【文章內容簡介】 水泵廠研制的 75kW 磁傳動離心泵,1996 年 7 月通過了山東科委組織的專家鑒定,測試性能達到了設計要求,運行結果令人滿意。甘肅省科學院磁性器件研究所研制的的磁傳動泵的最大功率已達 185 kW,流量為 150m3/ h ,揚程為 380m ,為國內磁傳動泵的進一步發(fā)展進行了積極的探索,作出了應有的貢獻。 本文的研究內容本文的主要研究內容是基于 ANSYS 有限元分析軟件的磁力傳動模型的建立和磁場、磁力的計算機模擬，以及磁力計算和結果的分析。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動是通過銅導體和鋼盤上的永磁體實現由電動機到負載的轉矩傳輸。該技術實現了在驅動（電動機）和被驅動（負載）側沒有機械鏈接。其工作中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)8原理是一端為稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體，和另一端感應磁場相互作用產生轉矩，從而實現動力的無接觸傳輸?；谠撛?，確定其他參數，當改變永磁體的尺寸時，由于銅盤上感應磁場會發(fā)生變化，導致所傳遞的轉矩發(fā)生變化，由此結果便可進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(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)92 磁力傳動裝置和永磁材料的選擇 磁力傳動技術 磁力傳動的原理磁力傳動技術的基本原理如圖 1 所示,工作機組(3 )完全封閉在機罩(4 )內 , 通過磁性傳動聯軸器( l 及 2 ) 將原動機 (5 )的運動(或動力) 傳輸到密閉的工作機組。其工作原理為，磁性傳動聯軸器分內、外兩半一外永磁體法蘭( 1 )和內永磁體法蘭( 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, 主動軸轉動就帶動從動軸旋轉, 如前者停止運動, 后者立即受到制約而停止。這樣 , 軸無需穿通密封系統(tǒng)器壁而獲得了運動(或動力) 的傳遞。這是磁力傳動的最基本最簡單的原理。圖 1 磁力傳動示意圖1外永磁體 2內永磁體 3 工作機組 4全封閉機罩 5原動機磁力傳動對旋轉運動或往復運動均適用, 如圖 2 所示。中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)10圖 2 往復或旋轉運動的傳動形式示意圖其中旋轉運動的磁力傳動又分軸向磁力和徑向磁力傳動兩種。圖 3 a 表示軸向磁力傳動, 主動軸(1) 上安裝一個法蘭盤, 其上鑲嵌幾塊永磁體, 極性為軸向, N 與 S 極相間排列, 從動軸(2) 上亦然。圖 3 b , 表示徑向磁力傳動。（a） (b)圖 3 旋轉運動磁力傳動1主動軸 2從動軸中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)11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(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)12 磁力傳動裝置的分類目前永磁磁力傳動分為轉子式永磁傳動裝置、渦流式永磁驅動裝置、永磁離合器和永磁磁懸浮裝置 4 種，詳見下表。表 1 永磁磁力傳動裝置分類表序號分類 結構特點 現有產品和研發(fā)狀況1 轉子式由主動磁組件、被動磁組件和隔離套三部分組成，三組件是同心的圓環(huán)體磁力傳動泵、磁力傳動閥門、磁力增速器或減速器、磁力調速器，有的已投入市場應用，有的尚在研發(fā)2 渦流式由銅轉子、永磁轉子和控制器三部分組成，銅轉子和永磁轉子為圓盤式的有限矩型、延時型、調速型磁力耦合器多種產品，已投入市場使用3 離合式由主動磁盤、被動磁盤及控制器三部分組成，主動件和被動件均為圓盤式永磁離合器、永磁制動器，有的產品已投入市場使用4 磁懸浮式有圓周磁懸浮和直線導軌磁懸浮兩種磁力軸承、無軸承電動機及磁懸浮導軌等，有的形成產品，有的正在研發(fā)其中渦流式永磁傳動裝置具有以下優(yōu)點：(1) 總成本最低。(2) 維護工作量小，幾乎為免維護產品，維護費用極低。(3) 容忍較大的安裝對中誤差（5mm） 。大大簡化了安裝調試過程。過載中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)13保護功能。提高了整個電機驅動系統(tǒng)的可靠性，完全消除了系統(tǒng)因過載而導致的損害現象。(4) 帶緩沖的軟啟動/軟制動（剎車） 。(5) 節(jié)能效果顯著。 節(jié)電率達到 25%66%。(6) 使用壽命長，設計壽命 30 年,減震效果好。(7) 結構簡單，適應各種惡劣環(huán)境。對環(huán)境友好，不產生污染物，不產生諧波。(8) 體積小，安裝方便，可方便地對現有系統(tǒng)進行改造或用在新建系統(tǒng)。(9) 應用現場多，已成功應用 2022 套。 本文所用磁力傳動裝置鑒于諸多優(yōu)點，且聯系本課題所研究的主要內容，即改變永磁材料的尺寸對磁力的影響，所以應該選擇只有一個永磁轉子的渦流式永磁傳動裝置。其傳動裝置仿真模型如圖 5 所示： 圖 5 渦流式永磁傳動裝置二維展開示意圖如下圖所示：中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)14圖 6 渦流式永磁磁力傳動裝置二維模型示意圖渦流式永磁磁力傳動裝置的基本結構如圖 7 所示。由圖中可見，渦流式永磁磁力耦合驅動器主要由銅轉子、永磁轉子和控制器三部分組成。銅轉子固定在電動機軸上，永磁轉子固定在負載轉軸上，銅轉子和永磁轉子之間有間隙（稱為氣隙） 。裝置中銅轉子和磁轉子可以自由獨立旋轉，當動力側的銅轉子旋轉時，銅轉子和磁轉子產生相對運動，銅轉子在磁場中切割磁力線從而產生渦電流，渦電流產生感應磁場與永磁體相互作用，產生扭矩，從而帶動負載旋轉工作。這樣電動機和負載由原來的硬（機械）鏈接轉變?yōu)檐洠ù牛╂溄?，通過調節(jié)永磁體和銅導體之間的氣隙就可實現負載軸上的輸出轉矩變化，從而實現負載轉速變化。由這個原理可以知道，通過調整氣隙可以獲得可調整的、可控制的、可以重復的負載轉速，永磁調速就是通過調節(jié)磁轉子與銅轉子之間氣隙的大小，控制傳遞扭矩的大小，實現負載轉速的調節(jié)，達到減速節(jié)能的效果。中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)15圖 7 渦流式永磁傳動裝置結構示意圖1氣隙 2電動機軸 3永磁轉子 4銅導體盤 5負載軸其磁感應原理與異步電動機的原理基本相同，當電動機帶動導磁盤在裝有強力稀土磁鐵的磁盤所產生的強磁場中切割磁力線時，必然在導磁盤中產生渦電流，該渦電流在導磁盤上產生反感磁場，拉動導磁盤與磁盤作相對運動。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，在其表面產生渦流，形成感應磁場。這些渦流可以等效的看成是在銅環(huán)表面的一個個小磁極，如圖 8 所示。根據同性相斥、異性相吸的原理，相鄰感應磁場對永磁體的作用力在旋轉方向上是疊加的，帶動從動轉子同步轉動，有助于獲得更高轉矩。同時，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(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)16 永磁材料 永磁材料相關介紹 永磁材料，就是產生磁場的功能材料。在場中自由運動電荷、導體與半導體內電荷會受到洛侖茲力作用，使電子束聚焦，實現能量轉換；導體在磁場中運動時，由于法拉第效應，會使導體感生電壓；兩個磁荷之間相互作用，便產生庫侖力，引起磁耦合、磁分離、磁懸浮等現象。根據磁力的不同對象和作用原理，可將永磁材料用于不同的領域。永磁材料的應用十分普遍，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；從每個家庭、辦公室，到工農醫(yī)等各個產業(yè)部門，隨處都可以見到永磁材料的應用。例如，電動玩具、電動揚聲器、立體聲耳機，計算機磁盤驅動器和打印機，微波爐加熱用磁控管等。不同的應用領域，自然需采用不同的磁路設計，需要使用不同性能、不同形狀及尺寸的永磁體，以保證達到需要的氣隙磁場。但是，無論是哪一類應用，都與永磁材料的剩余磁通密度(B)和矯頑力(H)有直接的關系。所以，我們總希望材料的 B、H 值越高越好。當然，在具體的應用中，材料成本也是一個必須考慮的重要因素。從這點來看，開發(fā)性能／價格比高的材料，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，經磁場充磁后制得的一種磁性材料?，F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械、電子、儀表和醫(yī)療等領域獲得了廣泛中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)17應用。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，當時的主導產品是釤鈷永磁，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。隨著計算機、通訊等產業(yè)的發(fā)展，稀土永磁特別是 NdFeB 永磁產業(yè)得到了飛速發(fā)展。稀土永磁材料是現在已知的綜合性能最高的一種永磁材料，它比十九世紀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，不僅促進了永磁器件向小型化發(fā)展，提高了產品的性能，而且促使某些特殊器件的產生，所以稀土永磁材料一出現，立即引起各國的極大重視，發(fā)展極為迅速。我國研制生產的各種稀土永磁材料的性能已接近或達到國際先進水平。現在稀土永磁材料已成為電子技術通訊中的重要材料，用在人造衛(wèi)星，雷達等方面的行波管、環(huán)行器中以及微型電機、微型錄音機、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、音響設備、微特電機、移動電話等方面。在醫(yī)療方面，運用稀土永磁材料進行“磁穴療法” ，使得療法大為提高，從而促進了“磁穴療法”的迅速推廣。在應用稀土的各個領域中，稀土永磁材料是發(fā)展速度最快的一個。它不僅給稀土產業(yè)的發(fā)展帶來巨大的推動力，也對許多相關產業(yè)產生相當深遠的影響。本文選用釹鐵硼（NdFeB）為永磁體材料。中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)18 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，同時高能量密度的優(yōu)點使釹鐵硼永磁材料在現代工業(yè)和電子技術中獲得了廣泛應用，從而使儀器儀表、電聲電機、磁選磁化等設備的小型化、輕量化、薄型化成為可能。釹鐵硼的優(yōu)點是性價比高，具良好的機械特性；不足之處在于居里溫度點低，溫度特性差，且易于粉化腐蝕，必須通過調整其化學成分和采取表面處理方法使之得以改進，才能達到實際應用的要求。釹鐵硼永磁材料主要成分為稀土（Re） 、鐵（Fe） 、硼（ B） 。其中稀土ND 為了獲得不同性能可用部分鏑（Dy） 、鐠（Pr）等其他稀土金屬替代，鐵也可被鈷（Co） 、鋁（Al）等其他金屬部分替代，硼的含量較小，但卻對形成四方晶體結構金屬間化合物起著重要作用，使得化合物具有高飽和磁化強度，高的單軸各向異性和高的居里溫度。第三代稀土永磁釹鐵硼是當代磁體中性能最強的永磁體，它的主要原料有稀土金屬釹 29%% 金屬元素鐵 % 非金屬元素硼 % 少量添加鏑 % 鈮 % 鋁 % 銅 %等。每類產品按最大磁能積大小劃分若干個牌號。釹鐵硼永磁材料的牌號由主稱和 2 種磁特性三部分組成，第一部分為主稱，由釹元素的化學符號ND，鐵元素的化學符號 FE 和硼元素的化學符號 B 組成，第二部分為斜線前的數字，是材料最大磁能積（BH）max 的標稱值（單位為 kj/m3） ，第三部分為斜線后的數字，磁極化強度矯頑力值（單位為 KA/m）的十分之一，數值采用四舍五入取整。牌號示例：NdFeb380/80 表示（BH）max 為366~398kj/m3,Hcj 為 800KA/MR 的燒結釹鐵硼永磁材料。中國礦業(yè)大學(北京)2022 屆本科生畢業(yè)設計(論文)19表 2 銣鐵棚磁鐵牌號及屬性剩余磁感應強度 磁感矯頑力 內稟矯頑力最大磁能積Br HCb HCj (BH)max回復磁導率材料牌號kGs T KOe KA/m KOe MGOe KG/m3 rN42 86712 4143 326342 N40 876103512 3941 310326 N38 955111412 3739 295310 N35 955111417 3436 271287 N38H