影響磁力的材料幾何參數(shù)計算機模擬研究畢業(yè)論文

1、中 國 礦 業(yè) 大 學（北京） 本 科 生 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 中文題目： 影響磁力的材料幾何參數(shù)計算機模擬研究 英文題目： a computer simulation study of magnetic impact by materials geometric parameters 姓 名： 許岑 學 號： 0811340213 學 院： 機電與信息工程學院 專 業(yè)： 材料科學與工程 班 級： 2008 級 2 班 指導教師： 劉文言 職 稱： 研究員 完成日期： 2012 年 6 月 8 日 中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）任務書中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（

2、論文）任務書 學院 機電與信息工程學院 專業(yè) 材料科學與工程 班級 2008 級 2 班 學號 0811340213 學生姓名 許岑 任務下達日期： 2011 年 12 月 30 日 完成日期： 2011 年 6 月 8 日 題目：影響磁力的材料幾何參數(shù)計算機模擬研究 專題題目：磁力軟啟動技術研究 主要內(nèi)容和要求： 主要內(nèi)容： 了解磁力傳動的基本組成，掌握磁場及磁力的計算機模擬方法，研究 材料的尺寸對徑向及軸向磁力的影響規(guī)律，初步具備分析問題和解決問題 的能力。 要求： 1、了解磁力傳動的基本組成，掌握磁場及磁力的計算機模擬方法。 2、了解磁力計算的基本原理以及磁力傳動的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)

3、展趨勢。 3、研究材料尺寸對徑向及軸向磁力的影響規(guī)律。 4、撰寫畢業(yè)設計論文。 院長簽字： 指導教師簽字： 中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱 書書 學院 機電與信息工程學院 專業(yè) 材料科學與工程 班級2008 級 2 班 學生姓名 許岑 題目：影響磁力的材料幾何參數(shù)計算機模擬研究 專題題目：磁力軟啟動技術研究 指導教師評語指導教師評語： 成績：成績： 指導教師簽名：指導教師簽名： 年 月 日 中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱 書書 學院 機電與

4、信息工程學院 專業(yè) 材料科學與工程 班級2008 級 2 班 學生姓名 許岑 題目：影響磁力的材料幾何參數(shù)計算機模擬研究 專題題目：磁力軟啟動技術研究 評閱教師評語評閱教師評語： 成績：成績： 評閱教師簽名：評閱教師簽名： 年 月 日 中國礦業(yè)大學（北京）中國礦業(yè)大學（北京）20112011 屆本科生屆本科生 畢業(yè)設計（論文）答辯及綜合成績畢業(yè)設計（論文）答辯及綜合成績 學院：學院：機電與信息工程學院 學生姓名學生姓名： 許岑 學號學號： 0811340213 專業(yè)專業(yè)： 材料科學與工程 班級班級：2008 級 2 班 題目題目：影響磁力的材料幾何參數(shù)計算機模擬研究 專題題目專題題目：磁力軟啟

5、動技術研究 設計說明書（論文）：設計說明書（論文）： 頁，頁， 圖紙圖紙: 張張, 其它材料其它材料: 答答 辯辯 情情 況況 回回 答答 問問 題題 提提 出出 問問 題題正正 確確 基基 本本 正正 確確 有有 一一般般 性性錯錯 誤誤 有有 原原則則 性性錯錯 誤誤 回回 答答 不不 清清 答辯成績：答辯成績： 答辯小組長：答辯小組長： 年年 月月 日日 指導教師評價成績：指導教師評價成績： 指導教師：指導教師： 年年 月月 日日 評閱教師評價成績：評閱教師評價成績： 評閱教師：評閱教師： 年年 月月 日日 答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任：答辯委員會

6、主任： 年年 月月 日日 學院領導小組綜合評價成績：學院領導小組綜合評價成績： 學院領導小組負責人：學院領導小組負責人： 年年 月月 日日 摘摘 要要 隨著永磁磁力傳動技術的發(fā)展，其實際應用中的問題也逐漸凸現(xiàn)出來。 尤其是如何在節(jié)約成本和符合工程實際的條件下更高效率的傳動轉(zhuǎn)矩的問 題仍有待解決。本課題就是針對永磁磁力傳動裝置中永磁體尺寸的選擇問 題做計算機模擬研究。 本文首先對主要的磁力傳動裝置作了簡單說明和比較，確定渦流式永 磁磁力傳動裝置為研究對象，簡單論述了磁力傳動的基本組成，以及磁力 計算的基本原理，并對國內(nèi)外磁力傳動技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢做了簡單總 結(jié)，同時對永磁材料做了簡單介紹和比較

7、。本文以 ansys 有限元分析軟件 為基礎，對渦流式永磁磁力傳動裝置進行建模，并對其磁場和磁力進行計 算機模擬，進一步分析計算永磁體的尺寸對傳動裝置徑向和軸向磁力的影 響規(guī)律，得出了永磁體幾何參數(shù)與軸向磁力和徑向磁力的關系曲線圖，完 成了影響磁力的材料幾何參數(shù)的計算機模擬研究，對磁力軟啟動技術的學 習和研究有一定的指導意義。 關鍵詞：磁力傳動；磁場及磁力計算機模擬；永磁材料；幾何參數(shù)對磁力 的影響 abstract with the development of permanent magnetic drive technology, practical application issues

8、 are becoming increasingly stand out. in particular, how to get a more efficient transmission torque meanwhile saving costs and in line with actual conditions is a problem remain to be resolved. this issue is a computer simulation study of the choice for the size of the permanent magnet permanent ma

9、gnetic gear. this paper lists the main magnetic gear and give a brief description and comparison. also give a brief introduction of permanent magnet materials.this paper is based on the ansys finite element analysis software.bulding models of eddy current permanent magnetic gear. and made a computer

10、 simulation of magnetic field and magnetic,and analysis of the impact of size on the calculation of permanent magnet gear radial and axial magnetic law. obtained the graph of the relationship between the geometric parameters of the permanent magnet and axial magnetic and radial magnetic. completed a

11、 computer simulation study of the geometrical parameters affect on the magnetic force. and give a guidance significance to the learning and research of magnetic soft start technology. keywordskeywords：magnetic drive; magnetic computer simulation; permanent magnet materials;the effect of geometric pa

12、rameters 目目 錄錄 1 緒論緒論.1 1.1 選題背景及意義.1 1.1.1 磁力傳動技術及其研究意義.1 1.1.2 磁場及磁力的計算機模擬及其研究意義 .3 1.2 磁力傳動技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.4 1.2.1 磁力傳動技術的國外研究狀況.4 1.2.2 磁力傳動技術國內(nèi)研究狀況.6 1.3 本文的研究內(nèi)容.7 2 磁力傳動裝置和永磁材料的選擇磁力傳動裝置和永磁材料的選擇.8 2.1 磁力傳動技術 .8 2.1.1 磁力傳動的原理.8 2.1.2 磁力傳動裝置的分類.11 2.1.3 本文所用磁力傳動裝置.12 2.2 永磁材料 .15 2.2.1 永磁材料相關介紹.15 2.2

13、.2 稀土永磁材料.15 2.2.3 ndfeb 永磁材料 .17 2.3 磁力計算的基本原理.18 2.3.1 傳統(tǒng)電磁理論磁力計算原理.18 2.3.2 轉(zhuǎn)矩的計算.20 3 影響磁力的材料幾何尺寸計算機模擬研究影響磁力的材料幾何尺寸計算機模擬研究.22 3.1 ansys 有限元分析軟件 .22 3.2 基于 ansys 的磁場和磁力的計算機模擬.24 3.2.1 前處理.24 3.2.2 分析計算.27 3.2.3 后處理.29 4 結(jié)論結(jié)論.33 參考文獻參考文獻.34 致致 謝謝.36 英文原文英文原文.37 中文譯文中文譯文.57 1 1 緒論緒論 1.1 選題背景及意義 1.1

14、.11.1.1 磁力傳動技術及其研究意義磁力傳動技術及其研究意義 任何機器均由動力機、傳動裝置和工作機三部分組成。其中位于動力 機與工作機之間，擔負傳遞動力和改善動力特性的裝置稱為傳動裝置。傳 統(tǒng)的傳動裝置有機械傳動、電氣傳動和流體傳動三種。近些年來，永磁磁 力傳動技術異軍突起，發(fā)展迅速，以其特有的優(yōu)勢逐漸形成一種新的傳動 形式，應當引起我們的重視。 磁力傳動是以現(xiàn)代磁學的基本理論，應用永磁材料或電磁鐵所產(chǎn)生的 磁力作用，實現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩（功率）無接觸傳遞的一種技術，實現(xiàn)這一技術 的裝置，稱為磁力驅(qū)動器，或稱磁力傳動器、磁力耦合器、磁力聯(lián)軸器等。 磁力傳動技術的優(yōu)點： 1、將力的軸傳遞動力的動密封

15、轉(zhuǎn)化為靜密封，實現(xiàn)動力的零泄漏傳 遞； 2、可避免振動傳遞，實現(xiàn)機器的平穩(wěn)工作； 3、主動件與被動件無剛性連接，具有過載保護功能； 4、主動件與被動件之間有間隙，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便； 5、可實現(xiàn)直線、旋轉(zhuǎn)、螺旋復合等動作，如位移或角度的二維、三 維機械運動。 6、由于傳動的密封性能好，應用在化工等場所，有利于環(huán)境保護。 磁力傳動技術的有待解決的缺點： 1、磁場的存在干擾周圍環(huán)境； 2、力的傳遞過程容易產(chǎn)生滯后； 3、與接觸性傳遞相比，效率相對較低。 磁力傳動技術于二十世紀 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)動離心泵

16、；由于對泄漏的特殊要求, 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, 六十年代末期開始應用。70 年代后期隨著稀土永磁材料發(fā)展，特別是 稀土鈷和銣鐵硼的發(fā)展，得到快速提高和推廣應用。 鑒于磁力傳動技術的諸多優(yōu)點，研究磁力傳動技術具有重要意義。利 用永磁材料或電磁鐵產(chǎn)生的磁力，可以實現(xiàn)力和轉(zhuǎn)矩無接觸傳遞，實現(xiàn)無 機械連接的耦合。利用磁場透過磁路工作間隙或隔離套的薄壁傳遞轉(zhuǎn)矩， 可以實現(xiàn)動力傳動過程的靜密封狀態(tài)徹底做到零泄露)如果超過負荷，則主 動軸與從動軸會自

17、動脫扣，減輕負荷后又可以復原，對機件無損害。此外， 這種結(jié)構(gòu)主動件與從動件相互無接觸，不存在剛性連接問題，實現(xiàn)工作機 械的平穩(wěn)運作。由此可見， 用磁力來實現(xiàn)的傳動特別適用于高壓系統(tǒng)。 絕對密封系統(tǒng)和高真空系統(tǒng)中的傳動結(jié)構(gòu)。 綜上所述, 磁力傳動從根本上消除了動密封的泄漏通道, 將動密封轉(zhuǎn) 化為靜密封,保證絕對密封, 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。同時因傳動無直接接觸而使噪聲降低, 振動減小。如 果載荷過大, 還會白動滑脫, 有過載保護作用。當采用高矯頑力的永磁材 料時,雖過載滑脫也不會相互退磁, 一旦載荷正常, 內(nèi)、外兩半又協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。 1.1.21.1.2 磁場

18、及磁力的計算機模擬及其研究意義磁場及磁力的計算機模擬及其研究意義 隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，通過計算機模擬可以實現(xiàn)很多以往無法 通過實驗手段直接實現(xiàn)的技術，或者可以使一些無形的實驗現(xiàn)象更加直觀 的展示出來。磁力與磁場正是這樣，無法通過視覺上的直觀觀察進行分析， 所以需要借助計算機軟件進行建模和模擬。意義在于既方便了實驗過程， 節(jié)約試驗成本，直接觀察和直觀的輸出結(jié)果、反復試驗和方便修改數(shù)據(jù)使 也保證了實驗的準確性。 本課題是利用 ansys 有限元分析軟件進行模型的建立和參數(shù)設定， 以及磁力、磁場的模擬，和結(jié)果的計算、輸出。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

19、限元分析軟件。它也是 一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、 電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域： 航空航天、汽車 工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動 器械等。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu) 和材料。 ansys 提供多種分析類型：包括 結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學分析、 結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、 聲場分析、壓電分析等。其中電磁場問題的分析包括，如電感、電容、磁 通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損 失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、

20、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解 槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域，本課題主要應用其磁力、磁場分 布、渦流的分析。 1.2 磁力傳動技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.11.2.1 磁力傳動技術的國外研究狀況磁力傳動技術的國外研究狀況 1940 年英國人 charles 和 geoffrey hwward 首次解決了具有危險性介 質(zhì)化工泵的泄漏問題，解決的方法是用磁力驅(qū)動泵。在以后 30 多年里永 磁傳動技術由于磁性材料的原因進步十分緩慢。1983 年高性能釹鐵硼 （ndfeb）永磁材料的問世，為磁力驅(qū)動泵的快速發(fā)展提供了關鍵部件的 材料。近年來永磁傳動技術已從泵類向其它密封機械擴展，技術上集中

21、于 提高設備的可靠性、抗介質(zhì)腐蝕新材料的研究，流體技術及制造裝配的精 度。磁力泵代表著一個國家制造技術的水平，近年來工業(yè)發(fā)達國家的磁力 泵在效率、壽命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的進展。永 磁傳動技術是將原動機的動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， 取消了動密封，實現(xiàn)無密封、零泄漏。永磁傳動技術主要應用于化學工業(yè)、 石油化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)中的泵和壓縮機、攪拌機與閥門等。目前我國 流體機械大量使用的傳統(tǒng)機械密封在國外的這些部門已逐漸被永磁傳動所 取代。永磁傳動技術的應用領域已經(jīng)愈發(fā)廣泛，技術性能也正在逐步提高

22、。 磁力傳動是密封領域最有效最安全的解決辦法。永磁傳動即永磁聯(lián)軸 器對于需要密封的機械，對有害、有毒、污染、危險、純凈、貴重的產(chǎn)品 和生產(chǎn)過程是最安全的解決方法，它的應用范圍很寬。石油化工、醫(yī)藥、 電影、電鍍、核動力等行業(yè)中的液體大都具有腐蝕性、易燃、易爆、有毒、 貴重，泄漏會帶來工作液體的浪費與環(huán)境污染；真空、半導體工業(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。永磁傳動技術在這 些領域找到了用武之地。英國 howard 機械發(fā)展有限公司(hmd)從 1946 年 就致力于無密封泵的制造，至今在全世界 37 個國家已銷售近 7 萬臺,每年 銷售額達 28 百萬英鎊。美國一家制藥廠

23、有上百個裝有機械密封的離心泵， 處理各種酸類，這些泵由于設計問題常常干運轉(zhuǎn)，僅能使用 2-3 個月就自 行破壞，換用了 ansimag 公司生產(chǎn)的 k1516 系列磁傳動泵，自 1993 年投 入運行（每天操作 4.8 小時每年 365 天）至 1998 年還在運行。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“維護黑夜里的天”安裝了 ansimag 公司的 etfe 襯里無密封磁力泵, 運行 11 個月沒有停機。美國一大型化工廠面臨著輸送甲醇的嚴重困難。 因甲醇易燃，603接近沸騰，流量僅 7m3/h，壓差高達 250m。問題的 解決靠的是 dick

24、ow 磁傳動多級端吸泵，它的流量是 15m3/h，壓差 400m, 確保了甲醇的零泄漏,保證操作人員與工廠的安全，并解決了甲醇中含有氣 泡輸送問題。 為滿足市場需要，磁力傳動的主要機構(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，原動機功率達 350kw。微型泵是專門為某些部門研究開發(fā) 出來的，例如激光器的冷卻、分析儀器的供料、化學劑的補充、生物工程 、冷卻循環(huán)，以至于打印機的噴嘴等。齒輪泵與電機一體化封閉聯(lián)接，適 用 24v、3

25、6v 直流電源，速度人工自動控制。最低流量為 10ml/min，壓差 7bar。日本 iwaki 公司為電鍍、冷卻循環(huán)用的 md 系列微型磁力傳動齒輪 泵的流量范圍是 7.5288l/min，傳動功率 1/251/3 馬力。 各種類型的泵均可改造為磁力傳動泵，離心泵是磁力泵的主導產(chǎn)品， 磁傳動回轉(zhuǎn)位移泵雖有 25 年的歷史，僅近七八年在設計制造水平以及大 扭矩能力方面才有廣泛的基礎。重點是磁力傳動齒輪泵與螺桿泵，最大傳 動能力達 400nm,轉(zhuǎn)速 3500r/min 時功率為 150kw。地處美國邊界猶地州氣 體動力廠，透平壓縮機的潤滑泵是常軌的外嚙合齒輪泵。油泵因高壓差平 均每兩個月便過度磨

26、損而報廢，造成壓縮機關閉。1992 年改用磁傳動三螺 桿泵后，一直連續(xù)運轉(zhuǎn)，不用任何維護。英國 tuthill 成功地應用了它的磁 傳動齒輪泵為 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。 加拿大 nova 磁有限公司生產(chǎn)的超壓風機，在 170bar 氦氣壓力下，泄 漏率小 1cm3/h，軸承壽命超過 10000h。另一系列的加壓風機，自由排放 流量 750m3/h，在 400m3/h 流量時系統(tǒng)壓差 35mpa，實現(xiàn)了零泄漏。此外， 磁傳動的特殊性能同樣應用于無泄漏的攪拌器、閥門等設備。 綜上所述，國外磁力傳動技術發(fā)展比較成熟，不僅體現(xiàn)在技術層面的

27、 先進，更體現(xiàn)在技術水平的革新、新材料的開發(fā)和使用，以及新工藝的探 索和應用、新結(jié)構(gòu)的設計和變革，也還體現(xiàn)在先進的制造技術和合理高效 的管理等方面。21 世紀制造的產(chǎn)品應是符合生態(tài)環(huán)保，與人友好的綠色產(chǎn) 品，磁力傳動技術正是適應這一發(fā)展態(tài)勢，我國應借鑒國外先進經(jīng)驗努力 推動這一技術的發(fā)展。 1.2.21.2.2 磁力傳動技術國內(nèi)研究狀況磁力傳動技術國內(nèi)研究狀況 我國有關磁傳動泵的研究始于上世紀八十年代初。甘肅省科學院磁性 器件研究所也是國內(nèi)最早開展磁傳動泵研制的單位之一,現(xiàn)已有單、多級磁 傳動離心泵的系列產(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

28、. 5kw 以下的耐腐蝕磁傳動泵系列產(chǎn)品。1992 年沈陽水泵廠設計制造 cih 系列磁傳動泵,涉及 29 個規(guī)格,流量: 2150m3/ h ,揚程:3. 5380m ,電機功率 100kw 以下,工作溫度低于 250 。 2001 年勝達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)設備(上海) 有限公司,立足于中國國內(nèi)進行磁傳動泵的研發(fā)生產(chǎn),從而 將世界領先的磁傳動泵技術帶入中國。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都與世界先進水平差距較大,18kw 以下的產(chǎn) 品基本趨于成熟,高效大功率磁傳動泵的研究已做了一些有益的嘗試,并積 累了一定的經(jīng)驗。由航天

29、510 所和蘭州煉油廠等單位共同研制的 75kw 磁傳動丙烷增壓泵,自投入使用后,工作性能穩(wěn)定可靠,可長期使用。由煙臺 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(jié)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(nèi)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。 1.3 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模型 的建立和磁場、磁力的計算機模擬，以及磁力計算和結(jié)果的分析。 具體來

30、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)動是通過銅導體和鋼盤上的永磁體實現(xiàn)由電動機到負載的轉(zhuǎn)矩傳輸。該 技術實現(xiàn)了在驅(qū)動（電動機）和被驅(qū)動（負載）側(cè)沒有機械鏈接。其工作 原理是一端為稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體，和另一端感應磁場相互作用 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)動力的無接觸傳輸。基于該原理，確定其他參數(shù)，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(zhuǎn) 矩發(fā)生變化，由此結(jié)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。 2 2 磁力傳動裝置和永磁材料的選擇磁力傳動裝置和永磁材料的選擇 2.1 磁力傳動技術 2.

31、1.12.1.1 磁力傳動的原理磁力傳動的原理 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(nèi), 通過磁性傳動聯(lián)軸器( l 及 2 ) 將原動機(5 )的運動(或動力) 傳輸?shù)矫荛]的工作機組。其工作原理為，磁性傳動聯(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, 主動軸轉(zhuǎn)動就帶動從動軸旋轉(zhuǎn), 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。

32、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(nèi)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(zhuǎn)運動或往復運動均適用, 如圖 2 所示。 圖 2 往復或旋轉(zhuǎn)運動的傳動形式示意圖 其中旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動磁力傳動 1-主動軸 2-從動軸 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

33、 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 2.1.22.1.2 磁力傳動裝置的分類磁力傳動裝置的分類 目前永磁磁力傳動分為轉(zhuǎn)子式永磁傳動裝置、渦流式永磁驅(qū)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(jié)構(gòu)特點現(xiàn)有產(chǎn)品和研發(fā)狀況 1轉(zhuǎn)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)

34、體 磁力傳動泵、磁力傳動閥門、 磁力增速器或減速器、磁力 調(diào)速器，有的已投入市場應 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(chǎn)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(chǎn) 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(chǎn)品，

35、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(diào)試過程。過載 保護功能。提高了整個電機驅(qū)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(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單，適應各種惡劣環(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)進行改造或用在新建系統(tǒng)。 (9) 應用現(xiàn)場多，已成功應用 2000 套。 2.1.32.1.3 本文所用磁力傳動裝置本文所用磁力傳動裝置 鑒于諸多優(yōu)點，

36、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，所以應該選擇只有一個永磁轉(zhuǎn)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： 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(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)子固定在電動機軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負載轉(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)子可以自由獨立旋轉(zhuǎn)，當 動力側(cè)的銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，銅轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運動，銅轉(zhuǎn)子在磁場中 切割磁力線從

37、而產(chǎn)生渦電流，渦電流產(chǎn)生感應磁場與永磁體相互作用，產(chǎn) 生扭矩，從而帶動負載旋轉(zhuǎn)工作。這樣電動機和負載由原來的硬（機械） 鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛╂溄?，通過調(diào)節(jié)永磁體和銅導體之間的氣隙就可實現(xiàn) 負載軸上的輸出轉(zhuǎn)矩變化，從而實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速變化。由這個原理可以知道， 通過調(diào)整氣隙可以獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復的負載轉(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， 實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，達到減速節(jié)能的效果。 圖 7 渦流式永磁傳動裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1-氣隙 2-電動機軸 3-永磁轉(zhuǎn)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

38、力稀土磁鐵的磁盤所產(chǎn)生的強磁場中切割磁力線時，必然在導磁盤 中產(chǎn)生渦電流，該渦電流在導磁盤上產(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(zhuǎn)方 向上是疊加的，帶動從動轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，有助于獲得更高轉(zhuǎn)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。 2.2 永磁材料 2.2.12.2.1 永磁材料相關介紹永磁材料相關介紹 永磁材料，就是產(chǎn)生磁場的功能材料。

39、在場中自由運動電荷、導體 與半導體內(nèi)電荷會受到洛侖茲力作用，使電子束聚焦，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)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(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(nóng)醫(yī)等各個產(chǎn)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(qū)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

40、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。 2.2.22.2.2 稀土永磁材料稀土永磁材料 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?，F(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

41、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 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 15-30mgoe 之間，ndfeb 系永磁體的磁能積在 27-50 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(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 90.5 噸（smco

42、磁粉） ，主要用于軍工技術。隨著計 算機、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(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到國際先進水 平?，F(xiàn)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、

43、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(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶 來巨大的推動力，也對許多相關產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生相當深遠的影響。 本文選用釹鐵硼（ndfeb）為永磁體材料。 2.2.32.2.3 ndfebndfeb 永磁材料永磁材料 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

44、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(xiàn)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(diào)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（c

45、o） 、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(jié)構(gòu)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%-32.5% 金屬元素鐵 63.95-68.65% 非金屬元素硼 1.1- 1.2% 少量添加鏑 0.6-1.2% 鈮 0.3-0.5% 鋁 0.3-0.5% 銅 0.05-0.15%等。 每類產(chǎn)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 f

46、e 和硼元素的化學符號 b 組成，第二部分為斜線 前的數(shù)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(shù)字，磁極化強度矯頑力值（單位為 ka/m）的十分之 一，數(shù)值采用四舍五入取整。牌號示例：ndfeb380/80 表示（bh）max 為 366398kj/m3,hcj 為 800ka/mr 的燒結(jié)釹鐵硼永磁材料。 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(nèi)稟 矯頑 力 最大磁能積 brhcbhcj(bh)max 回復 磁導 率 材料 牌號 kgstkoeka/mkoemgoekg/m3r n4213-13.41.3- 1.34 11.

47、0- 12.0 867- 955.2 1241-43326-3421.05 n4012.8- 13.2 1.28- 1.32 11.0- 13.0 876- 1035 1239-41310-3261.05 n3812.4- 12.7 1.24- 1.27 12.0- 14.0 955- 1114 1237-39295-3101.05 n3511.9- 12.2 1.19- 1.22 12.0- 14.0 955- 1114 1734-36271-2871.05 n38h12.4- 12.7 1.24- 1.27 17.013531737-39295-3101.05 n35h11.9- 12.2

48、 1.19- 1.22 17.013531734-36271-2871.05 n33h11.5- 11.7 1.15- 1.17 17.013531729-31254-2701.05 n3h10.8- 11.2 1.08- 1.12 17.013531731-33231-2471.05 n33s h 11.3- 11.7 1.13- 1.17 2116721731-33247-2631.05 n30u h 10.8- 11.2 1.08- 1.12 25.019901729-31231-2471.05 n26u h 10.5- 10.9 1.05- 1.09 25.0 19901726-282

49、07-223 n38s h 12.9- 13.3 1.29- 1.33 21.016722140-36318-287 2.3 磁力計算的基本原理 2.3.12.3.1 傳統(tǒng)電磁理論磁力計算原理傳統(tǒng)電磁理論磁力計算原理 對本文模型下的磁場進行動力學分析。根據(jù)理論力學，機構(gòu)在某一個 方向上的力等于在該方向上的能量梯度，即 i i w f q 其中，w 表示的是機構(gòu)的能量 qi 表示的是在 i 方向上的坐標 fi 表示的是在 i 方向上的力 這個公式是計算磁力的基本公式，磁力包括吸引力和排斥力吸引力。 當一塊永磁鐵和另一塊磁鐵之間相互作用，兩者之間的間隙是 lg，永磁鐵 的面積是 ag，氣隙的磁通密

50、度為 bg，并且假設在兩者之間的氣隙很小的 時候，氣隙的磁通密度是均勻的。在氣隙中能量可以表達為： 2 0 2 ggg b a l w 或者表達為 2 8 ggg b a l w 根據(jù)上式對其在 i 方向進行求偏導，有 2 0 2 gg b a f 其中，f 表示的是吸引力 bg 表示的是氣隙磁通密度 ag 表示的是永磁體的面積 0 表示的是在真空條件下絕對磁導率， 7 410/h m 同理也可以得到吸引力公式： 2 8 gg b a f 其中，f 表示的是吸引力 bg 表示的是氣隙磁通密度 ag 表示的是永磁體的面積 為方便計算，可以把以上公式改寫成： () 4965 g g b fa 其中

51、，f 表示的是吸引力的大小 bg 表示的是氣隙磁通密度 ag 表示的是永磁體的面積 根據(jù)庫侖定律可以得知，吸引力和排斥力在數(shù)值上是相等的。 01 2 1 4 m q qm f r 根據(jù)上式可以看出，當 qm1 和 qm2 為同號的時候，f 的取值為正；當 qm1 和 qm2 的取值為異號時候，f 取值為負值。當 f 去正值時為排斥力， 當 f 取值為負值時為吸引力。 2.3.22.3.2 轉(zhuǎn)矩的計算轉(zhuǎn)矩的計算 本文研究的永磁傳動機構(gòu)的磁場屬于同軸圓筒型耦合磁場，可以表述 為:當鋼盤上永磁體的磁極與銅盤上的感應渦流所代表的磁極出現(xiàn)一定偏 移角度，永磁體磁極 n 極對感應渦流磁極 s 極有著一定的

52、拉動作用，使得 感應渦流磁極有一個跟著永磁體磁極一起旋轉(zhuǎn)的趨勢；此時永磁體磁極 n 極對感應渦流磁極的 n 極同樣具有一定的推力，使兩者具有遠離的趨勢。 當永磁體磁極 n 極正好處于感應渦流磁極的兩極之間，此時產(chǎn)生的推力達 到最大，進而能夠帶動磁極轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。 假設每個磁體的端面都是由 m 個磁鐵塊組裝，磁極的安裝是按照正 反交替排列的。當磁極兩端由于自動吸引使得 n、s 極相對，此時機構(gòu)靜 止。隨著錯位角度的增加，傳遞的轉(zhuǎn)矩也就逐漸增大。傳遞的圓周力 f 主 要是由兩方面組成，一方面是主動磁極對磁極的吸引力 f1，另一方面是主 動磁極對磁極的排斥力 f2。所以傳動的轉(zhuǎn)矩就可以表示成： 1 n

53、 i tfr 其中，r 表示的是磁環(huán)的平均直徑。 上述為磁力計算的基本原理，表述了磁力中吸引力和排斥力的計算以 及轉(zhuǎn)矩的計算。如今，以永磁材料為核心的永磁裝置或用來產(chǎn)生磁場，或 用來提供力學服務，所以磁場力的計算是永磁裝置設計和使用中的一項重 要內(nèi)容。尤其是在磁選、吸合工具等行業(yè)常常要進行以永磁材料為磁場源 的磁場力的計算。由于實用化的永磁材料尤其是第三代永磁材料釹鐵硼出 現(xiàn)相對較晚，基于傳統(tǒng)電磁理論的磁場力計算主要針對的是電磁力，即電 磁鐵磁場力的計算。同時用傳統(tǒng)電磁理論進行磁場力計算時，如要保證精 度則計算相當復雜或根本無法計算，公式法計算磁場力簡單方便，但相關 參數(shù)難以準確估計，誤差較大

54、，因而大大限制了它的實用價值。磁場力的 精確計算需應用數(shù)值分析方法，如有限元法、有限差分法等，其中發(fā)展較 成熟的是有限元法。 3 3 影響磁力的材料幾何尺寸計算機模擬研究影響磁力的材料幾何尺寸計算機模擬研究 3.1 ansys 有限元分析軟件 有限元法是基于建立起來的數(shù)字模型，用現(xiàn)代數(shù)學方法求解有關微分 方程定解問題，并對求解結(jié)果進行處理和解釋的一種數(shù)學方法?？晒┐艌?有限元分析的計算機軟件很多，本課題采用美國 swansonanalysis system 的 ansys。 ansys 有限元軟件處理計算機模擬研究問題的一般步驟為： 1） 建立幾何單元模型。本文則包括所涉及的三種材料：永磁體、

55、空 氣、銅盤的 3 種單元模型； 2） 將材料參數(shù)進行定義，即給上述三種單元模型賦值； 3） 根據(jù)不同的模型要求選定所需的單元類型，建立起模型； 4） 給各個幾何模型模塊賦予材料屬性和單元屬性； 5） 對幾何模型進行網(wǎng)格劃分； 6） 根據(jù)物理問題的不同給問題施加載荷，并指定邊界條件(定解條件)； 7） 選用合適的求解器和求解參數(shù)對問題進行求解； 8） 運用后處理程序按需要查看不同的求解結(jié)果。 其中，在 ansys 中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在 不同的分析領域中有不同的表征，但基本上可以分為 6 大類：自由度約束、 力（集中載荷） 、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。具體

56、如下： 1） 自由度約束（dof constraints）:將給定的自由度用已知量表示。 例如在結(jié)構(gòu)分析中約束是指位移和對稱邊界條件，而在熱力學分析中則指 的是溫度和熱通量平行的邊界條件。 2） 力（集中載荷） （force）：是指施加于模型節(jié)點上的集中載荷或 者施加于實體模型邊界上的載荷。例如結(jié)構(gòu)分析中的力和力矩，熱力分析 中的熱流速度，磁場分析中的電流段。 3） 面載荷（surface load）:是指施加于某個面上的分布載荷。例 如結(jié)構(gòu)分析中的壓力，熱力學分析中的對流和熱通量。 4） 體載荷（body load）:是指體積或場載荷。例如需要考慮的重力， 熱力分析中的熱生成速度。 5） 慣

57、性載荷（inertia loads）:是指由物體的慣性而引起的載荷。 例如重力加速度、角速度、角加速度引起的慣性力。 6） 耦合場載荷（coupled-field loads）:是一種特殊的載荷，是考 慮到一種分析的結(jié)果，并將該結(jié)果作為另外一個分析的載荷。例如將磁場 分析中計算得到的磁力作為結(jié)構(gòu)分析中的力載荷。 ansys 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處 理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方 便地構(gòu)造有限元模型； 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非 線性分析） 、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及

58、多 物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及 優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、 粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等 圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 3.2 基于 ansys 的磁場和磁力的計算機模擬 3.2.13.2.1 前處理前處理 前處理是指創(chuàng)建實體模型即及有限元模型，它包括建立實體模型、定 義單元屬性、劃分網(wǎng)格、模型修正等幾個方面的內(nèi)容。 1） 創(chuàng)建物理環(huán)境 首先工作環(huán)境的選擇，如圖 9 所示， 圖 9 工作環(huán)境 2） 在建立模型之前需要對模型進行屬性定義 單元

59、模型選取的是 solid98 單元，solid98 為四面體耦合場實體單 元，solid98 是一種 10 節(jié)點的四面體單元，它是 8 節(jié)點 solid5 的高階單 元。本單元存在二次位移形函數(shù)，適合建立不規(guī)則的網(wǎng)格模型(例如由各 種 cad/cam 系統(tǒng)生成的網(wǎng)格模型)。 本單元由 10 個節(jié)點定義，每個節(jié)點有 6 個自由度。三維的磁場、溫 度場、電場、壓電場及結(jié)構(gòu)場功能為具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、 大變形、大應變等。 圖 10 單元模型選取 定義材料的屬性，圖 11 所示 圖 11 定義材料的屬性 3） 建立模型并且進行網(wǎng)格劃分，如圖 12 圖 12 氣隙磁場模型 對其進行網(wǎng)格劃分，

60、圖 13 所示 圖 13 網(wǎng)格劃分 上圖所示為主動盤和從動盤以及永磁體模型，在具體環(huán)境中還需要考 慮到氣隙中的空氣，加入空氣模型的機構(gòu)模型為（圖 14）： 圖 14 加入空氣模型的機構(gòu)模型 劃分網(wǎng)格后如圖 15 所示： 圖 15 劃分網(wǎng)格 3.2.23.2.2 分析計算分析計算 分析計算前應設定實驗初始值及變量。 1） 本文所研究核心內(nèi)容為永磁體的尺寸對磁力的影響，故計算機模 擬實驗中的不變量為：永磁體的材料、永磁體磁極數(shù)目、氣隙寬度、銅環(huán) 的規(guī)格和尺寸、鋼盤的規(guī)格和尺寸、電動機轉(zhuǎn)速。 為了更加接近設備運行實際情況，永磁材料選用第 3 代釹鐵硼永磁體， 銅材質(zhì)選用黃銅 h62 規(guī)格，鋼盤選用