盘式非接触式磁力驱动机构传动机理的仿真研究

龚俭龙，江美霞

（1.广东交通职业技术学院 机电工程学院，广东 广州 510800；2.广州城市职业学院 信息工程学院，广东 广州 510000）

1 前言

随着工业技术的日益发展，非接触式磁力驱动技术作为一种新型的传动技术，可以实现力或力矩的无接触传递，避免了刚性接触与摩擦所带来的损耗，将动密封变成为静密封，保证工作介质之间不相互渗透，实现真正意义上的零泄漏。因此该技术被广泛应用于航天、军工、石化、医疗、轻工、食品等行业，如：对环保与密封具有高要求、严标准的化工行业，输送或混合腐蚀性高、有毒、易燃和贵重液体。非接触式磁力驱动技术应用不仅提高了原料运输的利用效率，而且还可以有效控制了有毒、有害、易燃易爆等化学介质的泄漏对环境的污染，从而提高了生产过程的安全性，具有较高的实用经济价值。近年来，国内外学者对非接触式磁力驱动技术开展了一系列研究，也取得一些成果。王凯开展了磁力联轴器在磁感应强度分布、磁转矩与磁涡损计算、传动性能影响因素分析以及磁热流固多场耦合分析方面研究。于娇等人根据盘式磁力耦合器的机械结构和工作原理，利用Ansoft Maxwell 软件对盘式磁力耦合器进行三维建模和仿真分析，得出的磁感应强度云图和涡流密度矢量验证了仿真设置的正确性，绘出了输出转矩与永磁体轴向长度、气隙和导体盘厚度所能传递力矩的影响曲线。王昭等应用COMSOL 软件对盘式永磁耦合器进行有限元三维瞬态建模，分析其涡流特性和电磁传动特性，并且分析了磁铁材质、磁铁级数、气隙间距对扭矩和轴方向受力的影响，得出相关的规律特性。此外，目前国内外研究主要集中在非接触式磁力传动机构的结构参数设计和磁力特性分析方面。

本文提出一种由永磁驱动轮、永磁从动轮、永磁体、导体盘等组成的盘式非接触式磁力传动机构，首先利用三维建模软件Solidworks 对其进行几何建模，再应用电磁仿真软件ANSYS Maxwell 对盘式非接触式磁力传动机构进行电磁特性仿真，分析其涡流损耗特性和电磁传动特性，从而为盘式非接触式磁力驱动机构的准确设计和后续优化提供重要的参考。

2 磁力驱动装置结构

本文提出一种新型盘式非接触式磁力传动机构，首先利用三维建模软件Solidworks 对其进行几何建模，该传动机构的结构模型如图1 所示。新型盘式非接触式磁力传动机构主要由驱动轮、从动轮、导体盘、输出轴、气隙、永磁体等组成。其中驱动轮和从动轮结构大致相同，驱动轮和从动轮之间是单独隔离开的且存在一定的间距，永磁体分别均匀地镶嵌在驱动轮和从动轮的圆周方向上，驱动轮和从动轮上的永磁体采用径向充磁，N 磁极和S 磁极相互交错地布置，磁通从N 磁极开始出发，从径向方向通过驱、从动轮之间气隙和导体盘部分，后沿轴向经过导体，再沿着径向经驱动轮与从动轮之间气隙回到相邻S 磁极，从而在磁体上闭合形成回路。驱动轮与驱动轴直接连接，当电机带动驱动轮旋转时，在交互磁力矩影响下，会产生连续的旋转驱动力，就可以带动从动轮进行旋转工作。

图1 盘式非接触式磁力传动机构模型

3 理论基础

3.1 麦克斯韦方程组

Maxwell 方程组描述了电磁场的基本特征，是研究电磁场相关问题的基本理论基础，并能反映电磁场中各个物理量之间的关系。该方程是研究盘式非接触式磁力驱动传动机构中电磁场分析计算的理论基础，其微分形式表示为：

Maxwell 方程组可应用于解决各类的电磁问题。由于位函数比较容易建立边界条件，所以在电磁场数值分析中可以通过引入辅助函数，即位函数，从而减少未知数个数，使得求解问题得到简化。位函数包含矢量磁位、标量磁位，分别表示为：

式中，μ 为磁导率；σ 为电导率。

3.2 非接触式磁力驱动基本原理

非接触式磁力驱动是基于电磁学的基本理论，通过永磁材料或电磁所产生的磁力相互作用，来实现力矩或力的非接触式传递技术。本文提出的盘式非接触式磁力传动机构与传统的机械传动机构有所不同，在盘式非接触磁力传动机构中驱动部件与从动部件传递的力矩或力是通过磁场中相互耦合作用力来实现，它是通过磁场透过磁场工作间隙或者隔离套来传递力或力矩，其驱动部件和从动部件之间可以实现无任何介质接触，实现液体介质的零泄漏。

3.3 非接触式磁力驱动和接触式机械驱动的区别

非接触式磁力驱动和接触式机械驱动的最大不同点，是它们在向传动部件传递力矩和力时，是否是直接接触传递的。非接触式磁力驱动是利用磁场透过磁路工作间隙或隔离套来传递力矩和力。比如在化工行业中应用的磁力驱动泵和磁力驱动搅拌反应釜，它们就是采用磁力驱动密封装置后取消了传统的机械传动泵、釜，非接触式磁力驱动装置把动密封转变为静密封。因此从根本上消除了传动轴密封处所产生的泄漏，解决了工业用泵、釜等设备一直存在的跑、冒、滴、漏和机械密封发热、磨损等一系列问题，为安全可靠输送或搅拌反应有毒、易燃、易爆、腐蚀以及各种贵重介质创造了条件。

3.4 有限元仿真理论分析

当盘式非接触磁力传动机构在工作时，其整个空间是存在着电磁场。有限元法的求解过程是从偏微分方程出发，遵循变分原理，把电磁场边值问题的求解转化为泛函数极值问题的求解，再通过离散化处理，将变分问题转化为多元函数的极值问题进行求解。因此，在工程应用领域中，有限元法被较为广泛地应用于电磁场领域的数值模拟。

基于有限元原理的ANSYS、ANSOFT 等软件的开发给电磁场相关研究领域带来机遇，在ANSYS 仿真软件中，其中电磁场分析模块中有限元公式可由磁场Maxwell 方程组导出，其工作原理是将所研究对象划分为有限个单元，再根据矢量磁势或者标量电势求解一定边界条件和初始条件下各个节点处的磁势，从而进一步求解磁通量密度、电磁场储能等相关量。ANSYS Maxwell 仿真分析具体的操作步骤，如图2 所示。因此，本文在盘式非接触式磁力传动机构工作过程中，利用ANSYS Maxwell 有限元仿真软件对盘式非接触式磁力传动机构进行装置进行磁特性和力特性仿真分析，以获取永磁驱动轮和永磁从动轮的工作状态，以及永磁驱动轮和永磁从动轮之间传递的扭矩关系。

图2 仿真分析具体的操作步骤

4 磁特性分析

4.1 有限元分析模型

对盘式非接触式磁力传动机构模型进行简化处理，有限元模型由驱动轮、从动轮和永磁体组成，如图3 所示，采用钕铁硼作为永磁体的材料，此材料矫顽力需单独设置为-880000A/m、剩磁设置为Br=1.18T，由于是永磁体是径向充磁，所以材料坐标系设置为cylindrical，材料属性设置为R Component，从而材料坐标系的径向分量设置为1，表明永磁体磁化方向为径向正方向，反之径向分量设置为-1 时，则表明永磁体磁化方向为径向负方向。设置被动激励源，band 域和求解域Region 设置为vacuum（真空）。

图3 盘式磁力传动机构的有限元模型

4.2 基本假设

（1）非接触式磁力驱动机构的磁场分布计算是一个非线性问题。力矩和力传递的物理过程主要发生在气隙间隙中，由于气隙间隙与磁力驱动机构轴向尺寸相比足够小。忽略端部效应的影响，近似认为同一位置的气隙磁场沿轴向没有变化，因此可以用气隙平均厚度处的磁场来等效气隙磁场。

（2）导体盘的厚度与其他两个方向上的尺寸相比很小，所以在导体盘内部产生的涡流主要是由气隙磁场的轴向分量引起的，考虑气隙磁场的轴向分量，并计算其在导体盘内部所产生的径向电场和径向涡流。

（3）忽略涡流在导磁盘轴向的趋肤效应影响。

（4）永磁体沿轴向均匀磁化。

（5）只计算原交变磁场在导体盘内所产生的涡流，忽略涡流产生的附加交变磁场在导体盘内产生的涡流。

4.3 磁场特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元软件，对盘式非接触式磁力驱动装置的模型进行磁特性分析，在盘式非接触式磁力驱动装置中，永磁体提供了稳定的静态磁场，当驱动轮和从动轮保持相对静止时，永磁体产生的静态磁场不会被切割，驱动轮和从动轮之间不会产生扭矩。当电机带动驱动轮旋转工作时，驱动轮和从动轮之间的静态磁场会产生切割，从而会在驱动轮和从动轮的永磁体内产生环向涡流，并且由于相连永磁体的磁极方向是相反的，因此在驱动轮和从动轮的永磁体内会产生旋转方向相反的相邻涡流，如图4 所示。驱动轮中永磁体的剩余磁通在旋转运动时使从动轮永磁体产生涡流，从动轮内形成的涡流会产生新磁场，其方向大致垂直于从动轮，相邻涡流产生磁场的方向是相反的。从动轮上永磁体感应产生的磁场分布与驱动轮中永磁体形成的磁场分布类似，如图5 所示。

图4 涡流密度分布图

图5 磁通密度分布图

4.4 磁力特性分析

利用ANSYS Maxwell 有限元软件对盘式非接触式磁力驱动机构进行磁力特性仿真分析，得到其磁场分布，可观察到驱动轮和从动轮在非接触磁场力作用下所受到的磁扭矩。在该盘式非接触式驱动机构中，永磁驱动轮与永磁从动轮所受的作用力是相互的。在电磁仿真分析过程中，以永磁驱动轮作为参照物，永磁从动轮旋转一周可看作为8个周期，其沿着旋转轴旋转工作时，在一个周期内从动轮的磁扭矩输出是由最小值增大到最大值然后减少到最小值，且从动轮的最大输出磁扭矩为0.95N·m，图6 为永磁从动轮扭矩输出特性曲线。

图6 从动轮扭矩输出曲线图

5 结语

本文提出了一种由永磁驱动轮、永磁从动轮组成的盘式非接触式磁力驱动旋转机构，首先利用三维建模软件Solidworks 建立其几何模型，再将模型导入有限元仿真软件ANSYS Maxwell 中进行电磁仿真，分析了永磁驱动轮和永磁从动轮之间的磁场特性和磁力特性。实验结果表明盘式非接触式磁力驱动旋转机构在工作时，驱动轮中永磁体的剩余磁通通过空间耦合使从动轮中永磁体产生涡流，从动轮中永磁体产生的磁场与驱动轮中永磁体形成的磁场方向相反，驱动轮中永磁体在相对运动时使从动轮中永磁体产生磁扭矩，从而永磁驱动轮和永磁从动轮之间可以产生连续的驱动扭矩，且驱动扭矩趋于稳定。驱动从动轮工作的扭矩存在一定的波动，且从动轮的最大输出磁扭矩为0.95N·m。该研究方法可为今后从永磁体布置形式、永磁体形状、永磁体级数和气隙间距等方面对盘式非接触式磁力驱动旋转机构的设计和优化提供重要的理论依据和数据支撑，具有重要的现实指导意义。