盤式非接觸式磁力驅動機構傳動機理的仿真研究

龔儉龍，江美霞

（1.廣東交通職業技術學院 機電工程學院，廣東 廣州 510800；2.廣州城市職業學院 信息工程學院，廣東 廣州 510000）

1 前言

隨著工業技術的日益發展，非接觸式磁力驅動技術作為一種新型的傳動技術，可以實現力或力矩的無接觸傳遞，避免了剛性接觸與摩擦所帶來的損耗，將動密封變成為靜密封，保證工作介質之間不相互滲透，實現真正意義上的零泄漏。因此該技術被廣泛應用于航天、軍工、石化、醫療、輕工、食品等行業，如：對環保與密封具有高要求、嚴標準的化工行業，輸送或混合腐蝕性高、有毒、易燃和貴重液體。非接觸式磁力驅動技術應用不僅提高了原料運輸的利用效率，而且還可以有效控制了有毒、有害、易燃易爆等化學介質的泄漏對環境的污染，從而提高了生產過程的安全性，具有較高的實用經濟價值。近年來，國內外學者對非接觸式磁力驅動技術開展了一系列研究，也取得一些成果。王凱開展了磁力聯軸器在磁感應強度分布、磁轉矩與磁渦損計算、傳動性能影響因素分析以及磁熱流固多場耦合分析方面研究。于嬌等人根據盤式磁力耦合器的機械結構和工作原理，利用Ansoft Maxwell 軟件對盤式磁力耦合器進行三維建模和仿真分析，得出的磁感應強度云圖和渦流密度矢量驗證了仿真設置的正確性，繪出了輸出轉矩與永磁體軸向長度、氣隙和導體盤厚度所能傳遞力矩的影響曲線。王昭等應用COMSOL 軟件對盤式永磁耦合器進行有限元三維瞬態建模，分析其渦流特性和電磁傳動特性，并且分析了磁鐵材質、磁鐵級數、氣隙間距對扭矩和軸方向受力的影響，得出相關的規律特性。此外，目前國內外研究主要集中在非接觸式磁力傳動機構的結構參數設計和磁力特性分析方面。

本文提出一種由永磁驅動輪、永磁從動輪、永磁體、導體盤等組成的盤式非接觸式磁力傳動機構，首先利用三維建模軟件Solidworks 對其進行幾何建模，再應用電磁仿真軟件ANSYS Maxwell 對盤式非接觸式磁力傳動機構進行電磁特性仿真，分析其渦流損耗特性和電磁傳動特性，從而為盤式非接觸式磁力驅動機構的準確設計和后續優化提供重要的參考。

2 磁力驅動裝置結構

本文提出一種新型盤式非接觸式磁力傳動機構，首先利用三維建模軟件Solidworks 對其進行幾何建模，該傳動機構的結構模型如圖1 所示。新型盤式非接觸式磁力傳動機構主要由驅動輪、從動輪、導體盤、輸出軸、氣隙、永磁體等組成。其中驅動輪和從動輪結構大致相同，驅動輪和從動輪之間是單獨隔離開的且存在一定的間距，永磁體分別均勻地鑲嵌在驅動輪和從動輪的圓周方向上，驅動輪和從動輪上的永磁體采用徑向充磁，N 磁極和S 磁極相互交錯地布置，磁通從N 磁極開始出發，從徑向方向通過驅、從動輪之間氣隙和導體盤部分，后沿軸向經過導體，再沿著徑向經驅動輪與從動輪之間氣隙回到相鄰S 磁極，從而在磁體上閉合形成回路。驅動輪與驅動軸直接連接，當電機帶動驅動輪旋轉時，在交互磁力矩影響下，會產生連續的旋轉驅動力，就可以帶動從動輪進行旋轉工作。

圖1 盤式非接觸式磁力傳動機構模型

3 理論基礎

3.1 麥克斯韋方程組

Maxwell 方程組描述了電磁場的基本特征，是研究電磁場相關問題的基本理論基礎，并能反映電磁場中各個物理量之間的關系。該方程是研究盤式非接觸式磁力驅動傳動機構中電磁場分析計算的理論基礎，其微分形式表示為：

Maxwell 方程組可應用于解決各類的電磁問題。由于位函數比較容易建立邊界條件，所以在電磁場數值分析中可以通過引入輔助函數，即位函數，從而減少未知數個數，使得求解問題得到簡化。位函數包含矢量磁位、標量磁位，分別表示為：

式中，μ 為磁導率；σ 為電導率。

3.2 非接觸式磁力驅動基本原理

非接觸式磁力驅動是基于電磁學的基本理論，通過永磁材料或電磁所產生的磁力相互作用，來實現力矩或力的非接觸式傳遞技術。本文提出的盤式非接觸式磁力傳動機構與傳統的機械傳動機構有所不同，在盤式非接觸磁力傳動機構中驅動部件與從動部件傳遞的力矩或力是通過磁場中相互耦合作用力來實現，它是通過磁場透過磁場工作間隙或者隔離套來傳遞力或力矩，其驅動部件和從動部件之間可以實現無任何介質接觸，實現液體介質的零泄漏。

3.3 非接觸式磁力驅動和接觸式機械驅動的區別

非接觸式磁力驅動和接觸式機械驅動的最大不同點，是它們在向傳動部件傳遞力矩和力時，是否是直接接觸傳遞的。非接觸式磁力驅動是利用磁場透過磁路工作間隙或隔離套來傳遞力矩和力。比如在化工行業中應用的磁力驅動泵和磁力驅動攪拌反應釜，它們就是采用磁力驅動密封裝置后取消了傳統的機械傳動泵、釜，非接觸式磁力驅動裝置把動密封轉變為靜密封。因此從根本上消除了傳動軸密封處所產生的泄漏，解決了工業用泵、釜等設備一直存在的跑、冒、滴、漏和機械密封發熱、磨損等一系列問題，為安全可靠輸送或攪拌反應有毒、易燃、易爆、腐蝕以及各種貴重介質創造了條件。

3.4 有限元仿真理論分析

當盤式非接觸磁力傳動機構在工作時，其整個空間是存在著電磁場。有限元法的求解過程是從偏微分方程出發，遵循變分原理，把電磁場邊值問題的求解轉化為泛函數極值問題的求解，再通過離散化處理，將變分問題轉化為多元函數的極值問題進行求解。因此，在工程應用領域中，有限元法被較為廣泛地應用于電磁場領域的數值模擬。

基于有限元原理的ANSYS、ANSOFT 等軟件的開發給電磁場相關研究領域帶來機遇，在ANSYS 仿真軟件中，其中電磁場分析模塊中有限元公式可由磁場Maxwell 方程組導出，其工作原理是將所研究對象劃分為有限個單元，再根據矢量磁勢或者標量電勢求解一定邊界條件和初始條件下各個節點處的磁勢，從而進一步求解磁通量密度、電磁場儲能等相關量。ANSYS Maxwell 仿真分析具體的操作步驟，如圖2 所示。因此，本文在盤式非接觸式磁力傳動機構工作過程中，利用ANSYS Maxwell 有限元仿真軟件對盤式非接觸式磁力傳動機構進行裝置進行磁特性和力特性仿真分析，以獲取永磁驅動輪和永磁從動輪的工作狀態，以及永磁驅動輪和永磁從動輪之間傳遞的扭矩關系。

圖2 仿真分析具體的操作步驟

4 磁特性分析

4.1 有限元分析模型

對盤式非接觸式磁力傳動機構模型進行簡化處理，有限元模型由驅動輪、從動輪和永磁體組成，如圖3 所示，采用釹鐵硼作為永磁體的材料，此材料矯頑力需單獨設置為-880000A/m、剩磁設置為Br=1.18T，由于是永磁體是徑向充磁，所以材料坐標系設置為cylindrical，材料屬性設置為R Component，從而材料坐標系的徑向分量設置為1，表明永磁體磁化方向為徑向正方向，反之徑向分量設置為-1 時，則表明永磁體磁化方向為徑向負方向。設置被動激勵源，band 域和求解域Region 設置為vacuum（真空）。

圖3 盤式磁力傳動機構的有限元模型

4.2 基本假設

（1）非接觸式磁力驅動機構的磁場分布計算是一個非線性問題。力矩和力傳遞的物理過程主要發生在氣隙間隙中，由于氣隙間隙與磁力驅動機構軸向尺寸相比足夠小。忽略端部效應的影響，近似認為同一位置的氣隙磁場沿軸向沒有變化，因此可以用氣隙平均厚度處的磁場來等效氣隙磁場。

（2）導體盤的厚度與其他兩個方向上的尺寸相比很小，所以在導體盤內部產生的渦流主要是由氣隙磁場的軸向分量引起的，考慮氣隙磁場的軸向分量，并計算其在導體盤內部所產生的徑向電場和徑向渦流。

（3）忽略渦流在導磁盤軸向的趨膚效應影響。

（4）永磁體沿軸向均勻磁化。

（5）只計算原交變磁場在導體盤內所產生的渦流，忽略渦流產生的附加交變磁場在導體盤內產生的渦流。

4.3 磁場特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元軟件，對盤式非接觸式磁力驅動裝置的模型進行磁特性分析，在盤式非接觸式磁力驅動裝置中，永磁體提供了穩定的靜態磁場，當驅動輪和從動輪保持相對靜止時，永磁體產生的靜態磁場不會被切割，驅動輪和從動輪之間不會產生扭矩。當電機帶動驅動輪旋轉工作時，驅動輪和從動輪之間的靜態磁場會產生切割，從而會在驅動輪和從動輪的永磁體內產生環向渦流，并且由于相連永磁體的磁極方向是相反的，因此在驅動輪和從動輪的永磁體內會產生旋轉方向相反的相鄰渦流，如圖4 所示。驅動輪中永磁體的剩余磁通在旋轉運動時使從動輪永磁體產生渦流，從動輪內形成的渦流會產生新磁場，其方向大致垂直于從動輪，相鄰渦流產生磁場的方向是相反的。從動輪上永磁體感應產生的磁場分布與驅動輪中永磁體形成的磁場分布類似，如圖5 所示。

圖4 渦流密度分布圖

圖5 磁通密度分布圖

4.4 磁力特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元軟件對盤式非接觸式磁力驅動機構進行磁力特性仿真分析，得到其磁場分布，可觀察到驅動輪和從動輪在非接觸磁場力作用下所受到的磁扭矩。在該盤式非接觸式驅動機構中，永磁驅動輪與永磁從動輪所受的作用力是相互的。在電磁仿真分析過程中，以永磁驅動輪作為參照物，永磁從動輪旋轉一周可看作為8個周期，其沿著旋轉軸旋轉工作時，在一個周期內從動輪的磁扭矩輸出是由最小值增大到最大值然后減少到最小值，且從動輪的最大輸出磁扭矩為0.95N·m，圖6 為永磁從動輪扭矩輸出特性曲線。

圖6 從動輪扭矩輸出曲線圖

5 結語

本文提出了一種由永磁驅動輪、永磁從動輪組成的盤式非接觸式磁力驅動旋轉機構，首先利用三維建模軟件Solidworks 建立其幾何模型，再將模型導入有限元仿真軟件ANSYS Maxwell 中進行電磁仿真，分析了永磁驅動輪和永磁從動輪之間的磁場特性和磁力特性。實驗結果表明盤式非接觸式磁力驅動旋轉機構在工作時，驅動輪中永磁體的剩余磁通通過空間耦合使從動輪中永磁體產生渦流，從動輪中永磁體產生的磁場與驅動輪中永磁體形成的磁場方向相反，驅動輪中永磁體在相對運動時使從動輪中永磁體產生磁扭矩，從而永磁驅動輪和永磁從動輪之間可以產生連續的驅動扭矩，且驅動扭矩趨于穩定。驅動從動輪工作的扭矩存在一定的波動，且從動輪的最大輸出磁扭矩為0.95N·m。該研究方法可為今后從永磁體布置形式、永磁體形狀、永磁體級數和氣隙間距等方面對盤式非接觸式磁力驅動旋轉機構的設計和優化提供重要的理論依據和數據支撐，具有重要的現實指導意義。