内啮合传动图2 6 齿轮齿条传动 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 2 1 2 羽、 交错轴式 2 3 】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 磁有限公司生产的超压 9 l ，海太学硕十学位论文 风机旧、非接触式联轴器俐等，一般用丁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 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台，如可运朋 于磁能血泵来传递动力等。 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，如图2 - 7 示。两外表面没有直接 接触，它们之间留有一定的空隙，图中深色为n 极，浅色为s 极，州碰极交替分布于嘲周卜，h 相对磁极为异号。交错轴磁性齿轮传动类似丁蜗 轮传动，可| 三l 应用于对传动方向有要求的场台。 木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 2 磁性材料 图2 7 交里轴传动 磁性齿轮磁极耦合作用的强弱与其磁场强度、间隙等因素有关而磁场强 度、磁力又与材料和充磁技术密切相关，且充磁效果的好坏也j 段决于材料的特 性曲线，因此选样合适的材料是本课题的关键之，。 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，适宜制作永久磁铁。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，故常用于制造电机、变爪器和电磁铁。而所有的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，陵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 2l 磁化曲线与磁滞回线 1 磁化曲线 基本磁化曲线【2 5 】：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) 晟大值取 上海大学硕士学位论文 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曰有如下的关系：b = 胆。对于 铁磁物质而言，磁导率u 非常数，而是随日的变化而变化的物理量，即 = f ( h ) ，为非线性函数。所以b 与h 也是非线性关系，也称为磁化曲线，如 图2 8 所示。 b b s 0 廿 b s b r 衙。 【s - h c 沁o h c h sh eb r 么z b s 图2 - 8 磁化曲线图2 - 9 磁滞回线 2 磁滞回线 磁滞回线【2 5 】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，这条闭合线叫做磁滞回线，如图2 - 9 所示。磁滞回线在第 二象限的部分被称为退磁曲线，即b c 段，这也是永磁材料的基本特征曲线。 以磁中性状态( h = 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( 如图2 9 ) 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b s 。此后若减小磁场，则从某一磁场( a 点) 开始，b 随h 的变化 偏离原先的起始磁化曲线，b 的变化落后于h 。当h 减小至零时，b 并没有减 d , n 零，而等于剩余磁感应强度b r 。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一h s 时，强磁体的b 将沿反方向磁化到趋于饱和一b s ， 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h s 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h 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h 大于极限 上海大学硕士学位论文 回线的最大磁场强度h s 时，磁化基本可逆；h 小于此值时，b 为h 的多值函 数。通常用极限磁滞回线上的b r 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我们就可以得到永磁材料的重要 磁性能参数：剩磁b ，、矫顽力日c 、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。所以根据木课题的要求，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 2 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，我们选用硬磁永 磁材料，第三代稀土永磁材料钕铁硼【2 6 | 。钕铁硼永磁材料是以金属间化合 物n d ：f e 。b 为基础的永磁材料，是目前磁性能最强的永磁材料。它的最大磁能 积可达3 9 8 k j m 3 ，为铁氧体永磁材料的5 1 2 倍，铝镍钴永磁材料的3 一1 0 倍， 理论值可达5 2 7 k j m 3 ，剩磁最高可达1 4 7 t ，矫顽力最高可超过1 0 0 0 k a m ，能 吸起相当于自身重量6 4 0 倍的重物。由于不含钴，且钕在稀土中的含量较多， 所以钕铁硼的价格比稀土钴要低得多。高能量的优点使钕铁硼永磁材料在现代 工业和电子技术中获得了广泛应用。 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【2 7 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，我们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。它具有如下的一系列特点和优点：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 1 2 上海大学硕士学位论文 结剂大约要占去体积的1 0 0 o - 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 - 1 0 所示的b - h 退磁曲线为本课题所选用的钕铁硼永磁材料的特性曲 线： 眦埔五蛐l - 册- 石-w5 图2 1 0b h 退磁曲线图 根据上述材料b h 退磁曲线得，为永磁体相对磁导率旷1 3 5 3 8 ；b 。为磁 通密度b r - o 8 2 t ；h 。为磁场强度h 。= 4 8 2 k a m ；为绝对磁导率，其值为4 n 1 0 。1 。 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，我们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。 上海大学硕士学位论文 第三章磁性齿轮的有限元分析和设计 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，这样增加了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，我们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 1a n s y s 理论基础 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。 在科学的技术领域中，对于许多的力和物理问题，能用解析法求出精确解的 只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由 于方程某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得 到解析解。这类问题的解决方法通常是引入简化假设，将方程和几何边界化为能 够处理的情况，从而得到问题在简化状态下的答案。 有限元法【2 8 2 9 1 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。单元内的近似函数通常由未知场函数 及其倒数在单元各个节点的数值和其差值函数来表示，这样一来，一个问题的有 限元分析中未知场函数及其倒数在各个节点数值就成为新的未知量( 即自由度) ， 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的自由度问题。一经求解出某些未知 量，就可以通过差值函数计算出各个单元内场函数的近似值，因此得到整个求解 区域上的近似值，显然随着单元数目的增加，即单元尺寸的减少，或者随着单元 自由度的增加及插值函数精密度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是 1 4 上海大学硕士学位论文 满足收敛要求的，近似解最后收敛为精确解。 a n s y s 软件正是一种基于有限分析理论( f e a ) 的功能完整且强大的计算 机模拟分析软件，它可以使设计人员研究产品的各种可能性，得出最佳设计方案， 并在产品制造之前全面把握产品的性能。此外，还可以消除传统设计过程中的许 多重复工作，节省大量的设计时间。a n s y s 软件具有以下方面的分析功能：结 构分析、热分析、电磁分析、流体分析以及独特的许多耦合场分析，在本文中将 运用a n s y s 的电磁分析和其耦合场分析功能对磁性齿轮做有限元分析。 3 2a n s y s 在磁场中的应用计算 在可以独立使用的产品a n s y s e m a g 和a n s y s m u l t i p h y s i c s 中，a n s y s 程序的磁场能力都可以用来分析磁场问题。用于a n s y s 磁场分析3 0 3 2 】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，用户可方便的选择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。 l 海大学硕士学位论文 _ td j t i q 】日0 日自i 1i l 日 图3 1 磁场有限元分析a n s y s 工作界面 3 2 1 磁生齿轮的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丰 动轮在非接触情况f 推动从动轮运转。在此过程中，两磁性齿轮的问隙条件对 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，如磁极个数 等决定了单个磁性齿轮的磁场强度。因此我们需要通过a n s y s 计算得出，在 额定间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我们所需的磁性齿轮的数据，我们将磁性齿轮简化为两维 计算。在求解区域中，含有2 种介质，一是永磁体，二是空气，内部介质可以 认为是空气，因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2 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己知的边界条件。同时还可以利用磁 i ：海大学硕士学位论文 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。 3 22 磁性齿轮的a n s y s 分析过程 1 建立a n s y s 模型 有限元分析的最终目的是要还原一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，以及其它_ 耳j 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。 蹦3 - 2 磁环1 4 模型 我们采用p l a n e 5 3 线性单元和p l a n e l l 0 远场单元，因为磁环处于开域场中 如用p l a n e l l 0 远场单元建立模型可大大减少分析的计算量。 ：、s 睑 门 鳖1 图3 - 3 磁环及远场单元模型 上海大学硕士学位论文 、o 上海大学硕。学位论文 到36 加载边界 5 求解过程 a n s y s 提供了三个求解器，即波前求解器( 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 ) ，我们采用f r o n t a l 求解器求解。在求解 进行中，扣开图形求解跟踪( 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蜥，磁感应强度矫顽力h c 和 空气的磁导率“t ，进行求解。 图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处。 上海大学硕士学位论文 目3 - 9 磁场强度分布 图3 - 9 表示了磁环的3 4 剖视图，颜色的深浅代表了磁势大小的分布。颜色 最深处有磁势最大值。 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 下面以一对外径为4 2 m m ，内径为3 2 m m ，轴向厚度l = 2 i m m ，极数为8 极的 径向充磁的钕铁硼磁性齿轮为例，进行传动力矩的计算。设定两环在没有外力作 用保持静止时的相对转角为o = 0 。( 如图3 t o ) 。 上海大学硕二l 学位论文 图3 1 0 相互耦合的两磁性齿轮 磁性齿轮的传动转矩是磁极数、两磁环问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u ，= 13 5 ，矫顽力 h 。= 4 8 2 k a m ，空气的相对磁导率u = 1 。 3 31 磁极数对传动扭矩的影响 磁极数就好比齿轮的齿数，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 m m ，轴向长度固定为2 1 r a m ) 、且工作间隙相同( 两 齿轮间距保持在im m 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 - 1 1 所示，当磁性齿轮磁极数从4 极增加到8 极、1 2 极、一直到2 0 极 时，力矩的峰值也相应发生变化。这是因为，当磁极内外径保持不变时，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。 上海大学硕士学位论文 黟 黪 磁极数z = 2 0 磁极数z = 8 黟 磁极数z = 1 6 圈3 一1 1 不同极数磁性齿轮间的耦合 i 湃大学硕l 学位论文 6 z m * 幽3 - 1 2 磁性齿轮磁撒数与传动力矩之间的艽系削 设计参数中的磁极数对磁扭矩有一定的影响。碰性齿轮最大传动力矩与磁 极数之间存在着一定的关系，在8 个极点数时，扭矩达到顶峰，然后随之下降。 由上述分析，我们可以得出一个结论，8 个极点是加强磁扭矩的最理想状态。 332 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。 咀下是一对磁性齿轮间间隙位从06 r a m 一2o 衄情况下( 每隔o2 m m 间隙) 的磁场强度分析结果，如图3 1 3 所示。图3 一1 4 为磁环问间隙和磁场力之间关 系的趋势图。 目隙目6目隙8 雾 量j ：； 酲； w新辫壤 惑攀孱秽 蚓 l 海大 领i 学位论文 司隙t = 10 间隙t - 14 间隙t - - 12 间隙f 16 间隙t = - i8问隙t = - 20 刚3 13 不同间隙f 的磁场强度分布幽 爹莹| | 戆 箩；|一鬃 擎一察 口曼 。 z篙嚣臻嚣嚣 。k嚣擗搿嚣滞一 ；：；端蒜klj昌昌昌昌 篇黼篓一_i口一皇兽 上海大学硕士学位论文 曲也性禹轮州n 障( m m ) 图3 1 4 间隙和扭矩值的关系 由图3 1 4 可见，当两齿轮间隙从0 6 增加到1 2 m 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 r a m 之间，磁力虽有下降， 但幅值很小，几乎对磁力没什么影响。但不是说间隙越小越好