基于Ansys Maxwell的非接觸式磁力驅動機構的仿真優化研究

龔儉龍，江美霞

（1.廣東交通職業技術學院機電工程學院，廣東 廣州 510800；2.廣州城市職業學院信息工程學院，廣東 廣州 510000）

隨著工業技術的日益發展，非接觸式磁力驅動是一種新型的傳動技術，可以實現力或力矩的無接觸傳遞，避免了剛性接觸與摩擦所帶來的能量損耗，將動密封轉變成為靜密封，保證了工作介質之間不相互滲透，實現真正意義上的零泄漏。因此，該技術被廣泛應用于航天、軍工、石化、醫療、輕工、食品等行業，如對環保與密封具有高要求、嚴標準的化工行業，輸送或混合腐蝕性高、有毒、易燃和貴重液體，它一方面，提高了原料運輸的利用效率；另一方面，有效控制了有毒、有害、易燃易爆等化學介質的泄漏對環境的污染，提高了生產過程的安全性，具有較佳的實用經濟價值。非接觸式磁力驅動技術將工程機械與電磁力學相結合，它利用電磁場能夠穿透過工作間隙或隔磁套薄壁的性質來傳遞力或力矩，實現了驅動磁轉子裝置和從動磁轉子裝置之間相互獨立。同時，非接觸式磁力驅動技術結構簡單且自帶過載保護機制，在對中安裝要求低、減震效果好等方面的優勢大大提高了系統運行的可靠性以及使用壽命，因此，也具有較高實用研究價值。本文提出，兩種非接觸式磁力驅動旋轉機構，先在三維建模軟件solidworks中創建幾何模型，再利用ANSYS Maxwell軟件對兩種非接觸式磁力驅動機構進行磁力特性仿真，比較兩種機構輸出磁轉矩的性能差異，從而為非接觸式磁力驅動機構的優化設計提供參考依據。

1 磁力驅動機構有限元模型的建立

1.1 工作原理

非接觸式磁力驅動機構是由驅動輪、從動輪、永磁體、氣隙和旋轉軸組成，驅動輪和從動輪上包含磁體盤和永磁體。驅動輪與驅動源相連，磁體盤切割永磁體的磁感線，根據法拉第電磁感應定律，在磁體盤上產生渦流進而產生了磁場阻礙原磁場的變化。驅動輪和從動輪之間存在一定的氣隙間距，永磁體均勻鑲嵌在驅動輪和從動輪的磁體盤上，永磁體采用軸向充磁，N、S磁級采用相互交替布置形式，磁通從磁極N出發，經軸向通過驅動輪、從動輪之間氣隙和導體部分，回到相鄰S極，在磁體上閉合形成回路。通過磁場之間的同性相斥異性相吸的相互作用使得作用在驅動輪對從動輪的力矩進行了疊加，會產生連續的旋轉驅動轉矩，從而驅動輪的轉矩傳遞到從動輪側。

1.2 幾何模型的建立

非接觸式磁力驅動機構簡化后模型如圖1所示，它是由驅動輪、從動輪和永磁體組成。

圖1 兩種磁力驅動機構模型

模型中，驅動輪和從動輪是軸向上下放置，兩種方案的永磁體個數分別為12對和18對，其中12對永磁體之間的徑向夾角是10°，18對永磁體之間的徑向夾角是0°，永磁體均布在驅動輪和從動輪磁體盤的永磁槽上，驅動輪與從動輪的氣隙間距為5mm。為了簡化問題研究，作以下假設和簡化，（1）零件材料各向同性，永磁體均勻磁化；（2）對磁力驅動機構簡化為由驅動輪、從動輪和永磁體組成；（3）永磁體性能不隨溫度變化；（4）不考慮零件的振動以及變形忽略部件實際運動時的變形。

1.3 材料模型的選擇與建立

非接觸式磁力驅動機構采用釹鐵硼作為永磁體的材料，此材料需要進行單獨的設置，其矯頑力為-880000A/m、剩磁Br=1.18T，在定義了永磁材料的磁性能后，還需要對其電導率進行設置，在Bulk Conductivity（體積電導率）后輸人625000。永磁盤的材料設置為Steel 1010，設置被動激勵源，band域和求解域Region設置為vacuum（真空）。

2 仿真結果分析

2.1 磁場分析

利用ANSYS Maxwell有限元軟件，分別對兩種非接觸式磁力驅動機構的模型進行磁特性仿真分析，得出磁感應強度分布圖如圖2和圖3所示。兩種方案的仿真結果云圖空氣中有一定的磁力線，說明系統存在一定的漏磁現象，也說明驅動輪與從動輪之間的相互作用有一定的距離范圍。兩種方案仿真結果模型中，磁力線是由驅動輪上的永磁體N極出發，經過永磁鐵回到從動輪S極，旋轉驅動裝置的交互方向的前一個位置磁感應強度大于后一個位置的，磁力驅動機構是通過兩個相互作用的磁場傳遞力矩，會產生連續的旋轉驅動轉矩，所以可以使從動輪沿著旋轉軸進行旋轉運動，從磁感應強度云圖驗證了本仿真設置的準確性和本實驗驗證的可行性。

圖2 方案1磁感應強度分布云圖

圖3 方案2磁感應強度分布云圖

2.2 磁力分析

通過ANSYS Maxwell有限元軟件分析，得到非接觸式磁力驅動機構的磁場分布云圖，可觀察到驅動輪和從動輪在交互磁場作用下所受到的磁轉矩。該非接觸式驅動裝置中，驅動輪與從動輪所受的作用力是相互的。在仿真過程中，以驅動輪為參照物。圖4為方案一中從動輪轉矩隨時間變化的周期特性曲線，方案一從動輪轉動一周可分為12個周期，其沿著旋轉軸旋轉驅動時，其在一個周期內從動輪的轉矩由最大值減小到最小值然后增加最大值，且方案一從動輪的最大磁轉矩為1.25Nm；圖5為方案二中從動輪磁轉矩隨時間變化的周期特性曲線，方案二從動輪轉動一周可分為18個周期，其沿著旋轉軸旋轉驅動時，其在一個周期內從動輪的磁轉矩由最大值減小到最小值然后增加最大值，且方案二從動輪的最大磁轉矩為1.6Nm。

圖4 方案1驅動輪與從動輪的轉矩周期特性曲線

圖5 方案2驅動輪與從動輪的轉矩周期特性曲線

3 結語

本文提出了兩種由驅動輪、從動輪、永磁體、氣隙和旋轉軸組成的非接觸式磁力驅動機構，先在solidworks軟件中創建三維幾何模型，并利用ANSYS Maxwell仿真軟件分析了驅動輪和從動輪之間的磁場特性以及其磁力特性，比較了兩種機構輸出磁轉矩的性能差異。仿真結果表明驅動輪與從動輪所受的作用力是相互的，驅動輪和從動輪之間可以產生連續的周期驅動轉矩，且驅動轉矩趨于周期穩定。驅動輪和從動輪旋轉的轉矩存在一定的周期波動，在一個周期內，從動輪的轉矩先由最大值減小到最小值然后再增加到最大值，其中方案一從動輪的最大磁轉矩為1.25Nm，方案二從動輪的最大磁轉矩為1.6Nm，方案二最大磁轉矩相比方案一增大28%，方案二永磁體體積相比方案一增大50%。從而可知方案二輸出的最大磁轉矩優于方案一，但方案二中的永磁體個數、體積和成本也明顯高于方案一。該研究結果可為非接觸式磁力驅動機構后續的優化設計提供參考，可以考慮驅動輪和從動輪的永磁體布置形式、永磁體形狀、個數、間距等因素對非接觸式磁力驅動機構性能的影響，具有重要的現實指導意義。