韓笑　蔣欣卓

【摘 要】磁力耦合器在現(xiàn)代工業(yè)中的出現(xiàn)，對(duì)能源節(jié)約的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間安裝磁力耦合器，不僅可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、隔振以及惡劣條件下的無(wú)機(jī)械連接傳動(dòng)，而且可以獲得優(yōu)越的調(diào)速性能。本文將對(duì)10kw標(biāo)準(zhǔn)型磁力耦合器的建模過(guò)程進(jìn)行分析。首先，掌握磁力耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)磁力耦合器的運(yùn)行原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，分析磁力耦合器實(shí)體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)圖紙，研究各部件的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)運(yùn)行效果的影響，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，利用Ansoft Maxwell軟件依據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)的參數(shù)，在三維環(huán)境下建立磁力耦合器的模型。整個(gè)過(guò)程為磁力耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】磁力耦合器 Ansoft Maxwell 建模設(shè)計(jì)

1 課題研究的背景

傳統(tǒng)機(jī)械式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以保持傳動(dòng)比恒定，能保證大功率運(yùn)行及其他運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，但是，卻存在系統(tǒng)性能受到過(guò)多因素影響的缺陷，比如，在傳動(dòng)過(guò)程中，由于主動(dòng)件與從動(dòng)件之間的直接接觸，會(huì)產(chǎn)生磨損、噪聲和振動(dòng)等不良效果；由于對(duì)潤(rùn)滑和裝配精度要求較高，使得實(shí)施密封的措施過(guò)于復(fù)雜等[1-4]。磁力耦合器作為傳動(dòng)設(shè)備在工程上的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)優(yōu)良調(diào)速性能、提高傳動(dòng)效率的基礎(chǔ)上，可以在很大程度上節(jié)約能源，并實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)件與從動(dòng)件完全分離，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，形成了無(wú)直接接觸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，能夠在高粉塵、高諧波、振動(dòng)、易燃易爆等惡劣環(huán)境中正常運(yùn)行，并極大的減小了磨損、振動(dòng)、噪聲等各種故障的發(fā)生頻率，有效的節(jié)約了維修經(jīng)費(fèi)[5]。

2 磁力耦合器的結(jié)構(gòu)與原理

磁力耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，呈左右對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，主要由輸入端安裝盤(pán)、導(dǎo)磁體、嵌入永磁體的磁體安裝盤(pán)、磁體蓋板以及輸出端安裝盤(pán)等部件構(gòu)成，其中兩個(gè)端蓋與兩個(gè)導(dǎo)磁體通過(guò)機(jī)械聯(lián)接固定，并與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸連接構(gòu)成主動(dòng)轉(zhuǎn)子；嵌入永磁體的磁體安裝盤(pán)與負(fù)載軸連接構(gòu)成從動(dòng)轉(zhuǎn)子。主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間存在可調(diào)節(jié)大小的空氣間隙。磁力耦合器在運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載之間的聯(lián)接沒(méi)有直接接觸。

磁力耦合器主要由主動(dòng)部分與從動(dòng)部分組成，驅(qū)動(dòng)側(cè)的導(dǎo)磁體和負(fù)載側(cè)的磁體安裝盤(pán)之間存在空氣間隙，并可自由、獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)側(cè)導(dǎo)磁體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與磁體安裝盤(pán)上的永磁體在滑差存在的情況下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)磁體通過(guò)切割磁感線(xiàn)，可以在表面產(chǎn)生渦流，而渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)在永磁場(chǎng)作用下，會(huì)帶動(dòng)負(fù)載側(cè)磁體安裝盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在負(fù)載輸出軸上產(chǎn)生扭矩，最終實(shí)現(xiàn)磁力耦合傳動(dòng)。

3 磁力耦合器建模流程分析

本文使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell 16.0對(duì)磁耦合器進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與建立，研究中只是單純對(duì)磁力耦合器的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行分析，因此本設(shè)計(jì)中對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、基座以及控制箱等其他輔助設(shè)備都進(jìn)行了忽略處理：

（1）考察實(shí)際設(shè)備結(jié)構(gòu)，搜尋設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)數(shù)據(jù)；（2）應(yīng)用軟件Ansoft Maxwell 16.0在三維立體空間內(nèi)對(duì)磁力耦合器的各個(gè)部件進(jìn)行模型的建立；（3）對(duì)磁力耦合器各個(gè)部件進(jìn)行細(xì)節(jié)處理。

由于實(shí)體磁力耦合器完全進(jìn)行拆解存在一定的困難，因此只能通過(guò)對(duì)外輪廓進(jìn)行測(cè)量，并參考已有型號(hào)的設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)自行進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)

4 磁力耦合器各組成部分的建模

啟動(dòng)Maxwell程序，執(zhí)行菜單命令Project/Insert Maxwell 3Ddesign，或者單擊工程欄上方對(duì)應(yīng)的按鈕，建立Maxwell 3D分析類(lèi)型，對(duì)新建的工程重新命名，調(diào)整三維繪圖區(qū)坐標(biāo)系的位置和放大比例，執(zhí)行菜單命令Modeler/Units，進(jìn)行單位設(shè)置，選取“mm”。

4.1 輸入端安裝盤(pán)的建模

（1）參考已有型號(hào)設(shè)備，查找部件的尺寸數(shù)據(jù)并記錄；（2）選取三維空間坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），設(shè)置輸入端安裝盤(pán)外徑尺寸為116mm，在xoy平面內(nèi)繪制輸入端安裝盤(pán)底面外圓邊界，重新命名為“duangai1”；（3）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為7mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）選取三維空間坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），輸入內(nèi)圓半徑29.5mm，在xoy平面內(nèi)繪制圓柱底面外圓邊界；（5）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為7mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能將前后兩個(gè)圓柱體作函數(shù)運(yùn)算；（7）材料屬性的設(shè)置，在軟件材料庫(kù)中可以直接為已建立的模型賦予屬性，如果不能在材料庫(kù)找到滿(mǎn)意的材料，還可以根據(jù)個(gè)人需求進(jìn)行自定義材料的建立。使用【material name】功能，將輸入端安裝盤(pán)材料屬性賦為“stell_1010”，在【Properties】功能中選取灰色進(jìn)行填涂，完成輸入端安裝盤(pán)立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.2 導(dǎo)磁體的建模

（1）參考已有型號(hào)設(shè)備，查找部件的尺寸數(shù)據(jù)并記錄；（2）選取端蓋頂端平面（0，0，7）作為基準(zhǔn)面，以99mm為半徑為繪制導(dǎo)磁體外圓邊界，重新命名為“tognhuan1”；（3）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為5mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）選取輸入端安裝盤(pán)頂端平面（0，07）作為基準(zhǔn)面，輸入圓柱體半徑50mm，在與xoy面平行的平面內(nèi)繪制圓柱體底面外圓邊界；（5）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為5mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能將前后兩個(gè)圓柱體作函數(shù)運(yùn)算；（7）使用【material name】功能，將導(dǎo)磁體材料屬性賦為“copper”，在【Properties】功能中選取黃色進(jìn)行填涂，完成導(dǎo)磁體立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.3 磁體安裝盤(pán)的建模

（1）參考已有型號(hào)設(shè)備，查找部件的尺寸數(shù)據(jù)并記錄；（2）留取高度為3mm空氣間隙如圖2.5所示；（3）以z軸高度為15mm在與xoy面平行的平面內(nèi)繪制半徑為90mm的磁體安裝盤(pán)底面外圓邊界，重新命名為“l(fā)vpan”；（4）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（5）選取磁體安裝盤(pán)底面所在平面（0，0，15）作為基準(zhǔn)面，輸入內(nèi)徑30mm，在與xoy面平行的平面內(nèi)繪制圓柱體底面外圓邊界；（6）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（7）使用【Subtract】功能將前后兩個(gè)圓柱體作函數(shù)運(yùn)算，得到一個(gè)環(huán)形柱體；（8）分別在磁體安裝盤(pán)底面坐標(biāo)為（0，70，15）處，繪制以y軸為對(duì)稱(chēng)軸的圓形，其半徑為10mm；（9）使用【Cover Lines】功能將圓形填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（10）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁體安裝盤(pán)內(nèi)部將上一步中得到的圓柱體均勻陣列，選取z軸為中心軸，設(shè)定角度【Angle】為20，【Total number】為18。（11）使用【Subtract】功能將柱狀體與18個(gè)圓柱體作函數(shù)運(yùn)算，在磁體安裝盤(pán)中留取永磁體空間；（12）使用【material name】功能賦予材料屬性為“aluminum”，在【Properties】功能中選取紅色進(jìn)行填涂，完成磁體安裝盤(pán)立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.4 永磁體的建模

（1）參考已有型號(hào)設(shè)備，設(shè)計(jì)永磁體尺寸；（2）在磁體安裝盤(pán)底面坐標(biāo)為（0，70，20）處，繪制圓形，半徑為10mm（3）在與磁體安裝盤(pán)底面平行的平面（0，0，20）處，使用【Cover Lines】功能將圓形填充后，設(shè)定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸。（4）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁體安裝盤(pán)內(nèi)部將上一步中得到的圓柱體通過(guò)陣列可以得到均勻分布的數(shù)個(gè)磁極，精確建模的同時(shí)節(jié)省了大量時(shí)間。選取中心軸“Axis”為z軸，設(shè)定角度“Angle”為20，總數(shù)“Total number”為18，由此嵌入在磁體安裝盤(pán)內(nèi)部的永磁體結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成。（5）設(shè)定永磁體材料以及極化方向。為了讓每?jī)蓚€(gè)相鄰的永磁體產(chǎn)生磁回路，對(duì)于不相鄰的永磁體，需要設(shè)置同一種充磁方向相同的磁體材料，其余的永磁體要設(shè)置另一種充磁方向相反的磁體材料，根據(jù)個(gè)人的模型需要，磁體可以按照不同的幾種方向進(jìn)行充磁，包括沿著X軸的正向和反向進(jìn)行充磁，沿著Y軸的正向和反向進(jìn)行充磁，沿著Z軸的正向和反向進(jìn)行充磁。在本模型中磁體的充磁方向是沿著Z軸的正向和反向充磁。選取編號(hào)為奇數(shù)的9個(gè)磁極，使用【material name】功能設(shè)定材料為第三代銣鐵硼材料“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分別做出設(shè)定“X Component”的值為0，“Y Component”的值為0，“Z Component”的值為1，由此設(shè)置部分永磁體正向充磁；選取編號(hào)為偶數(shù)的9個(gè)永磁體，使用【material name】功能設(shè)定材料為“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分別做出設(shè)定“X Component”的值為0，“Y Component”的值為0，“Z Component”的值為-1，設(shè)置其余永磁體反向充磁，將全部永磁體按照兩種相反的方向進(jìn)行充磁，在【Properties】功能中選取灰色進(jìn)行填涂，完成永磁體立體結(jié)構(gòu)的建立。

4.5 建模完成

磁體蓋板的建模與輸出端安裝盤(pán)的建模與之前過(guò)程一致，至此，磁力耦合器虛擬模型的設(shè)計(jì)與構(gòu)建已經(jīng)基本完成，如圖2.9，其中主要部件的具體參數(shù)如下：

輸入端安裝盤(pán)與輸出端安裝盤(pán)，外徑為116mm，內(nèi)徑為29.5mm，高度為7mm，材料為“stell_1010”；導(dǎo)磁體與磁體蓋板，外徑為99mm，內(nèi)徑為50mm，高度為5mm，材料為“copper”；空氣間隙高度為3mm；永磁體安裝盤(pán)外徑為90mm，內(nèi)徑為30mm，高度為26mm，材料為“aluminum”；永磁體半徑為10mm，高度為26mm，材料為“NdFe35”。

5結(jié)語(yǔ)

磁力耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，在生產(chǎn)研發(fā)中受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文主要做了以下工作：

（1）對(duì)磁力耦合器相關(guān)知識(shí)進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，查閱文獻(xiàn)，掌握其主要結(jié)構(gòu)，對(duì)特定型號(hào)器件的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行研究；（2）學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件，在虛擬三維空間建立模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)；

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭科容.永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)與特性研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[2] 趙韓，王勇，田杰，磁力機(jī)械研究綜述.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（12）：97～104.

[3] 王玉良.國(guó)外永磁傳動(dòng)技術(shù)的新發(fā)展.磁性材料及器件，2001，（8）：45～46.

[4] 王玉良，鄧子龍，趙章榮.國(guó)外磁傳動(dòng)無(wú)密封泵技術(shù)發(fā)展概況.石油機(jī)械，2003，31（4）：52～54.

[5] 張萌，趙海森，劉曉芳，姚鵬，周慶根.徑向磁通式永磁磁力耦合器能效特性試驗(yàn).電機(jī)與控制應(yīng)用，2014，41（3）.

[6] Doug Twyfor.英國(guó)HMD公司無(wú)泄漏磁力驅(qū)動(dòng)泵的開(kāi)發(fā)與研制.化工裝備技術(shù)，1997，18（3）：50-51.

[7] A.Bergqvist， G.Engdahl.Magnetic Drive Pumps for the Chemical Industy.World Pumps.2005，43（07）：162-167.

[8]A.C.Smith， E.Peralta-Sanchez. Containment can Losses in Permanent-Magnet Pump Drives.Journal of Applied Physucs，2006，47（10）：75-81.

[9] J.F.Charpentier，G.Lemarquand.Study of Permanent-Magnet Coupling with Progressive Magnetization Using an Analyical Formulation.IEEE Transactions on Magnetics， 1999（5）：4206-4217.

[10] 趙克中.磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)與設(shè)備.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：韓笑（1993.10—），男，山東濟(jì)南人，工作單位：大連海事大學(xué)，職務(wù)：本科生，研究方向：機(jī)械。