基于maxwell 的10kw標準型磁力耦合器的建模設計

韓笑　蔣欣卓

【摘 要】磁力耦合器在現代工業中的出現，對能源節約的實現發揮著越來越重要的作用。在電動機和負載之間安裝磁力耦合器，不僅可以實現軟起動、隔振以及惡劣條件下的無機械連接傳動，而且可以獲得優越的調速性能。本文將對10kw標準型磁力耦合器的建模過程進行分析。首先，掌握磁力耦合器的結構特點，對磁力耦合器的運行原理進行學習，分析磁力耦合器實體結構及設計圖紙，研究各部件的設計參數對運行效果的影響，對模型的結構尺寸進行設計。其次，利用Ansoft Maxwell軟件依據已經設計的參數，在三維環境下建立磁力耦合器的模型。整個過程為磁力耦合器的優化設計提供參考依據。

【關鍵詞】磁力耦合器 Ansoft Maxwell 建模設計

1 課題研究的背景

傳統機械式傳動結構可以保持傳動比恒定，能保證大功率運行及其他運行優勢，但是，卻存在系統性能受到過多因素影響的缺陷，比如，在傳動過程中，由于主動件與從動件之間的直接接觸，會產生磨損、噪聲和振動等不良效果；由于對潤滑和裝配精度要求較高，使得實施密封的措施過于復雜等[1-4]。磁力耦合器作為傳動設備在工程上的應用，在實現優良調速性能、提高傳動效率的基礎上，可以在很大程度上節約能源，并實現了主動件與從動件完全分離，簡化了機械結構，形成了無直接接觸的傳動結構，能夠在高粉塵、高諧波、振動、易燃易爆等惡劣環境中正常運行，并極大的減小了磨損、振動、噪聲等各種故障的發生頻率，有效的節約了維修經費[5]。

2 磁力耦合器的結構與原理

磁力耦合器結構簡單，呈左右對稱式結構，主要由輸入端安裝盤、導磁體、嵌入永磁體的磁體安裝盤、磁體蓋板以及輸出端安裝盤等部件構成，其中兩個端蓋與兩個導磁體通過機械聯接固定，并與電機驅動軸連接構成主動轉子；嵌入永磁體的磁體安裝盤與負載軸連接構成從動轉子。主動轉子與從動轉子之間存在可調節大小的空氣間隙。磁力耦合器在運行過程中，驅動電機和負載之間的聯接沒有直接接觸。

磁力耦合器主要由主動部分與從動部分組成，驅動側的導磁體和負載側的磁體安裝盤之間存在空氣間隙，并可自由、獨立的轉動。當驅動側導磁體轉動時，與磁體安裝盤上的永磁體在滑差存在的情況下產生相對運動，導磁體通過切割磁感線，可以在表面產生渦流，而渦流產生的感應磁場在永磁場作用下，會帶動負載側磁體安裝盤轉動，在負載輸出軸上產生扭矩，最終實現磁力耦合傳動。

3 磁力耦合器建模流程分析

本文使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell 16.0對磁耦合器進行模型設計與建立，研究中只是單純對磁力耦合器的結構與運行的狀態進行分析，因此本設計中對于驅動電機、負載電機、基座以及控制箱等其他輔助設備都進行了忽略處理：

（1）考察實際設備結構，搜尋設備設計圖紙及相關數據；（2）應用軟件Ansoft Maxwell 16.0在三維立體空間內對磁力耦合器的各個部件進行模型的建立；（3）對磁力耦合器各個部件進行細節處理。

由于實體磁力耦合器完全進行拆解存在一定的困難，因此只能通過對外輪廓進行測量，并參考已有型號的設計圖紙數據自行進行相關設計

4 磁力耦合器各組成部分的建模

啟動Maxwell程序，執行菜單命令Project/Insert Maxwell 3Ddesign，或者單擊工程欄上方對應的按鈕，建立Maxwell 3D分析類型，對新建的工程重新命名，調整三維繪圖區坐標系的位置和放大比例，執行菜單命令Modeler/Units，進行單位設置，選取“mm”。

4.1 輸入端安裝盤的建模

（1）參考已有型號設備，查找部件的尺寸數據并記錄；（2）選取三維空間坐標原點（0，0，0），設置輸入端安裝盤外徑尺寸為116mm，在xoy平面內繪制輸入端安裝盤底面外圓邊界，重新命名為“duangai1”；（3）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設定高度為7mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）選取三維空間坐標原點（0，0，0），輸入內圓半徑29.5mm，在xoy平面內繪制圓柱底面外圓邊界；（5）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設定高度為7mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能將前后兩個圓柱體作函數運算；（7）材料屬性的設置，在軟件材料庫中可以直接為已建立的模型賦予屬性，如果不能在材料庫找到滿意的材料，還可以根據個人需求進行自定義材料的建立。使用【material name】功能，將輸入端安裝盤材料屬性賦為“stell_1010”，在【Properties】功能中選取灰色進行填涂，完成輸入端安裝盤立體結構的建立。

4.2 導磁體的建模

（1）參考已有型號設備，查找部件的尺寸數據并記錄；（2）選取端蓋頂端平面（0，0，7）作為基準面，以99mm為半徑為繪制導磁體外圓邊界，重新命名為“tognhuan1”；（3）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設定高度為5mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）選取輸入端安裝盤頂端平面（0，07）作為基準面，輸入圓柱體半徑50mm，在與xoy面平行的平面內繪制圓柱體底面外圓邊界；（5）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設定高度為5mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能將前后兩個圓柱體作函數運算；（7）使用【material name】功能，將導磁體材料屬性賦為“copper”，在【Properties】功能中選取黃色進行填涂，完成導磁體立體結構的建立。

4.3 磁體安裝盤的建模

（1）參考已有型號設備，查找部件的尺寸數據并記錄；（2）留取高度為3mm空氣間隙如圖2.5所示；（3）以z軸高度為15mm在與xoy面平行的平面內繪制半徑為90mm的磁體安裝盤底面外圓邊界，重新命名為“lvpan”；（4）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（5）選取磁體安裝盤底面所在平面（0，0，15）作為基準面，輸入內徑30mm，在與xoy面平行的平面內繪制圓柱體底面外圓邊界；（6）使用【Cover Lines】功能將空心圓填充后，設定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（7）使用【Subtract】功能將前后兩個圓柱體作函數運算，得到一個環形柱體；（8）分別在磁體安裝盤底面坐標為（0，70，15）處，繪制以y軸為對稱軸的圓形，其半徑為10mm；（9）使用【Cover Lines】功能將圓形填充后，設定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（10）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁體安裝盤內部將上一步中得到的圓柱體均勻陣列，選取z軸為中心軸，設定角度【Angle】為20，【Total number】為18。（11）使用【Subtract】功能將柱狀體與18個圓柱體作函數運算，在磁體安裝盤中留取永磁體空間；（12）使用【material name】功能賦予材料屬性為“aluminum”，在【Properties】功能中選取紅色進行填涂，完成磁體安裝盤立體結構的建立。

4.4 永磁體的建模

（1）參考已有型號設備，設計永磁體尺寸；（2）在磁體安裝盤底面坐標為（0，70，20）處，繪制圓形，半徑為10mm（3）在與磁體安裝盤底面平行的平面（0，0，20）處，使用【Cover Lines】功能將圓形填充后，設定高度為26mm，在z軸正方向使用【Along Vector】功能拉伸。（4）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁體安裝盤內部將上一步中得到的圓柱體通過陣列可以得到均勻分布的數個磁極，精確建模的同時節省了大量時間。選取中心軸“Axis”為z軸，設定角度“Angle”為20，總數“Total number”為18，由此嵌入在磁體安裝盤內部的永磁體結構構建完成。（5）設定永磁體材料以及極化方向。為了讓每兩個相鄰的永磁體產生磁回路，對于不相鄰的永磁體，需要設置同一種充磁方向相同的磁體材料，其余的永磁體要設置另一種充磁方向相反的磁體材料，根據個人的模型需要，磁體可以按照不同的幾種方向進行充磁，包括沿著X軸的正向和反向進行充磁，沿著Y軸的正向和反向進行充磁，沿著Z軸的正向和反向進行充磁。在本模型中磁體的充磁方向是沿著Z軸的正向和反向充磁。選取編號為奇數的9個磁極，使用【material name】功能設定材料為第三代銣鐵硼材料“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分別做出設定“X Component”的值為0，“Y Component”的值為0，“Z Component”的值為1，由此設置部分永磁體正向充磁；選取編號為偶數的9個永磁體，使用【material name】功能設定材料為“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分別做出設定“X Component”的值為0，“Y Component”的值為0，“Z Component”的值為-1，設置其余永磁體反向充磁，將全部永磁體按照兩種相反的方向進行充磁，在【Properties】功能中選取灰色進行填涂，完成永磁體立體結構的建立。

4.5 建模完成

磁體蓋板的建模與輸出端安裝盤的建模與之前過程一致，至此，磁力耦合器虛擬模型的設計與構建已經基本完成，如圖2.9，其中主要部件的具體參數如下：

輸入端安裝盤與輸出端安裝盤，外徑為116mm，內徑為29.5mm，高度為7mm，材料為“stell_1010”；導磁體與磁體蓋板，外徑為99mm，內徑為50mm，高度為5mm，材料為“copper”；空氣間隙高度為3mm；永磁體安裝盤外徑為90mm，內徑為30mm，高度為26mm，材料為“aluminum”；永磁體半徑為10mm，高度為26mm，材料為“NdFe35”。

5結語

磁力耦合器結構簡單，性能優良，在生產研發中受到了越來越廣泛的關注。本文主要做了以下工作：

（1）對磁力耦合器相關知識進行理論學習，查閱文獻，掌握其主要結構，對特定型號器件的設計圖紙進行研究；（2）學習計算機軟件，在虛擬三維空間建立模型，優化設計參數；

參考文獻：

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作者簡介：韓笑（1993.10—），男，山東濟南人，工作單位：大連海事大學，職務：本科生，研究方向：機械。