1、中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）中文题目影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究英文题目ACOMPUTERSIMULATIONSTUDYOFMAGNETICIMPACTBYMATERIALSGEOMETRICPARAMETERS姓名学号0811340213学院机电与信息工程学院专业材料科学与工程班级2008级2班指导教师职称研究员完成日期2012年6月8日中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书学院机电与信息工程学院专业材料科学与工程班级2008级2班学号0811340213学生姓名任务下达日期2011年12月30日完成日期2011年6月8日题目影响磁力的材料几何参数计算机模拟研
2、究专题题目磁力软启动技术研究主要内容和要求主要内容了解磁力传动的基本组成，掌握磁场及磁力的计算机模拟方法，研究材料的尺寸对径向及轴向磁力的影响规律，初步具备分析问题和解决问题的能力。要求1、了解磁力传动的基本组成，掌握磁场及磁力的计算机模拟方法。2、了解磁力计算的基本原理以及磁力传动的国内外发展现状以及发展趋势。3、研究材料尺寸对径向及轴向磁力的影响规律。4、撰写毕业设计论文。院长签字指导教师签字中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书学院机电与信息工程学院专业材料科学与工程班级2008级2班学生姓名题目影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究专题题目磁力软启动技术研究指导教师评语
3、成绩指导教师签名年月日中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书学院机电与信息工程学院专业材料科学与工程班级2008级2班学生姓名题目影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究专题题目磁力软启动技术研究评阅教师评语成绩评阅教师签名年月日中国矿业大学（北京）2011届本科生毕业设计（论文）答辩及综合成绩学院机电与信息工程学院学生姓名学号0811340213专业材料科学与工程班级2008级2班题目影响磁力的材料几何参数计算机模拟研究专题题目磁力软启动技术研究设计说明书（论文）页，图纸张,其它材料答辩情况提出问题回答问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误回答不清答辩成绩答辩小组长年月日指导
4、教师评价成绩指导教师年月日评阅教师评价成绩评阅教师年月日答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任年月日学院领导小组综合评价成绩学院领导小组负责人年月日摘要随着永磁磁力传动技术的发展，其实际应用中的问题也逐渐凸现出来。尤其是如何在节约成本和符合工程实际的条件下更高效率的传动转矩的问题仍有待解决。本课题就是针对永磁磁力传动装置中永磁体尺寸的选择问题做计算机模拟研究。本文首先对主要的磁力传动装置作了简单说明和比较，确定涡流式永磁磁力传动装置为研究对象，简单论述了磁力传动的基本组成，以及磁力计算的基本原理，并对国内外磁力传动技术的发展现状及趋势做了简单总结，同时对永磁材料做了简单介绍和比较。本文以ANS
5、YS有限元分析软件为基础，对涡流式永磁磁力传动装置进行建模，并对其磁场和磁力进行计算机模拟，进一步分析计算永磁体的尺寸对传动装置径向和轴向磁力的影响规律，得出了永磁体几何参数与轴向磁力和径向磁力的关系曲线图，完成了影响磁力的材料几何参数的计算机模拟研究，对磁力软启动技术的学习和研究有一定的指导意义。关键词磁力传动；磁场及磁力计算机模拟；永磁材料；几何参数对磁力的影响ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFPERMANENTMAGNETICDRIVETECHNOLOGY,PRACTICALAPPLICATIONISSUESAREBECOMINGINCREASINGLYSTANDO
6、UTINPARTICULAR,HOWTOGETAMOREEFFICIENTTRANSMISSIONTORQUEMEANWHILESAVINGCOSTSANDINLINEWITHACTUALCONDITIONSISAPROBLEMREMAINTOBERESOLVEDTHISISSUEISACOMPUTERSIMULATIONSTUDYOFTHECHOICEFORTHESIZEOFTHEPERMANENTMAGNETPERMANENTMAGNETICGEARTHISPAPERLISTSTHEMAINMAGNETICGEARANDGIVEABRIEFDESCRIPTIONANDCOMPARISONA
7、LSOGIVEABRIEFINTRODUCTIONOFPERMANENTMAGNETMATERIALSTHISPAPERISBASEDONTHEANSYSFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREBULDINGMODELSOFEDDYCURRENTPERMANENTMAGNETICGEARANDMADEACOMPUTERSIMULATIONOFMAGNETICFIELDANDMAGNETIC,ANDANALYSISOFTHEIMPACTOFSIZEONTHECALCULATIONOFPERMANENTMAGNETGEARRADIALANDAXIALMAGNETICLAWOBTA
8、INEDTHEGRAPHOFTHERELATIONSHIPBETWEENTHEGEOMETRICPARAMETERSOFTHEPERMANENTMAGNETANDAXIALMAGNETICANDRADIALMAGNETICCOMPLETEDACOMPUTERSIMULATIONSTUDYOFTHEGEOMETRICALPARAMETERSAFFECTONTHEMAGNETICFORCEANDGIVEAGUIDANCESIGNIFICANCETOTHELEARNINGANDRESEARCHOFMAGNETICSOFTSTARTTECHNOLOGYKEYWORDSMAGNETICDRIVEMAGN
9、ETICCOMPUTERSIMULATIONPERMANENTMAGNETMATERIALSTHEEFFECTOFGEOMETRICPARAMETERS目录1绪论111选题背景及意义1111磁力传动技术及其研究意义1112磁场及磁力的计算机模拟及其研究意义212磁力传动技术的国内外发展现状3121磁力传动技术的国外研究状况4122磁力传动技术国内研究状况613本文的研究内容72磁力传动装置和永磁材料的选择821磁力传动技术8211磁力传动的原理8212磁力传动装置的分类10213本文所用磁力传动装置1222永磁材料15221永磁材料相关介绍15222稀土永磁材料15223NDFEB永磁材料17
10、23磁力计算的基本原理18231传统电磁理论磁力计算原理18232转矩的计算203影响磁力的材料几何尺寸计算机模拟研究2231ANSYS有限元分析软件2232基于ANSYS的磁场和磁力的计算机模拟23321前处理24322分析计算27323后处理294结论33参考文献34致谢36英文原文37中文译文57中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文11绪论11选题背景及意义111磁力传动技术及其研究意义任何机器均由动力机、传动装置和工作机三部分组成。其中位于动力机与工作机之间，担负传递动力和改善动力特性的装置称为传动装置。传统的传动装置有机械传动、电气传动和流体传动三种。近些年来，永磁磁力传动技
11、术异军突起，发展迅速，以其特有的优势逐渐形成一种新的传动形式，应当引起我们的重视。磁力传动是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，实现力或转矩（功率）无接触传递的一种技术，实现这一技术的装置，称为磁力驱动器，或称磁力传动器、磁力耦合器、磁力联轴器等。磁力传动技术的优点1、将力的轴传递动力的动密封转化为静密封，实现动力的零泄漏传递；2、可避免振动传递，实现机器的平稳工作；3、主动件与被动件无刚性连接，具有过载保护功能；4、主动件与被动件之间有间隙，结构简单，维护方便；5、可实现直线、旋转、螺旋复合等动作，如位移或角度的二维、三维机械运动。6、由于传动的密封性能好，应用在化工
12、等场所，有利于环境保护。磁力传动技术的有待解决的缺点1、磁场的存在干扰周围环境；2、力的传递过程容易产生滞后；3、与接触性传递相比，效率相对较低。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文2磁力传动技术于二十世纪30年代起开始有研究，但限于磁性材料的制约，发展缓慢；50年代，为解决工业泵泄漏问题，工业界重视开发磁力驱动离心泵；由于对泄漏的特殊要求,或恶劣的工作条件如辐射或低温,或苛刻的操作条件如超高真空装置的高温烘烤,以及密封介质与被封介质之间的相容性方面存在的问题等,在五十年代末期国外提出了磁力传动,六十年代末期开始应用。70年代后期随着稀土永磁材料发展，特别是稀土钴和铷铁硼的发展，得到快
13、速提高和推广应用。鉴于磁力传动技术的诸多优点，研究磁力传动技术具有重要意义。利用永磁材料或电磁铁产生的磁力，可以实现力和转矩无接触传递，实现无机械连接的耦合。利用磁场透过磁路工作间隙或隔离套的薄壁传递转矩，可以实现动力传动过程的静密封状态彻底做到零泄露如果超过负荷，则主动轴与从动轴会自动脱扣，减轻负荷后又可以复原，对机件无损害。此外，这种结构主动件与从动件相互无接触，不存在刚性连接问题，实现工作机械的平稳运作。由此可见，用磁力来实现的传动特别适用于高压系统。绝对密封系统和高真空系统中的传动结构。综上所述,磁力传动从根本上消除了动密封的泄漏通道,将动密封转化为静密封,保证绝对密封,安全可靠,开辟
14、了恶劣工作条件或苛刻操作条件下的密封新方法。同时因传动无直接接触而使噪声降低,振动减小。如果载荷过大,还会白动滑脱,有过载保护作用。当采用高矫顽力的永磁材料时,虽过载滑脱也不会相互退磁,一旦载荷正常,内、外两半又协调运转。112磁场及磁力的计算机模拟及其研究意义中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文3随着现代计算机技术的发展，通过计算机模拟可以实现很多以往无法通过实验手段直接实现的技术，或者可以使一些无形的实验现象更加直观的展示出来。磁力与磁场正是这样，无法通过视觉上的直观观察进行分析，所以需要借助计算机软件进行建模和模拟。意义在于既方便了实验过程，节约试验成本，直接观察和直观的输出结果
15、、反复试验和方便修改数据使也保证了实验的准确性。本课题是利用ANSYS有限元分析软件进行模型的建立和参数设定，以及磁力、磁场的模拟，和结果的计算、输出。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它也是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。ANSYS提供多种分析类型包括结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、
16、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等。其中电磁场问题的分析包括，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域，本课题主要应用其磁力、磁场分布、涡流的分析。12磁力传动技术的国内外发展现状中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文4121磁力传动技术的国外研究状况1940年英国人CHARLES和GEOFFREYHWWARD首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题，解决的方法是用磁力驱动泵。在以后30多年里永磁传动技术由于磁性材料的原因进步十分缓慢。1
17、983年高性能钕铁硼（NDFEB）永磁材料的问世，为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。近年来永磁传动技术已从泵类向其它密封机械扩展，技术上集中于提高设备的可靠性、抗介质腐蚀新材料的研究，流体技术及制造装配的精度。磁力泵代表着一个国家制造技术的水平，近年来工业发达国家的磁力泵在效率、寿命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的进展。永磁传动技术是将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件，内外磁部件由隔离罩分开，从而工作轴无须伸出所要封闭的空间，取消了动密封，实现无密封、零泄漏。永磁传动技术主要应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的泵和压缩机、搅拌机与阀门等。目前
18、我国流体机械大量使用的传统机械密封在国外的这些部门已逐渐被永磁传动所取代。永磁传动技术的应用领域已经愈发广泛，技术性能也正在逐步提高。磁力传动是密封领域最有效最安全的解决办法。永磁传动即永磁联轴器对于需要密封的机械，对有害、有毒、污染、危险、纯净、贵重的产品和生产过程是最安全的解决方法，它的应用范围很宽。石油化工、医药、电影、电镀、核动力等行业中的液体大都具有腐蚀性、易燃、易爆、有毒、贵重，泄漏会带来工作液体的浪费与环境污染；真空、半导体工业要防止外界气体的侵入饮食、医药要保证介质的纯净卫生。永磁传动技术在这些领域找到了用武之地。英国HOWARD机械发展有限公司HMD从1946年就致力于无密封
19、泵的制造，至今在全世界37个国家已销售近7万台,每年销售额达28百万英镑。美国一家制药厂有上百个装有机械密封的离心泵，中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文5处理各种酸类，这些泵由于设计问题常常干运转，仅能使用23个月就自行破坏，换用了ANSIMAG公司生产的K1516系列磁传动泵，自1993年投入运行（每天操作48小时每年365天）至1998年还在运行。美国中西部的容器板厂，合成苛性纳是回转叶片泵密封的极大问题,这里的工程师称这些泵是维护黑夜里的天安装了ANSIMAG公司的ETFE衬里无密封磁力泵,运行11个月没有停机。美国一大型化工厂面临着输送甲醇的严重困难。因甲醇易燃，603接近沸
20、腾，流量仅7M3/H，压差高达250M。问题的解决靠的是DICKOW磁传动多级端吸泵，它的流量是15M3/H，压差400M,确保了甲醇的零泄漏,保证操作人员与工厂的安全，并解决了甲醇中含有气泡输送问题。为满足市场需要，磁力传动的主要机构磁力泵正在向大型化发展，目前磁力泵的发展极限应由HMD公司的产品来描述流量由1M3/H到681M3/H，压差由10M到500M，温度范围由100到450，系统压力从真空到400BAR，原动机功率达350KW。微型泵是专门为某些部门研究开发出来的，例如激光器的冷却、分析仪器的供料、化学剂的补充、生物工程、冷却循环，以至于打印机的喷嘴等。齿轮泵与电机一体化封闭联接，
21、适用24V、36V直流电源，速度人工自动控制。最低流量为10ML/MIN，压差7BAR。日本IWAKI公司为电镀、冷却循环用的MD系列微型磁力传动齿轮泵的流量范围是75288L/MIN，传动功率1/251/3马力。各种类型的泵均可改造为磁力传动泵，离心泵是磁力泵的主导产品，磁传动回转位移泵虽有25年的历史，仅近七八年在设计制造水平以及大扭矩能力方面才有广泛的基础。重点是磁力传动齿轮泵与螺杆泵，最大传动能力达400NM,转速3500R/MIN时功率为150KW。地处美国边界犹地州气体动力厂，透平压缩机的润滑泵是常轨的外啮合齿轮泵。油泵因高压差平均中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文6每两
22、个月便过度磨损而报废，造成压缩机关闭。1992年改用磁传动三螺杆泵后，一直连续运转，不用任何维护。英国TUTHILL成功地应用了它的磁传动齿轮泵为SCOTTISH公司的过程水系统中泵入添加剂，该泵取代了螺杆泵，符合卫生安全条例。加拿大NOVA磁有限公司生产的超压风机，在170BAR氦气压力下，泄漏率小1CM3/H，轴承寿命超过10000H。另一系列的加压风机，自由排放流量750M3/H，在400M3/H流量时系统压差35MPA，实现了零泄漏。此外，磁传动的特殊性能同样应用于无泄漏的搅拌器、阀门等设备。综上所述，国外磁力传动技术发展比较成熟，不仅体现在技术层面的先进，更体现在技术水平的革新、新材
23、料的开发和使用，以及新工艺的探索和应用、新结构的设计和变革，也还体现在先进的制造技术和合理高效的管理等方面。21世纪制造的产品应是符合生态环保，与人友好的绿色产品，磁力传动技术正是适应这一发展态势，我国应借鉴国外先进经验努力推动这一技术的发展。122磁力传动技术国内研究状况我国有关磁传动泵的研究始于上世纪八十年代初。甘肃省科学院磁性器件研究所也是国内最早开展磁传动泵研制的单位之一,现已有单、多级磁传动离心泵的系列产品投入使用。1989年,温州工科所等5家泵厂组建了南方磁力泵联营公司,生产185KW以下的耐腐蚀磁传动泵系列产品。1992年沈阳水泵厂设计制造CIH系列磁传动泵,涉及29个规格,流量
24、2150M3/H,扬程35380M,电机功率100KW以下,工作温度低于250。2001年胜达因公司的母公司美国汉胜公司在上海莘庄工业区成立了汉胜工业设备上海有限公司,立足于中国国内进行磁传动泵的研发生产,从而将世界领先的磁传动泵技术带入中国。但总体来看国内的研制水平,不论从中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文7研发的力度还是制造工艺水准都与世界先进水平差距较大,18KW以下的产品基本趋于成熟,高效大功率磁传动泵的研究已做了一些有益的尝试,并积累了一定的经验。由航天510所和兰州炼油厂等单位共同研制的75KW磁传动丙烷增压泵,自投入使用后,工作性能稳定可靠,可长期使用。由烟台水泵厂研制
25、的75KW磁传动离心泵,1996年7月通过了山东科委组织的专家鉴定,测试性能达到了设计要求,运行结果令人满意。甘肃省科学院磁性器件研究所研制的的磁传动泵的最大功率已达185KW,流量为150M3/H,扬程为380M,为国内磁传动泵的进一步发展进行了积极的探索,作出了应有的贡献。13本文的研究内容本文的主要研究内容是基于ANSYS有限元分析软件的磁力传动模型的建立和磁场、磁力的计算机模拟，以及磁力计算和结果的分析。具体来说，本课题采用涡流式永磁磁力耦合模型，涡流永磁磁力耦合驱动是通过铜导体和钢盘上的永磁体实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动（电动机）和被驱动（负载）侧没有机械链接。其
26、工作原理是一端为稀有金属氧化物硼铁钕永磁体，和另一端感应磁场相互作用产生转矩，从而实现动力的无接触传输。基于该原理，确定其他参数，当改变永磁体的尺寸时，由于铜盘上感应磁场会发生变化，导致所传递的转矩发生变化，由此结果便可进一步分析永磁体材料的尺寸对磁力的影响规律。本文即研究永磁体的尺寸变化对径向及轴向磁力的影响。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文82磁力传动装置和永磁材料的选择21磁力传动技术211磁力传动的原理磁力传动技术的基本原理如图1所示,工作机组3完全封闭在机罩4内,通过磁性传动联轴器L及2将原动机5的运动或动力传输到密闭的工作机组。其工作原理为，磁性传动联轴器分内、外两半一
27、外永磁体法兰1和内永磁体法兰2,它们均由永磁材料按一定的要求制作,两法兰不直接接触,其间存在间隙,而永磁体各自的磁场透过器壁而相互作用,依同性相斥,异性相吸,主动轴转动就带动从动轴旋转,如前者停止运动,后者立即受到制约而停止。这样,轴无需穿通密封系统器壁而获得了运动或动力的传递。这是磁力传动的最基本最简单的原理。图1磁力传动示意图1外永磁体2内永磁体3工作机组4全封闭机罩5原动机磁力传动对旋转运动或往复运动均适用,如图2所示。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文9图2往复或旋转运动的传动形式示意图其中旋转运动的磁力传动又分轴向磁力和径向磁力传动两种。图3A表示轴向磁力传动,主动轴1上安
28、装一个法兰盘,其上镶嵌几块永磁体,极性为轴向,N与S极相间排列,从动轴2上亦然。图3B,表示径向磁力传动。（A）B图3旋转运动磁力传动1主动轴2从动轴中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文10从永磁体的配置上又分为分散型和组合型磁路,示于图4。图A为分散型磁路,其尺寸大,耗功大,传递功率较小。随着新型永磁材料的研制,如稀土类永磁,性能优良,可密集排列磁体,七十年代中期出现组合型磁路,利用磁极间同性相斥推力和异性相吸拉力的作用,使尺寸较小,而传递功率较大。图4分散型与组合型磁路212磁力传动装置的分类中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文11目前永磁磁力传动分为转子式永磁传动装置、涡
29、流式永磁驱动装置、永磁离合器和永磁磁悬浮装置4种，详见下表。表1永磁磁力传动装置分类表序号分类结构特点现有产品和研发状况1转子式由主动磁组件、被动磁组件和隔离套三部分组成，三组件是同心的圆环体磁力传动泵、磁力传动阀门、磁力增速器或减速器、磁力调速器，有的已投入市场应用，有的尚在研发2涡流式由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成，铜转子和永磁转子为圆盘式的有限矩型、延时型、调速型磁力耦合器多种产品，已投入市场使用3离合式由主动磁盘、被动磁盘及控制器三部分组成，主动件和被动件均为圆盘式永磁离合器、永磁制动器，有的产品已投入市场使用4磁悬浮式有圆周磁悬浮和直线导轨磁悬浮两种磁力轴承、无轴承电动机及磁悬
30、浮导轨等，有的形成产品，有的正在研发其中涡流式永磁传动装置具有以下优点1总成本最低。2维护工作量小，几乎为免维护产品，维护费用极低。3容忍较大的安装对中误差（5MM）。大大简化了安装调试过程。过载保护功能。提高了整个电机驱动系统的可靠性，完全消除了系统因过载而中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文12导致的损害现象。4带缓冲的软启动/软制动（刹车）。5节能效果显著。节电率达到2566。6使用寿命长，设计寿命30年,减震效果好。7结构简单，适应各种恶劣环境。对环境友好，不产生污染物，不产生谐波。8体积小，安装方便，可方便地对现有系统进行改造或用在新建系统。9应用现场多，已成功应用2000套
31、。213本文所用磁力传动装置鉴于诸多优点，且联系本课题所研究的主要内容，即改变永磁材料的尺寸对磁力的影响，所以应该选择只有一个永磁转子的涡流式永磁传动装置。其传动装置仿真模型如图5所示图5涡流式永磁传动装置二维展开示意图如下图所示中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文13图6涡流式永磁磁力传动装置二维模型示意图涡流式永磁磁力传动装置的基本结构如图7所示。由图中可见，涡流式永磁磁力耦合驱动器主要由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成。铜转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，铜转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙）。装置中铜转子和磁转子可以自由独立旋转，当动力侧的铜转子旋转时，铜转子和
32、磁转子产生相对运动，铜转子在磁场中切割磁力线从而产生涡电流，涡电流产生感应磁场与永磁体相互作用，产生扭矩，从而带动负载旋转工作。这样电动机和负载由原来的硬（机械）链接转变为软（磁）链接，通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。由这个原理可以知道，通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速，永磁调速就是通过调节磁转子与铜转子之间气隙的大小，控制传递扭矩的大小，实现负载转速的调节，达到减速节能的效果。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文14图7涡流式永磁传动装置结构示意图1气隙2电动机轴3永磁转子4铜导体盘5负载轴其磁感应原理与
33、异步电动机的原理基本相同，当电动机带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线时，必然在导磁盘中产生涡电流，该涡电流在导磁盘上产生反感磁场，拉动导磁盘与磁盘作相对运动。如下图所示图8磁路耦合原理图铜环通过切割永磁体的磁感线，在其表面产生涡流，形成感应磁场。这些涡流可以等效的看成是在铜环表面的一个个小磁极，如图8所示。根据同性相斥、异性相吸的原理，相邻感应磁场对永磁体的作用力在旋转方向上是叠加的，带动从动转子同步转动，有助于获得更高转矩。同时，轴向作用力可以相互减轻甚至抵消，对支撑轴承的寿命有利。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文1522永磁材料221永磁材料相关介绍永
34、磁材料，就是产生磁场的功能材料。在场中自由运动电荷、导体与半导体内电荷会受到洛仑兹力作用，使电子束聚焦，实现能量转换；导体在磁场中运动时，由于法拉第效应，会使导体感生电压；两个磁荷之间相互作用，便产生库仑力，引起磁耦合、磁分离、磁悬浮等现象。根据磁力的不同对象和作用原理，可将永磁材料用于不同的领域。永磁材料的应用十分普遍，小到儿童玩具、文件夹，大到人造卫星、宇宙飞船、磁悬浮列车；从每个家庭、办公室，到工农医等各个产业部门，随处都可以见到永磁材料的应用。例如，电动玩具、电动扬声器、立体声耳机，计算机磁盘驱动器和打印机，微波炉加热用磁控管等。不同的应用领域，自然需采用不同的磁路设计，需要使用不同性
35、能、不同形状及尺寸的永磁体，以保证达到需要的气隙磁场。但是，无论是哪一类应用，都与永磁材料的剩余磁通密度B和矫顽力H有直接的关系。所以，我们总希望材料的B、H值越高越好。当然，在具体的应用中，材料成本也是一个必须考虑的重要因素。从这点来看，开发性能价格比高的材料，始终是永磁材料研发人员努力的方向。222稀土永磁材料稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成的合金用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。现分为第一代（RECO5）、第二代（RE2TM17）和第三代稀土永磁材料（NDFEB）。新的稀土过渡金属系和稀土铁氮系永磁合金材料正在开发研制中，有可能成为新一代稀土永磁合金。稀土永
36、磁材料已在机械、电子、仪表和医疗等领域获得了广泛中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文16应用。稀土永磁分钐钴（SMCO）永磁体和钕铁硼（NDFEB）系永磁体，其中SMCO磁体的磁能积在1530MGOE之间，NDFEB系永磁体的磁能积在2750MGOE之间，被称为“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。钐钴永磁体，尽管其磁性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐和昂贵的稀缺战略金属钴，因此，它的发展受到了很大限制。我国稀土永磁行业的发展始于60年代末，当时的主导产品是钐钴永磁，目前钐钴永磁体世界销售量为630吨，我国为905吨（SMCO磁粉），主要用于军工技术。随着计算机、通讯等产业的发展，稀
37、土永磁特别是NDFEB永磁产业得到了飞速发展。稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。目前
38、稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗法大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。本文选用钕铁硼（NDFEB）为永磁体材料。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文17223NDFEB永磁材料钕铁硼中含有大量的稀土元素钕、铁及硼，其特性硬而脆。由于表面极易被氧化腐蚀，钕铁硼必须进行表面涂层处理。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种具有极高的磁能积和矫顽力
39、，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。钕铁硼的优点是性价比高，具良好的机械特性；不足之处在于居里温度点低，温度特性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，才能达到实际应用的要求。钕铁硼永磁材料主要成分为稀土（RE）、铁（FE）、硼（B）。其中稀土ND为了获得不同性能可用部分镝（DY）、镨（PR）等其他稀土金属替代，铁也可被钴（CO）、铝（AL）等其他金属部分替代，硼的含量较小，但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用，使得化合物具有高饱和磁化强
40、度，高的单轴各向异性和高的居里温度。第三代稀土永磁钕铁硼是当代磁体中性能最强的永磁体，它的主要原料有稀土金属钕29325金属元素铁63956865非金属元素硼1112少量添加镝0612铌0305铝0305铜005015等。每类产品按最大磁能积大小划分若干个牌号。钕铁硼永磁材料的牌号由主称和2种磁特性三部分组成，第一部分为主称，由钕元素的化学符号ND，铁元素的化学符号FE和硼元素的化学符号B组成，第二部分为斜线前的数字，是材料最大磁能积（BH）MAX的标称值（单位为KJ/M3），第三部分为斜线后的数字，磁极化强度矫顽力值（单位为KA/M）的十分之一，数值采用四舍五入取整。牌号示例NDFEB380
41、/80表示（BH）MAX为366398KJ/M3,HCJ为800KA/MR的烧结钕铁硼永磁材料。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文18表2铷铁棚磁铁牌号及属性材料牌号剩余磁感应强度磁感矫顽力内禀矫顽力最大磁能积回复磁导率BRHCBHCJBHMAXKGSTKOEKA/MKOEMGOEKG/M3RN4213134131341101208679552124143326342105N401281321281321101308761035123941310326105N381241271241271201409551114123739295310105N35119122119122120140
42、9551114173436271287105N38H1241271241271701353173739295310105N35H1191221191221701353173436271287105N33H1151171151171701353172931254270105N3H1081121081121701353173133231247105N33SH113117113117211672173133247263105N30UH1081121081122501990172931231247105N26UH1051091051092501990172628207223N38SH129133129
43、133210167221403631828723磁力计算的基本原理231传统电磁理论磁力计算原理对本文模型下的磁场进行动力学分析。根据理论力学，机构在某一个中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文19方向上的力等于在该方向上的能量梯度，即IIWFQ其中，W表示的是机构的能量QI表示的是在I方向上的坐标FI表示的是在I方向上的力这个公式是计算磁力的基本公式，磁力包括吸引力和排斥力吸引力。当一块永磁铁和另一块磁铁之间相互作用，两者之间的间隙是LG，永磁铁的面积是AG，气隙的磁通密度为BG，并且假设在两者之间的气隙很小的时候，气隙的磁通密度是均匀的。在气隙中能量可以表达为202GGGBALW或者
44、表达为28GGGBALW根据上式对其在I方向进行求偏导，有202GGBAF其中，F表示的是吸引力BG表示的是气隙磁通密度AG表示的是永磁体的面积0表示的是在真空条件下绝对磁导率，7410/HM同理也可以得到吸引力公式28GGBAF中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文20其中，F表示的是吸引力BG表示的是气隙磁通密度AG表示的是永磁体的面积为方便计算，可以把以上公式改写成4965GGBFA其中，F表示的是吸引力的大小BG表示的是气隙磁通密度AG表示的是永磁体的面积根据库仑定律可以得知，吸引力和排斥力在数值上是相等的。01214MQQMFR根据上式可以看出，当QM1和QM2为同号的时候，F
45、的取值为正；当QM1和QM2的取值为异号时候，F取值为负值。当F去正值时为排斥力，当F取值为负值时为吸引力。232转矩的计算本文研究的永磁传动机构的磁场属于同轴圆筒型耦合磁场，可以表述为当钢盘上永磁体的磁极与铜盘上的感应涡流所代表的磁极出现一定偏移角度，永磁体磁极N极对感应涡流磁极S极有着一定的拉动作用，使得感应涡流磁极有一个跟着永磁体磁极一起旋转的趋势；此时永磁体磁极N极对感应涡流磁极的N极同样具有一定的推力，使两者具有远离的趋势。当永磁体磁极N极正好处于感应涡流磁极的两极之间，此时产生的推力达到最大，进而能够带动磁极转子的旋转。假设每个磁体的端面都是由M个磁铁块组装，磁极的安装是按照正反中
46、国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文21交替排列的。当磁极两端由于自动吸引使得N、S极相对，此时机构静止。随着错位角度的增加，传递的转矩也就逐渐增大。传递的圆周力F主要是由两方面组成，一方面是主动磁极对磁极的吸引力F1，另一方面是主动磁极对磁极的排斥力F2。所以传动的转矩就可以表示成1NITFR其中，R表示的是磁环的平均直径。上述为磁力计算的基本原理，表述了磁力中吸引力和排斥力的计算以及转矩的计算。如今，以永磁材料为核心的永磁装置或用来产生磁场，或用来提供力学服务，所以磁场力的计算是永磁装置设计和使用中的一项重要内容。尤其是在磁选、吸合工具等行业常常要进行以永磁材料为磁场源的磁场力的计算
47、。由于实用化的永磁材料尤其是第三代永磁材料钕铁硼出现相对较晚，基于传统电磁理论的磁场力计算主要针对的是电磁力，即电磁铁磁场力的计算。同时用传统电磁理论进行磁场力计算时，如要保证精度则计算相当复杂或根本无法计算，公式法计算磁场力简单方便，但相关参数难以准确估计，误差较大，因而大大限制了它的实用价值。磁场力的精确计算需应用数值分析方法，如有限元法、有限差分法等，其中发展较成熟的是有限元法。中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文223影响磁力的材料几何尺寸计算机模拟研究31ANSYS有限元分析软件有限元法是基于建立起来的数字模型，用现代数学方法求解有关微分方程定解问题，并对求解结果进行处理和解
48、释的一种数学方法。可供磁场有限元分析的计算机软件很多，本课题采用美国SWANSONANALYSISSYSTEM的ANSYS。ANSYS有限元软件处理计算机模拟研究问题的一般步骤为1）建立几何单元模型。本文则包括所涉及的三种材料永磁体、空气、铜盘的3种单元模型；2）将材料参数进行定义，即给上述三种单元模型赋值；3）根据不同的模型要求选定所需的单元类型，建立起模型；4）给各个几何模型模块赋予材料属性和单元属性；5）对几何模型进行网格划分；6）根据物理问题的不同给问题施加载荷，并指定边界条件定解条件；7）选用合适的求解器和求解参数对问题进行求解；8）运用后处理程序按需要查看不同的求解结果。其中，在A
49、NSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。具体如下1）自由度约束（DOFCONSTRAINTS）将给定的自由度用已知量表示。例如在结构分析中约束是指位移和对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。2）力（集中载荷）（FORCE）是指施加于模型节点上的集中载荷或者中国矿业大学北京2012届本科生毕业设计论文23施加于实体模型边界上的载荷。例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。3）面载荷（SURFACELOAD）是指施加于某个面上的分布载荷。例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。4）体载荷（BODYLOAD）是指体积或场载荷。例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。5）惯性载荷（INERTIALOADS）是指由物体的惯性而引起的载荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的惯性力。6）耦合场载荷（COUPLEDFIELDLOADS）是一种特殊的载荷，是考虑到一种分析的结果，并将该结果作为另外一个分析的载荷。例如将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。ANSYS软件主要包括三个部分前处理模块，分析计算模块和后处理模块
