大间隙磁力驱动系统主动磁极空间磁场分布规律研究*

任丰兰，李谭喜

（1.常德职业技术学院，湖南常德 415000；2.中南大学，长沙 410003）

0 引言

磁力传动是以现代磁学的基本理论磁性物质同性相斥、异性相吸的原理来实现传动，已成为机械传动研究领域的热点[1]，因其主、从动件不接触，可较大间隙隔物传递的优势被广泛地研究与应用。M I Kilani和C J Chen[2]提出通过利用永磁体产生的磁场作为外磁场来驱动微机械沿直线运动；徐先懂[3]设计了一种基于外磁场驱动的轴流式血泵，有效地避免采用导线（或植入电池）供电的血泵因经皮导线所引起的感染并发症。杨新清等[4]将磁力驱动技术引入管内壁清淤装置，提出了一种管内壁自动清淤器，对其内部磁转子的特性进行了研究；赵韩等[5]提出了稀土永磁齿轮齿条传动和交错轴永磁齿轮传动，齿轮齿条传动中，齿轮为径向多极充磁的圆环永磁体，齿条为N极与S极相间的带状磁体，实现交错轴传动的齿轮采用双曲线体多极径向充磁。谭建平等[6]设计了一种非接触式大间隙磁力驱动装置，如图1 所示，由主动磁极（永磁体）、从动磁极（电磁铁）和线圈3部分组成，通过单片机程序控制产生可变频脉冲信号，把电磁体做主动磁极，经功率放大电路等作用产生交变磁场，驱动永磁转子旋转，从而实现主动磁极静止式大间隙磁力驱动。这种磁力传动装置的驱动能力主要取决于主动磁极空间磁场的大小和分布状态及主动磁极与永磁转子在空间的相对位置。为获得大间隙驱动系统的主动磁场的分布规律，提高大间隙磁力驱动技术，本文以“T”型电磁体为例，运用ANSYS 分析软件，对主动磁极NS、SS、SN、NN 四种状态的磁感应强度大小及其分布规律进行了计算，得出了耦合距离、通电电流大小、线圈匝数等因素对磁感应强度的影响规律，并通过大量的实验对这些规律的正确性进行了验证，精确地计算出该类型电磁体作为主动磁极时与永磁转子在空间的最佳安装位置，为轴流式血泵等从动件获得最大的驱动力提供了可靠的依据。

图1 主动磁极驱动从动磁极示意图

1 大间隙磁力驱动系统

大间隙磁力驱动系统中的电磁体是以“C”或“T”型硅钢片为铁心，在铁心上绕制了4组线圈，其位置关系及各自电流导向示意图有2种，如图2所示。通过控制2组线圈的通电时刻，让其在相同的时刻中只能有2组线圈通电，其通电状态时序如图3 所示，从而使线圈每个绕组中的电流方向无需改变，这样通过控制每个线圈的电流的接通或断开就可以获得可得到4 种状态交替变换的交变磁场，有效降低了线圈的发热，简化了控制程序，提高了系统的可靠性。

图2 电磁体绕线方式

图3 电磁体驱动装置时序图

2 基于ANSYS的空间磁场仿真

“T”型电磁体铁心是以长度方向的尺寸来命名的，空间磁场仿真以“T78”型电磁体为例，其几何尺寸如图4所示。

图4 T78硅钢片几何尺寸

2.1 主要参数

“T78”型电磁体的其关键参数：硅钢片片数P＝71片，硅钢片厚度δ＝0.35 mm，线圈匝数N＝650/1 600，导线直径d＝0.31 mm，通电电流i＝1.0/1.6 A，相对磁导率取μr＝7 000。

2.2 几何建模及网格划分

建模时采用MKS单位制，其参数定义如下。

（1）铁心：定义为材料M，用SOLID98单元划分网格；

（2）空气：相对磁导率μr＝1，定义为材料N，用SOL⁃ID98单元划分网格；

（3）空气外表面：定义为材料N，用INFIN47远场单元划分网格；

（4）线圈：用SOURC36 单元对线圈建模，网格划分如图5 所示。

图5 T78铁芯网格划分

2.3 边界条件及求解

对铁心某些节点和表面所有节点都施加垂直边界条件，使磁标量位Mag＝0，由于整个模型中，铁区属于单连通区，故采用差分标势法（DSP）对其进行求解，得出了如图6～8所示的仿真曲线。

图6 “T78”型电磁体Z方向磁感应强度变化曲线（仿真）

图7 “T78”型电磁体X方向磁感应强度变化曲线（仿真）

图8 “T78”型电磁体Y方向磁感应强度变化曲线（仿真）

3 空间磁场的实验测定

3.1 实验仪器及实验条件

实验仪器采用型号为HSPY120－05的直流稳压电源，单片机及其控制系统、功率放大电路，HT100 数字特斯拉计，三坐标实验台，通电电流为1 A、1.2 A、1.6 A。实验条件以“T78”型电磁体为载体，其参数采用与基于ANSYS的空间磁场仿真参数一样。

3.2 测点布置及坐标系

在建立“T”型电磁体铁心XOYZ空间坐标系，布置12个测点，如图9所示，其中1、2、3、4、5、6、7这7个测点布置在X 坐标轴上，8、9、10（即4 点）、11、12 这5 个测点布置在Y 轴上，如图10 所示，Z 轴上分别取ZH＝20、30、40、50、60 mm。

图9 测点布置平面

图10 测点序号

3.3 实验数据

通过实验，对“T”型电磁体铁心XOYZ空间坐标系12个测点磁感应强度的测量，测得的数据如图11～15所示。

图11 “T78”型电磁体Z方向磁感应强度变化曲线（测量）

图12 “T78”型电磁体X方向磁感应强度变化曲线（测量）

图13 “T78”型电磁体Y方向磁感应强度变化曲线（测量）

图14 “T”型电磁体通电电流与磁感应强度关系曲线（测量）

图15 “T”型电磁体线圈匝数与磁感应强度关系曲线（测量）

3.4 数据分析与讨论

通过ANSYS的仿真和实验，比较在仿真和实验各种情况下的磁感应强度的仿真值和实测值，得出如下结论。

（1）从基于ANSYS的仿真图6～8和通过实验测量出来的图11～13可以看出，磁感应强度的仿真值和实测值是基本吻合的，变化规律是一致的，这说明采用ANSYS软件建立空间磁场的模型是正确的。

（2）从图6和图11可以看出，“T”型电磁体在的空间磁感应强度在Z方向，随着距离的增加而减小，最终曲线趋于平缓。

（3）从图7 和图12 可以看出，“T”型电磁体X 方向的NS和SN 两种状态的空间磁场分布是相同的，以Y 轴对称呈类“M”形分布；而SS 和NN 两种状态的空间磁场分布以Y 轴反向对分布。

（4）综合一个周期内的四种状态，“T”型电磁体在X 轴上的3点（或5点）左右的磁感应强度最大。

（5）从图13 可以看出，“T”型电磁体Y 方向上的空间磁感应强度在4种状态下均与X轴（即两主动磁极的连线）对称呈倒“V”形分布，且在X轴上最大。

（6）从图14可得，在其他因素一定的情况下，磁感应强度随通电电流的增大而增大，并随耦合距离的增加，增大的幅度逐渐减小，但电流越大，系统的发热越严重。

（7）从图15 可得，在其它因素一定的情况下，磁感应强度随线圈匝数的增加而增大，但线圈匝数越多，系统体积越大。

4 结束语

为获得大间隙驱动系统的主动磁场的分布规律，提高大间隙磁力驱动技术。本文以“T”型电磁体为例，运用ANSYS软件对其空间磁场进行了仿真，并对空间磁场进行了实验测定。发现其空间磁场磁感应强度分布规律曲线的仿真值与实测值重合度很高；并找出了藕合距离、通电电流大小、线圈匝数等因素对磁感应强度的影响规律，即当用“T”型电磁体作为主动磁极时，要想使轴流式血泵等从动件获得较大的驱动力，则应选择合理的通电电流和线圈匝数，并使该从动件（永磁体）的对称中心线与两磁极的连线重合，且应安装在主动磁极正上方偏两磁极对称中心线（即Y 轴）5～10 mm 处，为轴流式血泵等从动件获得最大的驱动力提供了可靠的依据，