【正文】 ........... 24 前處理 ................................................................................................... 24 分析計(jì)算 ............................................................................................... 27 后處理 .................................................................................................. 29 4 結(jié)論 .................................................................................................................. 33 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 34 致 謝 ............................................................................................................... 36 英文原文 ............................................................................................................... 37 中文譯文 ............................................................................................................... 57 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 1 緒論 選題背景及意義 磁力傳動(dòng)技術(shù)及其研究意義 任何機(jī)器均由動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)三部分組成。傳統(tǒng)的傳動(dòng)裝置有機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和流體傳動(dòng)三種。 磁力傳動(dòng)是以現(xiàn)代磁學(xué)的基本理論，應(yīng)用永磁材料或電磁鐵所產(chǎn)生的磁力作用，實(shí)現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩（功率）無接觸傳遞的一種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這 一技術(shù)的裝置，稱為磁力驅(qū)動(dòng)器，或稱磁力傳動(dòng)器、磁力耦合器、磁力聯(lián)軸器等。 由于傳動(dòng)的密封性能好，應(yīng)用在化工等場所，有利于環(huán)境保護(hù)。 磁力傳動(dòng)技術(shù)于 二十世紀(jì) 30 年代起開始有研究，但限于磁性材料的制約，發(fā)展緩慢； 50 年代，為解決工業(yè)泵泄漏問題，工業(yè)界重視開發(fā)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵；由于對(duì)泄漏的特殊要求 , 或惡劣的工作條件 (如輻射或低溫 ) , 或苛刻的操作條件 (如超高真空裝置的高溫烘烤 ) , 以及密封介質(zhì)與被封介質(zhì)之間的相容性方面存在的問題等 , 在五十年代末期國外提出了磁力傳動(dòng) , 六十年代末期開始應(yīng)用。 鑒于磁力傳動(dòng)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，研究磁力傳動(dòng)技術(shù)具有重要意義。利用磁場透過磁路工作間隙或隔離套的薄壁傳遞轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)過程的靜密封狀態(tài)徹底做到零泄露 )如果超過負(fù)荷，則主動(dòng)軸與從動(dòng)軸會(huì)自動(dòng)脫扣，減輕負(fù)荷后又可以復(fù)原，對(duì)機(jī)件無損害。由此可見， 用磁力來實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)特別適用于高壓系統(tǒng)。 綜上所述 , 磁力傳動(dòng)從根本上消除了動(dòng)密封的泄漏通道 , 將動(dòng)密封轉(zhuǎn)化為靜密封 ,保證絕對(duì)密封 , 安全可靠 , 開辟了惡劣工作條件或苛刻操作條件下的密封新方法。如果載荷過大 , 還會(huì)白動(dòng)滑脫 , 有過載保護(hù)作用。 中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 磁場及磁力的計(jì)算機(jī)模擬及其研究意義 隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過計(jì)算機(jī)模擬可以實(shí)現(xiàn)很多以往無法通過實(shí)驗(yàn)手段直接實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，或者可以使 一些無形的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀的展示出來。意義在于既方便了實(shí)驗(yàn)過程，節(jié)約試驗(yàn)成本，直接觀察和直觀的輸出結(jié)果、反復(fù)試驗(yàn)和方便修改數(shù)據(jù)使也保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 ANSYS 提供多種分析類型：包括 結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場分析、壓電分析等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、 磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域，本課題主要應(yīng)用其磁力、磁場分布、渦流的分析。在以后 30 多年里永磁傳動(dòng)技術(shù)由于磁性材料的原因進(jìn)步十分緩慢。近年來永磁傳動(dòng)技術(shù)已從泵類向其它密封機(jī)械擴(kuò)展，技 術(shù)上集中于提高設(shè)備的可靠性、抗介質(zhì)腐蝕新材料的研究，流體技術(shù)及制造裝配的精度。永磁傳動(dòng)技術(shù)是將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過其軸上的外磁部件傳遞給工作軸上的內(nèi)磁部件，內(nèi)外磁部件由隔離罩分開，從而工作軸無須伸出所要封閉的空間，取消了動(dòng)密封，實(shí)現(xiàn)無密封、零泄漏。目前我國流體機(jī)械大量使用的傳統(tǒng)機(jī)械密封在國外的這些部門已逐 漸被永磁傳動(dòng)所取代。 磁力傳動(dòng)是密封領(lǐng)域最有效最安全的解決辦法。石油化工、醫(yī)藥、電影、電鍍、核動(dòng)力等行業(yè)中的液體大都具有腐蝕性、易燃、易爆、有毒、貴重，泄漏會(huì)帶來工作液體的浪費(fèi)與環(huán)境污染；真空、半導(dǎo)體工業(yè)要防止外界氣體的侵入：飲食、醫(yī)藥要保證介質(zhì)的純凈衛(wèi)生。英國 Howard 機(jī)械發(fā)展 有限公司 (HMD)從 1946 年中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 就致力于無密封泵的制造，至今在全世界 37 個(gè)國家已銷售近 7 萬臺(tái) ,每年銷售額達(dá) 28 百萬英鎊。美國中西部的容器板廠，合成苛性納是回轉(zhuǎn)葉片泵密封的極大問題 ,這里的工程師稱這些泵是 ―維護(hù)黑夜里的天 ‖安裝了 Ansimag公司的 ETFE 襯里無密封磁 力泵 ,運(yùn)行 11 個(gè)月沒有停機(jī)。因甲醇易燃， 60[3]℃ 接近沸騰，流量僅 7m3/h，壓差高達(dá) 250m。 為滿足市場需要，磁力傳動(dòng)的主要機(jī)構(gòu) ——磁力泵正在向大型化發(fā)展，目前磁力泵的發(fā)展極限應(yīng)由 HMD 公司的產(chǎn)品來描述：流量由 1m3/h 到681m3/h，壓差由 10m 到 500m，溫度范圍由 100℃ 到 450℃ ，系統(tǒng)壓力 從真空到 400bar，原動(dòng)機(jī)功率達(dá) 350kW。齒輪泵與電機(jī)一體化封閉聯(lián)接，適用 24V、 36V 直流電源，速度人工自動(dòng)控制。日本 Iwaki 公司為電鍍、冷卻循環(huán)用的 MD 系列微型磁力傳動(dòng)齒輪泵的流量范圍是 ~288L/min，傳動(dòng)功率 1/25~1/3 馬力。重點(diǎn)是磁力傳動(dòng)齒輪泵與螺桿泵，最大傳動(dòng)中國礦業(yè)大學(xué) (北京 )2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 能力達(dá) 400Nm,轉(zhuǎn)速 3500r/min 時(shí)功率為 150kW。油泵因高壓差平均每兩個(gè)月便過度磨損而報(bào)廢，造成壓縮機(jī)關(guān)閉。英國 Tuthill 成功地應(yīng)用了它的磁傳動(dòng)齒輪泵為 Scottish 公司的過程水系統(tǒng)中泵入添加劑，該泵取代了螺桿泵，符合衛(wèi)生安全條例。另一系列的加壓風(fēng)機(jī)，自由排放流量 750m3/h，在 400m3/h 流量時(shí)系統(tǒng)壓差 35MPa，實(shí)現(xiàn)了零泄漏。 綜上所述，國外磁力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展比較成熟，不僅體現(xiàn)在技術(shù)層面的先進(jìn)，更體現(xiàn)在技術(shù)水平的革新、新材料的開發(fā)和使用，以及新工藝的探索和應(yīng)用、新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和變革，也還體現(xiàn)在先進(jìn)的制造技術(shù)和合理高效的管理等方面。 磁力傳動(dòng)技術(shù)國內(nèi)研究狀況 我國有關(guān)磁傳動(dòng)泵的研究始于上世紀(jì)八十年代初。 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。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。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。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)。 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。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。本文即研究永磁體的尺寸變化對(duì)徑向及軸向磁力的影響。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。這是磁力傳動(dòng)的最基本最簡單的原理。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 b , 表示徑向磁力傳 動(dòng)。圖 a 為分散型磁路 , 其尺寸大 , 耗功大 , 傳遞功率較小。 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。 (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。大大簡化了安裝調(diào)試過程。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。 (5) 節(jié)能效果顯著。 (6) 使用壽命長，設(shè)計(jì)壽命 30 年 ,減震效果好。對(duì)環(huán)境友好，不產(chǎn)生污染物，不產(chǎn)生諧波。 (9) 應(yīng)用現(xiàn)場多，已成功應(yīng)用 2021 套。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。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）。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?，通過調(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。 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(duì)運(yùn)動(dòng)。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。同時(shí)，軸向作用力可以相互減輕甚至抵消，對(duì)支撐軸承的壽命有利。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。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。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。所以，我們總希望材料的 B、 H 值越高越好。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。 現(xiàn)分為第一代（ RECo5）、第二代（ RE2TM17）和第三代稀土永磁材料（ NdFeB）。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。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。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。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?，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。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