【文章內(nèi)容簡介】 究始于上世紀(jì)八十年代初。甘肅省科學(xué)院磁性器件研究所也是國內(nèi)最早開展磁傳動(dòng)泵研制的單位之一 ,現(xiàn)已有單、多級(jí)磁傳動(dòng)離心泵的系列產(chǎn)品投入使用。 1989 年 ,溫州工科所等 5 家泵廠組建了南方磁力泵聯(lián)營公司 ,生產(chǎn) 18. 5kW 以下的耐腐蝕磁傳動(dòng)泵系列產(chǎn)品。 1992 年沈陽水泵廠設(shè)計(jì)制造 CIH 系列磁傳動(dòng)泵 ,涉及 29 個(gè)規(guī)格 ,流量 :2～150m3/ h ,揚(yáng)程 :3. 5～ 380m ,電機(jī)功率 100kW 以下 ,工作溫度低于 250 ℃ 。中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 2021 年勝達(dá)因公司的母公司美國漢勝公司在上海莘莊工業(yè)區(qū)成立了漢勝工業(yè)設(shè)備 (上海 ) 有限公司 ,立足于中國國內(nèi)進(jìn)行磁傳動(dòng)泵的研發(fā)生產(chǎn) ,從而將世界領(lǐng)先的磁傳動(dòng)泵技術(shù)帶入中國。但總體來看國內(nèi)的研制水平 ,不論從研發(fā)的力度還是制造工藝水準(zhǔn)都與世界先進(jìn)水平差距較大 ,18kW 以下的產(chǎn)品基本趨于成熟 ,高效大功率磁傳動(dòng)泵的研究已做了一些有益的嘗試 ,并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。由航天 510 所和蘭州煉油廠等單位共同研制的 75kW 磁傳動(dòng)丙烷增壓泵 ,自投入使用后 ,工作性能穩(wěn)定 可靠 ,可長期使用。由煙臺(tái)水泵廠研制的 75kW 磁傳動(dòng)離心泵 ,1996 年 7 月通過了山東科委組織的專家鑒定 ,測試性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求 ,運(yùn)行結(jié)果令人滿意。甘肅省科學(xué)院磁性器件研究所研制的的磁傳動(dòng)泵的最大功率已達(dá) 185 kW,流量為 150m3/ h ,揚(yáng)程為 380m ,為國內(nèi)磁傳動(dòng)泵的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了積極的探索 ,作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 本文的研究內(nèi)容 本文的主要研究內(nèi)容是基于 ANSYS 有限元分析軟件的磁力傳動(dòng)模型的建立和磁場、磁力的計(jì)算機(jī)模擬，以及磁力計(jì)算和結(jié)果的分析。 具體來說，本課題采用渦流式永磁磁力耦合模 型，渦流永磁磁力耦合驅(qū)動(dòng)是通過銅導(dǎo)體和鋼盤上的永磁體實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)）和被驅(qū)動(dòng)（負(fù)載）側(cè)沒有機(jī)械鏈接。其工作原理是一端為稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體，和另一端感應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的無接觸傳輸?；谠撛恚_定其他參數(shù)，當(dāng)改變永磁體的尺寸時(shí)，由于銅盤上感應(yīng)磁場會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致所傳遞的轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，由此結(jié)果便可進(jìn)一步分析永磁體材料的尺寸對磁力的影響規(guī)律。本文即研究永磁體的尺寸變化對徑向及軸向磁力的影響。 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 2 磁力傳動(dòng)裝置 和永磁材料 的選擇 磁力傳動(dòng)技 術(shù) 磁力傳動(dòng)的原理 磁力傳動(dòng)技術(shù)的基本原理如圖 1 所示 ,工作機(jī)組 (3 )完全封閉在機(jī)罩(4 )內(nèi) , 通過磁性傳動(dòng)聯(lián)軸器 ( l 及 2 ) 將原動(dòng)機(jī) (5 )的運(yùn)動(dòng) (或動(dòng)力 ) 傳輸?shù)矫荛]的工作機(jī)組。其工作原理為，磁性傳動(dòng)聯(lián)軸器分內(nèi)、外兩半一外永磁體法蘭 ( 1 )和內(nèi)永磁體法蘭 ( 2 ) , 它們均由永磁材料按一定的要求制作 , 兩法蘭不直接接觸 , 其間存在間隙 , 而永磁體各自的磁場透過器壁而相互作用 , 依同性相斥 , 異性相吸 , 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)就帶動(dòng)從動(dòng)軸旋轉(zhuǎn) , 如前者停止運(yùn)動(dòng) , 后者立即受到制約而停止。這樣 , 軸無需穿通密封系統(tǒng)器壁而獲得了運(yùn)動(dòng) (或動(dòng)力 ) 的傳遞。這是磁力傳動(dòng)的最基本最簡單的原理。 圖 1 磁力傳動(dòng)示意圖 1外永磁體 2內(nèi)永磁體 3 工作機(jī)組 4全封閉機(jī)罩 5原動(dòng)機(jī) 磁力傳動(dòng)對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)均適用 , 如圖 2 所示。中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 2 往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)形式示意圖 其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的磁力傳動(dòng)又分軸向磁力和徑向磁力傳動(dòng)兩種。圖 3 a 表示軸向磁力傳動(dòng) , 主動(dòng)軸 (1) 上安裝一個(gè)法蘭盤 , 其上鑲嵌幾塊永磁體 , 極性為軸向 , N 與 S 極相間排列 , 從動(dòng)軸 (2) 上亦然。圖 3 b , 表示徑向磁力傳 動(dòng)。 （ a） (b) 圖 3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)磁力傳動(dòng) 1主動(dòng)軸 2從動(dòng)軸 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 從永磁體的配置上又分為分散型和組合型磁路 , 示于圖 4。圖 a 為分散型磁路 , 其尺寸大 , 耗功大 , 傳遞功率較小。隨著新型永磁材料的研制 , 如稀土類永磁 , 性能優(yōu)良 , 可密集排列磁體 , 七十年代中期出現(xiàn)組合型磁路 , 利用磁極間同性相斥 (推力 ) 和異性相吸 (拉力 ) 的作用 , 使尺寸較小 , 而傳遞功率較大。 圖 4 分散型與組合型磁路 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 磁力傳動(dòng)裝置 的分類 目前永磁磁力傳動(dòng)分為轉(zhuǎn)子式永磁傳動(dòng)裝置、渦流式永磁驅(qū)動(dòng)裝置、永磁離合器和永磁磁懸浮裝置 4 種，詳見下表。 表 1 永磁磁力傳動(dòng)裝置分類表 序號(hào) 分類 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)有產(chǎn)品和研發(fā)狀況 1 轉(zhuǎn)子式 由主動(dòng)磁組件、被動(dòng)磁組件和隔離套三部分組成，三組件是同心的圓環(huán)體 磁力傳動(dòng)泵、磁力傳動(dòng)閥門、磁力增速器或減速器、磁力調(diào)速器，有的已投入市場應(yīng)用，有的尚在研發(fā) 2 渦流式 由銅轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三部分組成，銅轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子為圓盤式的 有限矩型、延時(shí)型、調(diào)速型磁力耦合器多種產(chǎn)品，已投入市場使用 3 離合式 由 主動(dòng)磁盤、被動(dòng)磁盤及控制器三部分組成，主動(dòng)件和被動(dòng)件均為圓盤式 永磁離合器、永磁制動(dòng)器，有的產(chǎn)品已投入市場使用 4 磁懸浮式 有圓周磁懸浮和直線導(dǎo)軌磁懸浮兩種 磁力軸承、無軸承電動(dòng)機(jī)及磁懸浮導(dǎo)軌等，有的形成產(chǎn)品，有的正在研發(fā) 其中渦流式永磁傳動(dòng)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 總成本最低。 (2) 維護(hù)工作量小，幾乎為免維護(hù)產(chǎn)品，維護(hù)費(fèi)用極低。 (3) 容忍較大的安裝對中誤差（ 5mm） 。大大簡化了安裝調(diào)試過程。過載中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 保護(hù)功能。提高了整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，完全消除了系統(tǒng)因過載而導(dǎo)致的損害現(xiàn)象。 (4) 帶 緩沖的軟啟動(dòng) /軟制動(dòng)（剎車）。 (5) 節(jié)能效果顯著。 節(jié)電率達(dá)到 25%66%。 (6) 使用壽命長，設(shè)計(jì)壽命 30 年 ,減震效果好。 (7) 結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。對環(huán)境友好，不產(chǎn)生污染物，不產(chǎn)生諧波。 (8) 體積小，安裝方便，可方便地對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造或用在新建系統(tǒng)。 (9) 應(yīng)用現(xiàn)場多，已成功應(yīng)用 2021 套。 本文所用磁力傳動(dòng)裝置 鑒于諸多優(yōu)點(diǎn)，且聯(lián)系本課題所研究的主要內(nèi)容，即改變永磁材料的尺寸對磁力的影響，所以應(yīng)該選擇只有一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子的渦流式永磁傳動(dòng)裝置。其傳動(dòng)裝置仿真模型如圖 5 所 示： 圖 5 渦流式永磁傳動(dòng)裝置 二維展開示意圖如下圖所示： 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 圖 6 渦流式永磁磁力傳動(dòng)裝置二維模型示意圖 渦流式永磁磁力傳動(dòng)裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。由圖中可見，渦流式永磁磁力耦合驅(qū)動(dòng)器主要由銅轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三部分組成。銅轉(zhuǎn)子固定在電動(dòng)機(jī)軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載轉(zhuǎn)軸上，銅轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（稱為氣隙）。裝置中銅轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子可以自由獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，當(dāng)動(dòng)力側(cè)的銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，銅轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，銅轉(zhuǎn)子在磁場中切割磁力線從而產(chǎn)生渦電流，渦電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場與永磁體相互作用，產(chǎn)生扭矩，從而 帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)工作。這樣電動(dòng)機(jī)和負(fù)載由原來的硬（機(jī)械）鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛╂溄樱ㄟ^調(diào)節(jié)永磁體和銅導(dǎo)體之間的氣隙就可實(shí)現(xiàn)負(fù)載軸上的輸出轉(zhuǎn)矩變化，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化。由這個(gè)原理可以知道，通過調(diào)整氣隙可以獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速，永磁調(diào)速就是通過調(diào)節(jié)磁轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子之間氣隙的大小，控制傳遞扭矩的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，達(dá)到減速節(jié)能的效果。 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 圖 7 渦流式永磁傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1氣隙 2電動(dòng)機(jī)軸 3永磁轉(zhuǎn)子 4銅導(dǎo)體盤 5負(fù)載軸 其磁感應(yīng)原理與異步電動(dòng)機(jī)的原理基本相同，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)導(dǎo) 磁盤在裝有強(qiáng)力稀土磁鐵的磁盤所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中切割磁力線時(shí)，必然在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦電流，該渦電流在導(dǎo)磁盤上產(chǎn)生反感磁場，拉動(dòng)導(dǎo)磁盤與磁盤作相對運(yùn)動(dòng)。如下圖所示： 圖 8 磁路耦合原理圖 銅環(huán)通過切割永磁體的磁感線，在其表面產(chǎn)生渦流，形成感應(yīng)磁場。這些渦流可以等效的看成是在銅環(huán)表面的一個(gè)個(gè)小磁極，如圖 8 所示。根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，相鄰感應(yīng)磁場對永磁體的作用力在旋轉(zhuǎn)方向上是疊加的，帶動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，有助于獲得更高轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，軸向作用力可以相互減輕甚至抵消，對支撐軸承的壽命有利。 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 永磁材料 永磁材料相關(guān)介紹 永磁材料，就是產(chǎn)生磁場的功能材料。在場中自由運(yùn)動(dòng)電荷、導(dǎo)體與半導(dǎo)體內(nèi)電荷會(huì)受到洛侖茲力作用，使電子束聚焦，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于法拉第效應(yīng)，會(huì)使導(dǎo)體感生電壓；兩個(gè)磁荷之間相互作用，便產(chǎn)生庫侖力，引起磁耦合、磁分離、磁懸浮等現(xiàn)象。根據(jù)磁力的不同對象和作用原理，可將永磁材料用于不同的領(lǐng)域。永磁材料的應(yīng)用十分普遍，小到兒童玩具、文件夾，大到人造衛(wèi)星、宇宙飛船、磁懸浮列車；從每個(gè)家庭、辦公室，到工農(nóng)醫(yī)等各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門，隨處都可以見到永磁材料的應(yīng)用。例如，電動(dòng)玩具、電動(dòng) 揚(yáng)聲器、立體聲耳機(jī)，計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器和打印機(jī)，微波爐加熱用磁控管等。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，自然需采用不同的磁路設(shè)計(jì)，需要使用不同性能、不同形狀及尺寸的永磁體，以保證達(dá)到需要的氣隙磁場。但是，無論是哪一類應(yīng)用，都與永磁材料的剩余磁通密度 (B)和矯頑力 (H)有直接的關(guān)系。所以，我們總希望材料的 B、 H 值越高越好。當(dāng)然，在具體的應(yīng)用中，材料成本也是一個(gè)必須考慮的重要因素。從這點(diǎn)來看，開發(fā)性能／價(jià)格比高的材料，始終是永磁材料研發(fā)人員努力的方向。 稀土永磁材料 稀土永磁材料是指稀土金屬和過渡族金屬形成的合金 用粉 末冶金方法壓型燒結(jié)，經(jīng)磁場充磁后制得的一種磁性材料。 現(xiàn)分為第一代（ RECo5）、第二代（ RE2TM17）和第三代稀土永磁材料（ NdFeB）。新的稀土過渡金屬系和稀土鐵氮系永磁合金材料正在開發(fā)研制中，有可能成為新一代稀土永磁合金。稀土永磁材料已在機(jī)械、電子、儀表和醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 應(yīng)用。 稀土永磁分釤鈷（ SmCo）永磁體和釹鐵硼（ NdFeB）系永磁體，其中SmCo磁體的磁能積在 1530MGOe之間， NdFeB系永磁體的磁能積在 2750 MGOe 之間，被稱為“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。釤鈷永磁體 ，盡管其磁性能優(yōu)異，但含有儲(chǔ)量稀少的稀土金屬釤和昂貴的稀缺戰(zhàn)略金屬鈷，因此，它的發(fā)展受到了很大限制。我國稀土永磁行業(yè)的發(fā)展始于60 年代末，當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)產(chǎn)品是釤 鈷永磁，目前釤 鈷永磁體世界銷售量為630 噸，我國為 噸（ SmCo 磁粉），主要用于軍工技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)、通訊等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，稀土永磁特別是 NdFeB 永磁產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展。稀土永磁材料是現(xiàn)在已知的綜合性能最高的一種永磁材料，它比十九世紀(jì)使用的磁鋼的磁性能高 100 多倍，比鐵氧體、鋁鎳鈷性能優(yōu)越得多，比昂貴的鉑鈷合金的磁性能還高一倍。由于稀土永磁材料的 使用，不僅促進(jìn)了永磁器件向小型化發(fā)展，提高了產(chǎn)品的性能，而且促使某些特殊器件的產(chǎn)生，所以稀土永磁材料一出現(xiàn)，立即引起各國的極大重視，發(fā)展極為迅速。我國研制生產(chǎn)的各種稀土永磁材料的性能已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平?，F(xiàn)在稀土永磁材料已成為電子技術(shù)通訊中的重要材料，用在人造衛(wèi)星，雷達(dá)等方面的行波管、環(huán)行器中以及微型電機(jī)、微型錄音機(jī)、航空儀器、電子手表、地震儀和其它一些電子儀器上。目前稀土永磁應(yīng)用已滲透到汽車、家用電器、電子儀表、核磁共振成像儀、音響設(shè)備、微特電機(jī)、移動(dòng)電話等方面。在醫(yī)療方面，運(yùn)用稀土永磁材料進(jìn)行“磁穴 療法”，使得療法大為提高，從而促進(jìn)了“磁穴療法”的迅速推廣。在應(yīng)用稀土的各個(gè)領(lǐng)域中，稀土永磁材料是發(fā)展速度最快的一個(gè)。它不僅給稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來巨大的推動(dòng)力，也對許多相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生相當(dāng)深遠(yuǎn)的影響。 本文選用釹鐵硼（ NdFeB）為永磁體材料。 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 NdFeB 永磁材料 釹鐵硼中含有大量的稀土元素釹、鐵及硼，其特性硬而脆。由于表面極易被氧化腐蝕，釹鐵硼必須進(jìn)行表面涂層處理。釹鐵硼作為稀土永磁材料的一種具有極高的磁能積和矯頑力，同時(shí)高能量密度的優(yōu)點(diǎn)使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用，從而使儀 器儀表、電聲電機(jī)、磁選磁化等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化成為可能。釹鐵硼的優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高，具良好的機(jī)械特性；不足之處在于居里溫度點(diǎn)低，溫度特性差，且易于粉化腐蝕，必須通過調(diào)整其化學(xué)成分和采取表面處理方法使之得以改進(jìn)，才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。 釹鐵硼永磁材料主要成分為稀土（ Re）、鐵（ Fe）、硼（ B）。其中稀