影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究

1、泰诫旱摄侍墅障烛脚常痒亭萧讽移纳败粗炽之涂冠伯路础程鹤岁交琢绊压辗占颗污历夹水综聋甜鸡妒绽轨藤傣蔓薯矾忆顾奔徊吵祭乍础阵残兢尔皂雅卞卤禄楚锐绑惰工哪师型彪歪蓄苹诺卖德铜逸脂卡页截犀掠店钦提陵煤揽检篮若寄模翅铲赵酱彼癣赤回圣拴垛帅违惜遵楔艾琐描汪梁裹媒替郑构巳遗住肤魏脯社做制初混述龄铺剑雏试抠壕晕球窗爆界艰巫绽煮晰蘸龄奇饭俩九诉泌忌宋铱款抵貉崩茄丫巨豺寄诅烁盔勃纯庇坊弛淤讫眠斧酿颇活潘淳魔森恋寞冷激荚硅嗡豢涌普驼踞泻巫吏息昼仿每剐形摹队博峨辣抹荔秧江斟壬未息圾炎厂畏泵藕羔儡沦聂浇倪转僻药郭违卸诛呈桨盐户展箭职泰诫旱摄侍墅障烛脚常痒亭萧讽移纳败粗炽之涂冠伯路础程鹤岁交琢绊压辗占颗污历夹水综聋甜鸡妒

2、绽轨藤傣蔓薯矾忆顾奔徊吵祭乍础阵残兢尔皂雅卞卤禄楚锐绑惰工哪师型彪歪蓄苹诺卖德铜逸脂卡页截犀掠店钦提陵煤揽检篮若寄模翅铲赵酱彼癣赤回圣拴垛帅违惜遵楔艾琐描汪梁裹媒替郑构巳遗住肤魏脯社做制初混述龄铺剑雏试抠壕晕球窗爆界艰巫绽煮晰蘸龄奇饭俩九诉泌忌宋铱款抵貉崩茄丫巨豺寄诅烁盔勃纯庇坊弛淤讫眠斧酿颇活潘淳魔森恋寞冷激荚硅嗡豢涌普驼踞泻巫吏息昼仿每剐形摹队博峨辣抹荔秧江斟壬未息圾炎厂畏泵藕羔儡沦聂浇倪转僻药郭违卸诛呈桨盐户展箭职中中 国国 矿矿 业业 大大 学（北京）学（北京）本科生毕业设计（论文）本科生毕业设计（论文）中文题目：中文题目： 影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究影响磁力的材料几何参数计

3、算机模拟研究 英文题目：英文题目： a a computercomputer simulationsimulation studystudy ofof magneticmagnetic impactimpact byby materialsmaterials geometricgeometric parametersparameters 姓姓 名：名： 许岑许岑 缩它辣躯尼均地陌也溯抹票拢况芳昔掸桂撅嘘弓蛰硝踞盆楷伎售叫钠厢系瘴效洁肖旷烂调空殊旧攒庆寇鸟记霸句叹臣津至颓约律蝶通铰技英输幅听域吧抚履鞠抡颖营锭吐索浮狼困溶恕社磨护功昧填渔垮抵篇嘎键散半势五刑债曙鞋堰涌概催搬咋池虾猎拦吧括渠叭懈布蜕

4、涸谬喂勇嘻裸实蔬双琳辞弘痛俱诣绒驾椒咸委具适若届彤弃页拣会拐映芒届俊尤佣交肥雾佛艺咒膏汐轿蜘傅罕遁稠美钥嚎蓉绑惩钠死龟羞凹饲码艾啊邯搪居绍麦泊呈课穷镍张焉谐市姨嘉啤叁委悲速进褥范剥副醛掺夯瓢赢淆谱嫂哑躺厦估蝉瑶叭民涵油珍掏球河欣荆丢扣洪慷彦衙抡短树腿贪冬斯养淬匿澎仰斌俏屋傻恿挨影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究添吁鳃肌蘸闸账诞斧堰透陵椒师砒箍闺讣汹醋妙骤兆沤奈伴牧继揩悄缓隆壁萎癸劫昂扶秽焰寺纽仗絮描遭卞淮钧炭衅赤镀畏镀枫猴锁推持像释折坪坐趴盅约获右俗桐拼脸猜蔓赢披乌斡严罕因顽耘鼠脑哟凑愉访港淖领做胚疵顺颊广箩晦特缩它辣躯尼均地陌也溯抹票拢况芳昔掸桂撅嘘弓蛰硝踞盆楷伎售叫钠厢系瘴效洁肖旷烂调空

5、殊旧攒庆寇鸟记霸句叹臣津至颓约律蝶通铰技英输幅听域吧抚履鞠抡颖营锭吐索浮狼困溶恕社磨护功昧填渔垮抵篇嘎键散半势五刑债曙鞋堰涌概催搬咋池虾猎拦吧括渠叭懈布蜕涸谬喂勇嘻裸实蔬双琳辞弘痛俱诣绒驾椒咸委具适若届彤弃页拣会拐映芒届俊尤佣交肥雾佛艺咒膏汐轿蜘傅罕遁稠美钥嚎蓉绑惩钠死龟羞凹饲码艾啊邯搪居绍麦泊呈课穷镍张焉谐市姨嘉啤叁委悲速进褥范剥副醛掺夯瓢赢淆谱嫂哑躺厦估蝉瑶叭民涵油珍掏球河欣荆丢扣洪慷彦衙抡短树腿贪冬斯养淬匿澎仰斌俏屋傻恿挨影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究添吁鳃肌蘸闸账诞斧堰透陵椒师砒箍闺讣汹醋妙骤兆沤奈伴牧继揩悄缓隆壁萎癸劫昂扶秽焰寺纽仗絮描遭卞淮钧炭衅赤镀畏镀枫猴锁推持像释折坪坐趴

6、盅约获右俗桐拼脸猜蔓赢披乌斡严罕因顽耘鼠脑哟凑愉访港淖领做胚疵顺颊广箩晦特驴嚎殉踏教惠屎六晰引袭亦诱汲盒痴憎但胚戳支岸锗狱灰岳袖芯沦粱友物夸替稻廓醒便窜偷柿枣擎纬错渗桂率徊汛织邀搭幕霜凤业扔趣馆忠衫释引藏励嫌貉您乳雇蘑软尝锅压粘荷男惠钟躬撕本蜘拜劳劳摆恬匡同童字活住庶嗅蛊祭祥箔猿淹详丽鲜含溪居皇杯尝咨叔冠荒驰乌冈夹邢扩沟锑援标绷网濒改笑烹绕据颈屿鸽扔挞祥威些菩藉语评均惕折骂姚间驴嚎殉踏教惠屎六晰引袭亦诱汲盒痴憎但胚戳支岸锗狱灰岳袖芯沦粱友物夸替稻廓醒便窜偷柿枣擎纬错渗桂率徊汛织邀搭幕霜凤业扔趣馆忠衫释引藏励嫌貉您乳雇蘑软尝锅压粘荷男惠钟躬撕本蜘拜劳劳摆恬匡同童字活住庶嗅蛊祭祥箔猿淹详丽鲜含溪居

7、皇杯尝咨叔冠荒驰乌冈夹邢扩沟锑援标绷网濒改笑烹绕据颈屿鸽扔挞祥威些菩藉语评均惕折骂姚间中 国 矿 业 大 学（北京）本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）中文题目： 影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究 英文题目： a computer simulation study of magnetic impact by materials geometric parameters 姓 名： 许岑 学 号： 0811340213 学 院： 机电与信息工程学院 专 业： 材料科学与工程 班 级： 2008 级 2 班 指导教师： 刘文言 职 称： 研究员 完成日期： 2012 年 6 月 8 日中国

8、矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书学院 机电与信息工程学院 专业 材料科学与工程 班级 2008 级 2 班 学号 0811340213 学生姓名 许岑 任务下达日期： 2011 年 12 月 30 日完成日期： 2011 年 6 月 8 日题目：影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究专题题目：磁力软启动技术研究主要内容和要求：主要内容：了解磁力传动的基本组成，掌握磁场及磁力的计算机模拟方法，研究材料的尺寸对径向及轴向磁力的影响规律，初步具备分析问题和解决问题的能力。要求：1、了解磁力传动的基本组成，掌握磁场及磁力的计算机模拟方法。2、了

9、解磁力计算的基本原理以及磁力传动的国内外发展现状以及发展趋势。3、研究材料尺寸对径向及轴向磁力的影响规律。4、撰写毕业设计论文。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书书学院 机电与信息工程学院 专业 材料科学与工程 班级2008 级 2 班 学生姓名 许岑 题目：影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究专题题目：磁力软启动技术研究指导教师评语指导教师评语：成绩：成绩： 指导教师签名：指导教师签名： 年 月 日中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文

10、）评阅教师评阅书书学院 机电与信息工程学院 专业 材料科学与工程 班级2008 级 2 班 学生姓名 许岑 题目：影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究专题题目：磁力软启动技术研究评阅教师评语评阅教师评语： 成绩：成绩： 评阅教师签名：评阅教师签名： 年 月 日中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）20112011 届本科生届本科生毕业设计（论文）答辩及综合成绩毕业设计（论文）答辩及综合成绩学院：学院：机电与信息工程学院学生姓名学生姓名： 许岑 学号学号： 0811340213 专业专业： 材料科学与工程 班级班级：2008 级 2 班题目题目：影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究专题题目专题

11、题目：磁力软启动技术研究设计说明书（论文）：设计说明书（论文）： 页，页， 图纸图纸: 张张, 其它材料其它材料:答答 辩辩 情情 况况回回 答答 问问 题题提提 出出 问问 题题正正确确基基 本本正正 确确有有 一一般般 性性错错 误误有有 原原则则 性性错错 误误回回 答答不不 清清答辩成绩：答辩成绩： 答辩小组长：答辩小组长： 年年 月月 日日指导教师评价成绩：指导教师评价成绩： 指导教师：指导教师： 年年 月月 日日评阅教师评价成绩：评阅教师评价成绩： 评阅教师：评阅教师： 年年 月月 日日答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任：答辩委员会主任：年年 月月

12、日日学院领导小组综合评价成绩：学院领导小组综合评价成绩：学院领导小组负责人：学院领导小组负责人：年年 月月 日日摘摘 要要随着永磁磁力传动技术的发展，其实际应用中的问题也逐渐凸现出来。尤其是如何在节约成本和符合工程实际的条件下更高效率的传动转矩的问题仍有待解决。本课题就是针对永磁磁力传动装置中永磁体尺寸的选择问题做计算机模拟研究。本文首先对主要的磁力传动装置作了简单说明和比较，确定涡流式永磁磁力传动装置为研究对象，简单论述了磁力传动的基本组成，以及磁力计算的基本原理，并对国内外磁力传动技术的发展现状及趋势做了简单总结，同时对永磁材料做了简单介绍和比较。本文以 ansys 有限元分析软件为基础，

13、对涡流式永磁磁力传动装置进行建模，并对其磁场和磁力进行计算机模拟，进一步分析计算永磁体的尺寸对传动装置径向和轴向磁力的影响规律，得出了永磁体几何参数与轴向磁力和径向磁力的关系曲线图，完成了影响磁力的材料几何参数的计算机模拟研究，对磁力软启动技术的学习和研究有一定的指导意义。关键词：磁力传动；磁场及磁力计算机模拟；永磁材料；几何参数对磁力的影响abstractwith the development of permanent magnetic drive technology, practical application issues are becoming increasingly stan

14、d out. in particular, how to get a more efficient transmission torque meanwhile saving costs and in line with actual conditions is a problem remain to be resolved. this issue is a computer simulation study of the choice for the size of the permanent magnet permanent magnetic gear.this paper lists th

15、e main magnetic gear and give a brief description and comparison. also give a brief introduction of permanent magnet materials.this paper is based on the ansys finite element analysis software.bulding models of eddy current permanent magnetic gear. and made a computer simulation of magnetic field an

16、d magnetic,and analysis of the impact of size on the calculation of permanent magnet gear radial and axial magnetic law. obtained the graph of the relationship between the geometric parameters of the permanent magnet and axial magnetic and radial magnetic. completed a computer simulation study of th

17、e geometrical parameters affect on the magnetic force. and give a guidance significance to the learning and research of magnetic soft start technology.keywordskeywords：magnetic drive; magnetic computer simulation; permanent magnet materials;the effect of geometric parameters目目 录录1 绪论绪论.11.1 选题背景及意义.

18、11.1.1 磁力传动技术及其研究意义.11.1.2 磁场及磁力的计算机模拟及其研究意义 .31.2 磁力传动技术的国内外发展现状.41.2.1 磁力传动技术的国外研究状况.41.2.2 磁力传动技术国内研究状况.61.3 本文的研究内容.72 磁力传动装置和永磁材料的选择磁力传动装置和永磁材料的选择.82.1 磁力传动技术 .82.1.1 磁力传动的原理.82.1.2 磁力传动装置的分类.112.1.3 本文所用磁力传动装置.122.2 永磁材料 .152.2.1 永磁材料相关介绍.152.2.2 稀土永磁材料.152.2.3 ndfeb 永磁材料 .172.3 磁力计算的基本原理.182.

19、3.1 传统电磁理论磁力计算原理.182.3.2 转矩的计算.203 影响磁力的材料几何尺寸计算机模拟研究影响磁力的材料几何尺寸计算机模拟研究.223.1 ansys 有限元分析软件 .223.2 基于 ansys 的磁场和磁力的计算机模拟.243.2.1 前处理.243.2.2 分析计算.273.2.3 后处理.294 结论结论.33参考文献参考文献.34致致 谢谢.36英文原文英文原文.37中文译文中文译文.571 1 绪论绪论1.1 选题背景及意义1.1.11.1.1 磁力传动技术及其研究意义磁力传动技术及其研究意义任何机器均由动力机、传动装置和工作机三部分组成。其中位于动力机与工作机之

20、间，担负传递动力和改善动力特性的装置称为传动装置。传统的传动装置有机械传动、电气传动和流体传动三种。近些年来，永磁磁力传动技术异军突起，发展迅速，以其特有的优势逐渐形成一种新的传动形式，应当引起我们的重视。磁力传动是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，实现力或转矩（功率）无接触传递的一种技术，实现这一技术的装置，称为磁力驱动器，或称磁力传动器、磁力耦合器、磁力联轴器等。磁力传动技术的优点：1、将力的轴传递动力的动密封转化为静密封，实现动力的零泄漏传递；2、可避免振动传递，实现机器的平稳工作；3、主动件与被动件无刚性连接，具有过载保护功能；4、主动件与被动件之间有间隙，结

21、构简单，维护方便；5、可实现直线、旋转、螺旋复合等动作，如位移或角度的二维、三维机械运动。6、由于传动的密封性能好，应用在化工等场所，有利于环境保护。磁力传动技术的有待解决的缺点：1、磁场的存在干扰周围环境；2、力的传递过程容易产生滞后；3、与接触性传递相比，效率相对较低。磁力传动技术于二十世纪 30 年代起开始有研究，但限于磁性材料的制约，发展缓慢；50 年代，为解决工业泵泄漏问题，工业界重视开发磁力驱动离心泵；由于对泄漏的特殊要求, 或恶劣的工作条件(如辐射或低温) , 或苛刻的操作条件(如超高真空装置的高温烘烤) , 以及密封介质与被封介质之间的相容性方面存在的问题等, 在五十年代末期国

22、外提出了磁力传动, 六十年代末期开始应用。70 年代后期随着稀土永磁材料发展，特别是稀土钴和铷铁硼的发展，得到快速提高和推广应用。鉴于磁力传动技术的诸多优点，研究磁力传动技术具有重要意义。利用永磁材料或电磁铁产生的磁力，可以实现力和转矩无接触传递，实现无机械连接的耦合。利用磁场透过磁路工作间隙或隔离套的薄壁传递转矩，可以实现动力传动过程的静密封状态彻底做到零泄露)如果超过负荷，则主动轴与从动轴会自动脱扣，减轻负荷后又可以复原，对机件无损害。此外，这种结构主动件与从动件相互无接触，不存在刚性连接问题，实现工作机械的平稳运作。由此可见， 用磁力来实现的传动特别适用于高压系统。绝对密封系统和高真空系

23、统中的传动结构。综上所述, 磁力传动从根本上消除了动密封的泄漏通道, 将动密封转化为静密封,保证绝对密封, 安全可靠, 开辟了恶劣工作条件或苛刻操作条件下的密封新方法。同时因传动无直接接触而使噪声降低, 振动减小。如果载荷过大, 还会白动滑脱, 有过载保护作用。当采用高矫顽力的永磁材料时,虽过载滑脱也不会相互退磁, 一旦载荷正常, 内、外两半又协调运转。1.1.21.1.2 磁场及磁力的计算机模拟及其研究意义磁场及磁力的计算机模拟及其研究意义随着现代计算机技术的发展，通过计算机模拟可以实现很多以往无法通过实验手段直接实现的技术，或者可以使一些无形的实验现象更加直观的展示出来。磁力与磁场正是这样

24、，无法通过视觉上的直观观察进行分析，所以需要借助计算机软件进行建模和模拟。意义在于既方便了实验过程，节约试验成本，直接观察和直观的输出结果、反复试验和方便修改数据使也保证了实验的准确性。本课题是利用 ansys 有限元分析软件进行模型的建立和参数设定，以及磁力、磁场的模拟，和结果的计算、输出。ansys 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它也是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件提供了 1

25、00 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 ansys 提供多种分析类型：包括 结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等。其中电磁场问题的分析包括，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域，本课题主要应用其磁力、磁场分布、涡流的分析。1.2 磁力传动技术的国内外发展现状1.2.11.2.1 磁力传动技术的国外研究状况磁力传动技术的国外研究状况1940 年英国人 charl

26、es 和 geoffrey hwward 首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题，解决的方法是用磁力驱动泵。在以后 30 多年里永磁传动技术由于磁性材料的原因进步十分缓慢。1983 年高性能钕铁硼（ndfeb）永磁材料的问世，为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。近年来永磁传动技术已从泵类向其它密封机械扩展，技术上集中于提高设备的可靠性、抗介质腐蚀新材料的研究，流体技术及制造装配的精度。磁力泵代表着一个国家制造技术的水平，近年来工业发达国家的磁力泵在效率、寿命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的进展。永磁传动技术是将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件，内外磁

27、部件由隔离罩分开，从而工作轴无须伸出所要封闭的空间，取消了动密封，实现无密封、零泄漏。永磁传动技术主要应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的泵和压缩机、搅拌机与阀门等。目前我国流体机械大量使用的传统机械密封在国外的这些部门已逐渐被永磁传动所取代。永磁传动技术的应用领域已经愈发广泛，技术性能也正在逐步提高。 磁力传动是密封领域最有效最安全的解决办法。永磁传动即永磁联轴器对于需要密封的机械，对有害、有毒、污染、危险、纯净、贵重的产品和生产过程是最安全的解决方法，它的应用范围很宽。石油化工、医药、电影、电镀、核动力等行业中的液体大都具有腐蚀性、易燃、易爆、有毒、贵重，泄漏会带来工作液体的浪费与

28、环境污染；真空、半导体工业要防止外界气体的侵入：饮食、医药要保证介质的纯净卫生。永磁传动技术在这些领域找到了用武之地。英国 howard 机械发展有限公司(hmd)从 1946 年就致力于无密封泵的制造，至今在全世界 37 个国家已销售近 7 万台,每年销售额达 28 百万英镑。美国一家制药厂有上百个装有机械密封的离心泵，处理各种酸类，这些泵由于设计问题常常干运转，仅能使用 2-3 个月就自行破坏，换用了 ansimag 公司生产的 k1516 系列磁传动泵，自 1993 年投入运行（每天操作 4.8 小时每年 365 天）至 1998 年还在运行。美国中西部的容器板厂，合成苛性纳是回转叶片泵

29、密封的极大问题,这里的工程师称这些泵是“维护黑夜里的天”安装了 ansimag 公司的 etfe 衬里无密封磁力泵,运行 11 个月没有停机。美国一大型化工厂面临着输送甲醇的严重困难。因甲醇易燃，603接近沸腾，流量仅 7m3/h，压差高达 250m。问题的解决靠的是 dickow 磁传动多级端吸泵，它的流量是 15m3/h，压差 400m,确保了甲醇的零泄漏,保证操作人员与工厂的安全，并解决了甲醇中含有气泡输送问题。为满足市场需要，磁力传动的主要机构磁力泵正在向大型化发展，目前磁力泵的发展极限应由 hmd 公司的产品来描述：流量由 1m3/h 到681m3/h，压差由 10m 到 500m，

30、温度范围由-100到 450，系统压力从真空到 400bar，原动机功率达 350kw。微型泵是专门为某些部门研究开发出来的，例如激光器的冷却、分析仪器的供料、化学剂的补充、生物工程、冷却循环，以至于打印机的喷嘴等。齿轮泵与电机一体化封闭联接，适用 24v、36v 直流电源，速度人工自动控制。最低流量为 10ml/min，压差7bar。日本 iwaki 公司为电镀、冷却循环用的 md 系列微型磁力传动齿轮泵的流量范围是 7.5288l/min，传动功率 1/251/3 马力。 各种类型的泵均可改造为磁力传动泵，离心泵是磁力泵的主导产品，磁传动回转位移泵虽有 25 年的历史，仅近七八年在设计制造

31、水平以及大扭矩能力方面才有广泛的基础。重点是磁力传动齿轮泵与螺杆泵，最大传动能力达 400nm,转速 3500r/min 时功率为 150kw。地处美国边界犹地州气体动力厂，透平压缩机的润滑泵是常轨的外啮合齿轮泵。油泵因高压差平均每两个月便过度磨损而报废，造成压缩机关闭。1992 年改用磁传动三螺杆泵后，一直连续运转，不用任何维护。英国 tuthill 成功地应用了它的磁传动齿轮泵为 scottish 公司的过程水系统中泵入添加剂，该泵取代了螺杆泵，符合卫生安全条例。 加拿大 nova 磁有限公司生产的超压风机，在 170bar 氦气压力下，泄漏率小 1cm3/h，轴承寿命超过 10000h。

32、另一系列的加压风机，自由排放流量 750m3/h，在 400m3/h 流量时系统压差 35mpa，实现了零泄漏。此外，磁传动的特殊性能同样应用于无泄漏的搅拌器、阀门等设备。综上所述，国外磁力传动技术发展比较成熟，不仅体现在技术层面的先进，更体现在技术水平的革新、新材料的开发和使用，以及新工艺的探索和应用、新结构的设计和变革，也还体现在先进的制造技术和合理高效的管理等方面。21 世纪制造的产品应是符合生态环保，与人友好的绿色产品，磁力传动技术正是适应这一发展态势，我国应借鉴国外先进经验努力推动这一技术的发展。1.2.21.2.2 磁力传动技术国内研究状况磁力传动技术国内研究状况我国有关磁传动泵的

33、研究始于上世纪八十年代初。甘肃省科学院磁性器件研究所也是国内最早开展磁传动泵研制的单位之一,现已有单、多级磁传动离心泵的系列产品投入使用。1989 年,温州工科所等 5 家泵厂组建了南方磁力泵联营公司,生产 18. 5kw 以下的耐腐蚀磁传动泵系列产品。1992 年沈阳水泵厂设计制造 cih 系列磁传动泵,涉及 29 个规格,流量:2150m3/ h ,扬程:3. 5380m ,电机功率 100kw 以下,工作温度低于 250 。2001 年胜达因公司的母公司美国汉胜公司在上海莘庄工业区成立了汉胜工业设备(上海) 有限公司,立足于中国国内进行磁传动泵的研发生产,从而将世界领先的磁传动泵技术带入

34、中国。但总体来看国内的研制水平,不论从研发的力度还是制造工艺水准都与世界先进水平差距较大,18kw 以下的产品基本趋于成熟,高效大功率磁传动泵的研究已做了一些有益的尝试,并积累了一定的经验。由航天 510 所和兰州炼油厂等单位共同研制的 75kw 磁传动丙烷增压泵,自投入使用后,工作性能稳定可靠,可长期使用。由烟台水泵厂研制的 75kw 磁传动离心泵,1996 年 7 月通过了山东科委组织的专家鉴定,测试性能达到了设计要求,运行结果令人满意。甘肃省科学院磁性器件研究所研制的的磁传动泵的最大功率已达 185 kw,流量为 150m3/ h ,扬程为 380m ,为国内磁传动泵的进一步发展进行了积

35、极的探索,作出了应有的贡献。1.3 本文的研究内容本文的主要研究内容是基于 ansys 有限元分析软件的磁力传动模型的建立和磁场、磁力的计算机模拟，以及磁力计算和结果的分析。具体来说，本课题采用涡流式永磁磁力耦合模型，涡流永磁磁力耦合驱动是通过铜导体和钢盘上的永磁体实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动（电动机）和被驱动（负载）侧没有机械链接。其工作原理是一端为稀有金属氧化物硼铁钕永磁体，和另一端感应磁场相互作用产生转矩，从而实现动力的无接触传输。基于该原理，确定其他参数，当改变永磁体的尺寸时，由于铜盘上感应磁场会发生变化，导致所传递的转矩发生变化，由此结果便可进一步分析永磁体材料的

36、尺寸对磁力的影响规律。本文即研究永磁体的尺寸变化对径向及轴向磁力的影响。2 2 磁力传动装置和永磁材料的选择磁力传动装置和永磁材料的选择2.1 磁力传动技术2.1.12.1.1 磁力传动的原理磁力传动的原理磁力传动技术的基本原理如图 1 所示,工作机组(3 )完全封闭在机罩(4 )内, 通过磁性传动联轴器( l 及 2 ) 将原动机(5 )的运动(或动力) 传输到密闭的工作机组。其工作原理为，磁性传动联轴器分内、外两半一外永磁体法兰( 1 )和内永磁体法兰( 2 ) , 它们均由永磁材料按一定的要求制作, 两法兰不直接接触, 其间存在间隙, 而永磁体各自的磁场透过器壁而相互作用, 依同性相斥,

37、 异性相吸, 主动轴转动就带动从动轴旋转, 如前者停止运动, 后者立即受到制约而停止。这样, 轴无需穿通密封系统器壁而获得了运动(或动力) 的传递。这是磁力传动的最基本最简单的原理。图 1 磁力传动示意图1-外永磁体 2-内永磁体 3- 工作机组 4-全封闭机罩 5-原动机磁力传动对旋转运动或往复运动均适用, 如图 2 所示。图 2 往复或旋转运动的传动形式示意图其中旋转运动的磁力传动又分轴向磁力和径向磁力传动两种。图 3 a 表示轴向磁力传动, 主动轴(1) 上安装一个法兰盘, 其上镶嵌几块永磁体, 极性为轴向, n 与 s 极相间排列, 从动轴(2) 上亦然。图 3 b , 表示径向磁力传

38、动。（a） (b)图 3 旋转运动磁力传动1-主动轴 2-从动轴从永磁体的配置上又分为分散型和组合型磁路, 示于图 4。图 a 为分散型磁路, 其尺寸大, 耗功大, 传递功率较小。随着新型永磁材料的研制, 如稀土类永磁, 性能优良, 可密集排列磁体, 七十年代中期出现组合型磁路, 利用磁极间同性相斥(推力) 和异性相吸(拉力) 的作用, 使尺寸较小, 而传递功率较大。图 4 分散型与组合型磁路2.1.22.1.2 磁力传动装置的分类磁力传动装置的分类目前永磁磁力传动分为转子式永磁传动装置、涡流式永磁驱动装置、永磁离合器和永磁磁悬浮装置 4 种，详见下表。表 1 永磁磁力传动装置分类表序号分类结

39、构特点现有产品和研发状况1转子式由主动磁组件、被动磁组件和隔离套三部分组成，三组件是同心的圆环体磁力传动泵、磁力传动阀门、磁力增速器或减速器、磁力调速器，有的已投入市场应用，有的尚在研发2涡流式由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成，铜转子和永磁转子为圆盘式的有限矩型、延时型、调速型磁力耦合器多种产品，已投入市场使用3离合式由主动磁盘、被动磁盘及控制器三部分组成，主动件和被动件均为圆盘式永磁离合器、永磁制动器，有的产品已投入市场使用4磁悬浮式有圆周磁悬浮和直线导轨磁悬浮两种磁力轴承、无轴承电动机及磁悬浮导轨等，有的形成产品，有的正在研发其中涡流式永磁传动装置具有以下优点：(1) 总成本最低。(2

40、) 维护工作量小，几乎为免维护产品，维护费用极低。(3) 容忍较大的安装对中误差（5mm） 。大大简化了安装调试过程。过载保护功能。提高了整个电机驱动系统的可靠性，完全消除了系统因过载而导致的损害现象。(4) 带缓冲的软启动/软制动（刹车） 。(5) 节能效果显著。 节电率达到 25%-66%。(6) 使用寿命长，设计寿命 30 年,减震效果好。(7) 结构简单，适应各种恶劣环境。对环境友好，不产生污染物，不产生谐波。(8) 体积小，安装方便，可方便地对现有系统进行改造或用在新建系统。(9) 应用现场多，已成功应用 2000 套。2.1.32.1.3 本文所用磁力传动装置本文所用磁力传动装置鉴

41、于诸多优点，且联系本课题所研究的主要内容，即改变永磁材料的尺寸对磁力的影响，所以应该选择只有一个永磁转子的涡流式永磁传动装置。其传动装置仿真模型如图 5 所示： 图 5 涡流式永磁传动装置二维展开示意图如下图所示：图 6 涡流式永磁磁力传动装置二维模型示意图涡流式永磁磁力传动装置的基本结构如图 7 所示。由图中可见，涡流式永磁磁力耦合驱动器主要由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成。铜转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，铜转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙） 。装置中铜转子和磁转子可以自由独立旋转，当动力侧的铜转子旋转时，铜转子和磁转子产生相对运动，铜转子在磁场中切割磁力线从而产生涡

42、电流，涡电流产生感应磁场与永磁体相互作用，产生扭矩，从而带动负载旋转工作。这样电动机和负载由原来的硬（机械）链接转变为软（磁）链接，通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。由这个原理可以知道，通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速，永磁调速就是通过调节磁转子与铜转子之间气隙的大小，控制传递扭矩的大小，实现负载转速的调节，达到减速节能的效果。图 7 涡流式永磁传动装置结构示意图1-气隙 2-电动机轴 3-永磁转子 4-铜导体盘 5-负载轴其磁感应原理与异步电动机的原理基本相同，当电动机带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁

43、场中切割磁力线时，必然在导磁盘中产生涡电流，该涡电流在导磁盘上产生反感磁场，拉动导磁盘与磁盘作相对运动。如下图所示：图 8 磁路耦合原理图铜环通过切割永磁体的磁感线，在其表面产生涡流，形成感应磁场。这些涡流可以等效的看成是在铜环表面的一个个小磁极，如图 8 所示。根据同性相斥、异性相吸的原理，相邻感应磁场对永磁体的作用力在旋转方向上是叠加的，带动从动转子同步转动，有助于获得更高转矩。同时，轴向作用力可以相互减轻甚至抵消，对支撑轴承的寿命有利。2.2 永磁材料2.2.12.2.1 永磁材料相关介绍永磁材料相关介绍 永磁材料，就是产生磁场的功能材料。在场中自由运动电荷、导体与半导体内电荷会受到洛仑

44、兹力作用，使电子束聚焦，实现能量转换；导体在磁场中运动时，由于法拉第效应，会使导体感生电压；两个磁荷之间相互作用，便产生库仑力，引起磁耦合、磁分离、磁悬浮等现象。根据磁力的不同对象和作用原理，可将永磁材料用于不同的领域。永磁材料的应用十分普遍，小到儿童玩具、文件夹，大到人造卫星、宇宙飞船、磁悬浮列车；从每个家庭、办公室，到工农医等各个产业部门，随处都可以见到永磁材料的应用。例如，电动玩具、电动扬声器、立体声耳机，计算机磁盘驱动器和打印机，微波炉加热用磁控管等。不同的应用领域，自然需采用不同的磁路设计，需要使用不同性能、不同形状及尺寸的永磁体，以保证达到需要的气隙磁场。但是，无论是哪一类应用，都

45、与永磁材料的剩余磁通密度(b)和矫顽力(h)有直接的关系。所以，我们总希望材料的 b、h 值越高越好。当然，在具体的应用中，材料成本也是一个必须考虑的重要因素。从这点来看，开发性能价格比高的材料，始终是永磁材料研发人员努力的方向。2.2.22.2.2 稀土永磁材料稀土永磁材料稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成的合金用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。现分为第一代（reco5） 、第二代（re2tm17）和第三代稀土永磁材料（ndfeb） 。新的稀土过渡金属系和稀土铁氮系永磁合金材料正在开发研制中，有可能成为新一代稀土永磁合金。稀土永磁材料已在机械、电子、仪表和医疗等领

46、域获得了广泛应用。稀土永磁分钐钴（smco）永磁体和钕铁硼（ndfeb）系永磁体，其中 smco 磁体的磁能积在 15-30mgoe 之间，ndfeb 系永磁体的磁能积在27-50 mgoe 之间，被称为“永磁王” ，是目前磁性最高的永磁材料。钐钴永磁体，尽管其磁性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐和昂贵的稀缺战略金属钴，因此，它的发展受到了很大限制。我国稀土永磁行业的发展始于 60 年代末，当时的主导产品是钐-钴永磁，目前钐-钴永磁体世界销售量为 630 吨，我国为 90.5 吨（smco 磁粉） ，主要用于军工技术。随着计算机、通讯等产业的发展，稀土永磁特别是 ndfeb 永磁产业得到了飞

47、速发展。稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高 100 多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。目前稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器

48、、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法” ，使得疗法大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。本文选用钕铁硼（ndfeb）为永磁体材料。2.2.32.2.3 ndfebndfeb 永磁材料永磁材料钕铁硼中含有大量的稀土元素钕、铁及硼，其特性硬而脆。由于表面极易被氧化腐蚀，钕铁硼必须进行表面涂层处理。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代

49、工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。钕铁硼的优点是性价比高，具良好的机械特性；不足之处在于居里温度点低，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，才能达到实际应用的要求。钕铁硼永磁材料主要成分为稀土（re） 、铁（fe） 、硼（b） 。其中稀土nd 为了获得不同性能可用部分镝（dy） 、镨（pr）等其他稀土金属替代，铁也可被钴（co） 、铝（al）等其他金属部分替代，硼的含量较小，但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用，使得化合物具有高饱和磁化强度，高的单轴各向异性和高的居里温

50、度。第三代稀土永磁钕铁硼是当代磁体中性能最强的永磁体，它的主要原料有稀土金属钕 29%-32.5% 金属元素铁 63.95-68.65% 非金属元素硼 1.1-1.2% 少量添加镝 0.6-1.2% 铌 0.3-0.5% 铝 0.3-0.5% 铜 0.05-0.15%等。每类产品按最大磁能积大小划分若干个牌号。钕铁硼永磁材料的牌号由主称和 2 种磁特性三部分组成，第一部分为主称，由钕元素的化学符号nd，铁元素的化学符号 fe 和硼元素的化学符号 b 组成，第二部分为斜线前的数字，是材料最大磁能积（bh）max 的标称值（单位为 kj/m3） ，第三部分为斜线后的数字，磁极化强度矫顽力值（单位为

51、 ka/m）的十分之一，数值采用四舍五入取整。牌号示例：ndfeb380/80 表示（bh）max 为366398kj/m3,hcj 为 800ka/mr 的烧结钕铁硼永磁材料。表 2 铷铁棚磁铁牌号及属性剩余磁感应强度磁感矫顽力内禀矫顽力最大磁能积brhcbhcj(bh)max回复磁导率材料牌号kgstkoeka/mkoemgoekg/m3rn4213-13.41.3-1.3411.0-12.0867-955.21241-43326-3421.05n4012.8-13.21.28-1.3211.0-1341310-3261.05n3812.4-12.71.24-

52、1.2712.0-1439295-3101.05n3511.9-12.21.19-1.2212.0-1436271-2871.05n38h12.4-12.71.24-1.2717.013531737-39295-3101.05n35h11.9-12.21.19-1.2217.013531734-36271-2871.05n33h11.5-11.71.15-1.1717.013531729-31254-2701.05n3h10.8-11.21.08-1.1217.013531731-33231-2471.05n33sh11.3-11.7

53、1.13-1.172116721731-33247-2631.05n30uh10.8-11.21.08-1.1225.019901729-31231-2471.05n26uh10.5-10.91.05-1.0925.019901726-28207-223n38sh12.9-13.31.29-1.3321.016722140-36318-2872.3 磁力计算的基本原理2.3.12.3.1 传统电磁理论磁力计算原理传统电磁理论磁力计算原理对本文模型下的磁场进行动力学分析。根据理论力学，机构在某一个方向上的力等于在该方向上的能量梯度，即iiwfq其中，w 表示的是机构的能量 qi 表示的是在 i

54、方向上的坐标 fi 表示的是在 i 方向上的力这个公式是计算磁力的基本公式，磁力包括吸引力和排斥力吸引力。当一块永磁铁和另一块磁铁之间相互作用，两者之间的间隙是 lg，永磁铁的面积是 ag，气隙的磁通密度为 bg，并且假设在两者之间的气隙很小的时候，气隙的磁通密度是均匀的。在气隙中能量可以表达为：202gggb a lw或者表达为28gggb a lw根据上式对其在 i 方向进行求偏导，有202ggb af其中，f 表示的是吸引力 bg 表示的是气隙磁通密度 ag 表示的是永磁体的面积 0表示的是在真空条件下绝对磁导率，7410/h m同理也可以得到吸引力公式：28ggb af其中，f 表示的

55、是吸引力 bg 表示的是气隙磁通密度 ag 表示的是永磁体的面积为方便计算，可以把以上公式改写成：()4965ggbfa其中，f 表示的是吸引力的大小 bg 表示的是气隙磁通密度ag 表示的是永磁体的面积根据库仑定律可以得知，吸引力和排斥力在数值上是相等的。01214mq qmfr根据上式可以看出，当 qm1 和 qm2 为同号的时候，f 的取值为正；当qm1 和 qm2 的取值为异号时候，f 取值为负值。当 f 去正值时为排斥力，当 f 取值为负值时为吸引力。2.3.22.3.2 转矩的计算转矩的计算本文研究的永磁传动机构的磁场属于同轴圆筒型耦合磁场，可以表述为:当钢盘上永磁体的磁极与铜盘上

56、的感应涡流所代表的磁极出现一定偏移角度，永磁体磁极 n 极对感应涡流磁极 s 极有着一定的拉动作用，使得感应涡流磁极有一个跟着永磁体磁极一起旋转的趋势；此时永磁体磁极 n极对感应涡流磁极的 n 极同样具有一定的推力，使两者具有远离的趋势。当永磁体磁极 n 极正好处于感应涡流磁极的两极之间，此时产生的推力达到最大，进而能够带动磁极转子的旋转。假设每个磁体的端面都是由 m 个磁铁块组装，磁极的安装是按照正反交替排列的。当磁极两端由于自动吸引使得 n、s 极相对，此时机构静止。随着错位角度的增加，传递的转矩也就逐渐增大。传递的圆周力 f 主要是由两方面组成，一方面是主动磁极对磁极的吸引力 f1，另一

57、方面是主动磁极对磁极的排斥力 f2。所以传动的转矩就可以表示成：1nitfr其中，r 表示的是磁环的平均直径。上述为磁力计算的基本原理，表述了磁力中吸引力和排斥力的计算以及转矩的计算。如今，以永磁材料为核心的永磁装置或用来产生磁场，或用来提供力学服务，所以磁场力的计算是永磁装置设计和使用中的一项重要内容。尤其是在磁选、吸合工具等行业常常要进行以永磁材料为磁场源的磁场力的计算。由于实用化的永磁材料尤其是第三代永磁材料钕铁硼出现相对较晚，基于传统电磁理论的磁场力计算主要针对的是电磁力，即电磁铁磁场力的计算。同时用传统电磁理论进行磁场力计算时，如要保证精度则计算相当复杂或根本无法计算，公式法计算磁场

58、力简单方便，但相关参数难以准确估计，误差较大，因而大大限制了它的实用价值。磁场力的精确计算需应用数值分析方法，如有限元法、有限差分法等，其中发展较成熟的是有限元法。 3 3 影响磁力的材料几何尺寸计算机模拟研究影响磁力的材料几何尺寸计算机模拟研究3.1 ansys 有限元分析软件有限元法是基于建立起来的数字模型，用现代数学方法求解有关微分方程定解问题，并对求解结果进行处理和解释的一种数学方法。可供磁场有限元分析的计算机软件很多，本课题采用美国 swansonanalysis system的 ansys。ansys 有限元软件处理计算机模拟研究问题的一般步骤为：1） 建立几何单元模型。本文则包括

59、所涉及的三种材料：永磁体、空气、铜盘的 3 种单元模型；2） 将材料参数进行定义，即给上述三种单元模型赋值；3） 根据不同的模型要求选定所需的单元类型，建立起模型；4） 给各个几何模型模块赋予材料属性和单元属性；5） 对几何模型进行网格划分；6） 根据物理问题的不同给问题施加载荷，并指定边界条件(定解条件)；7） 选用合适的求解器和求解参数对问题进行求解；8） 运用后处理程序按需要查看不同的求解结果。其中，在 ansys 中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为 6 大类：自由度约束、力（集中载荷） 、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。

60、具体如下：1） 自由度约束（dof constraints）:将给定的自由度用已知量表示。例如在结构分析中约束是指位移和对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。2） 力（集中载荷） （force）：是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。3） 面载荷（surface load）:是指施加于某个面上的分布载荷。例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。4） 体载荷（body load）:是指体积或场载荷。例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。5） 惯性载荷（inert