磁力泵結(jié)構(gòu)及工作原理的介紹

　　1磁力泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與葉輪一起固定在泵軸；外磁轉(zhuǎn)子與電機(jī)相連接。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，外磁轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于外磁轉(zhuǎn)子與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子相互之間的磁作用力，使得內(nèi)磁轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉輪一起旋轉(zhuǎn)。

　　2.Halbach陣列介紹

　　20世紀(jì)80年代，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Klaus Halbach教授提出了一種永磁體陣列Halbach陣列<6>。隨后的10年里，Halbach陣列被許多研究機(jī)構(gòu)相繼應(yīng)用于粒子加速器，自由電子激光裝置，同步輻射裝置，真空設(shè)備，磁懸浮技術(shù)等高能物理領(lǐng)域<7>。

　　基于當(dāng)前的生產(chǎn)加工工藝，要獲得理想Halbach陣列需要整體環(huán)形充磁。由于利用現(xiàn)有的技術(shù)對(duì)整體工藝還不夠完善，因此在絕大多數(shù)的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，都采用分段拼裝方式的分段式Halbach陣列<8>。

　　Halbach陣列使得陣列的內(nèi)部磁場(chǎng)加強(qiáng)，同時(shí)陣列的外部磁場(chǎng)得到削弱。同理，通過磁體的不同排列，可以得到外部磁場(chǎng)加強(qiáng)，內(nèi)部磁場(chǎng)削弱的陣列。內(nèi)磁轉(zhuǎn)子采用這種陣列，可以加強(qiáng)磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到增大磁傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞轉(zhuǎn)矩的目的。

　　3幾何模型的建立及材料屬性

　　磁極為24極。R1=35mm，R2=45mm，R3 =55mm，R4=58mm，R5=68mm，R6=78mm.內(nèi)，外軛鐵的磁導(dǎo)率取4000H/m；磁體磁導(dǎo)率取1.1H/m，矯頑力取Hc=870000A/m；空氣的磁導(dǎo)率取1.0 H/m.

　　4磁場(chǎng)力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法

　　4.1電磁場(chǎng)基本方程麥克斯韋方程組是支配所有宏觀磁現(xiàn)象的一組基本控制方程。由以下4個(gè)微分方程組成<9>：D=v E=-B t B=0 H=J+ D t式中：D為電位移（或稱電通密度），C/m2；v為單位體積中的電荷，即電荷體密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（或稱磁通密度），T；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；J為電流密度，A/m2。

　　以上4個(gè)微分方程也分別稱為：高斯電通定律，法拉第電磁感應(yīng)定律，高斯磁通定律以及安培環(huán)路定律（或稱全電流定律）。

　　以上的微分方程并不能得到確定的解，還有與材料相關(guān)的本構(gòu)方程（或稱電磁性能關(guān)系式）：D=E B=H在電源以外區(qū)域，有：J=E式中：，和分別為介電常數(shù)，F(xiàn)/m，磁導(dǎo)率，H/m，電導(dǎo)率，S/ m.　　 4.2力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

　　經(jīng)典電磁理論提供了麥克斯韋應(yīng)力法，虛位移法等解析計(jì)算方法等<10>。

　　4.2.1麥克斯韋應(yīng)力法

　　經(jīng)過有限元分析，通過已經(jīng)得到個(gè)單元的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，只有適當(dāng)選定封閉曲面，通過上式就可求出作用在S面所包圍磁性體上的合力及轉(zhuǎn)矩。

　　4.2.2虛位移法根據(jù)虛功原理，當(dāng)磁場(chǎng)能量用磁鏈表示時(shí)，處于磁場(chǎng)中的物體受到的作用力及轉(zhuǎn)矩可由下式計(jì)算：fg=- Wm g 140磁力泵Halbach陣列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元分析叢小青王利偉白濱等M=- Wm #式中：Wm為所研究系統(tǒng)的磁場(chǎng)能量；g為廣義坐標(biāo)；#為角度坐標(biāo)。

　　當(dāng)媒介為線性時(shí)有：Wm= 1 2#v HBdv+ 1 2s HAds 5數(shù)值模擬數(shù)值模擬過程為二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，利用Ansoft有限元分析軟件來進(jìn)行模擬計(jì)算。麥克斯韋方程組通過簡(jiǎn)化可以得到二維瞬態(tài)磁場(chǎng)的計(jì)算方程：vA=J- A t -v+Hc式中：Hc為永磁體的矯頑力；v為運(yùn)動(dòng)物體的速度；A為磁矢量；J為電流密度。

　　模擬過程保持外磁轉(zhuǎn)子固定，使內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來計(jì)算內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩大小。此模擬去除了隔離套，只考慮磁轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)效應(yīng)。而只有隔離套的渦流損失與轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，因此模擬過程中內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以任意設(shè)定，不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩的大小有影響。這里，我們?cè)O(shè)其轉(zhuǎn)速為360/s.瞬態(tài)計(jì)算總時(shí)間為1s，每0.001s做一次求解。對(duì)內(nèi)，外軛鐵施加磁通量平衡條件。

　　6模擬結(jié)果及分析

　　分別對(duì)傳統(tǒng)陣列，緊密陣列和Halbach陣列進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用Ansoft商用軟件的二維瞬態(tài)分析模塊。

　　6.1傳統(tǒng)陣列

　　傳統(tǒng)陣列內(nèi)磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的變化曲線圖，取其一個(gè)變化周期。對(duì)于傳統(tǒng)陣列，一個(gè)變化周期的轉(zhuǎn)角為30.從轉(zhuǎn)矩圖可以看出個(gè)大轉(zhuǎn)矩值為T=4380Nm/m，其轉(zhuǎn)角為7.5（即實(shí)際工作中內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角差為7.5）。對(duì)于磁力轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況，取磁塊軸向長(zhǎng)度L=40mm，則實(shí)際傳動(dòng)大轉(zhuǎn)矩值Tmax=TL=175.2Nm.

　　6.2緊密陣列

　　取一個(gè)變化周期。一個(gè)變化周期的轉(zhuǎn)角為60.個(gè)大轉(zhuǎn)矩值處的位移角為15，轉(zhuǎn)矩值為4720Nm/m，對(duì)于磁力轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況，取磁塊長(zhǎng)度為40mm，則實(shí)際傳動(dòng)大轉(zhuǎn)矩值為188.8Nm.圖8緊密陣列轉(zhuǎn)矩變化曲線（取一個(gè)周期）

　　6.3Halbach陣列（每極4段）

　　一個(gè)變化周期的轉(zhuǎn)角為60.個(gè)大轉(zhuǎn)矩值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角差為15處，轉(zhuǎn)矩值為5400Nm/m，取磁塊長(zhǎng)度為40 mm，則實(shí)際工作的大轉(zhuǎn)矩為216Nm.Halbach陣列（每極4段）轉(zhuǎn)矩變化曲線（取一個(gè)周期）

　　6.4分析

　　目前，磁力泵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要使用傳統(tǒng)陣列和緊密陣列。從模擬結(jié)果來看緊密陣列與傳統(tǒng)陣列相比，緊密陣列只有約7.8的提升，而Halbach陣列能提高約23.3.因此，Halb ach陣列對(duì)提高磁體利用率有著非常重要的作用。使得高轉(zhuǎn)矩磁力泵的設(shè)計(jì)也成為可能。

　　同時(shí)，Halbach陣列具有磁屏蔽作用。外磁轉(zhuǎn)子在空氣中磁通量線閉合在磁陣列內(nèi)部。因此，使用Halb ach陣列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以減小軛鐵的厚度，甚至可以取消軛鐵。對(duì)于取消軛鐵的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)性能將得到提升。

　　7結(jié)語

　　（1）通過數(shù)值模擬，分析傳統(tǒng)陣列，緊密陣列，Halbach陣列的大轉(zhuǎn)矩值，得出緊密陣列與傳統(tǒng)陣列相比提高約7.8，Halbach陣列與傳統(tǒng)陣列相比提高約23.3.

　�。�2）Halbach陣列具有磁屏蔽作用，使用Halbach陣列可以減小軛鐵的厚度，從而提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)性能。

　�。�3）本文未考慮隔離套對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。實(shí)際工作中，金屬隔離套在交變的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生渦流損失。因此，今后有必要對(duì)于金屬隔離套的渦流損失進(jìn)行深入的研究。