磁粉性能对磁粉离合器特性影响分析研究

王 程 常思勤

1.南京理工大学，南京，210094 2.淮阴工学院，淮安，223003

0 引言

磁粉作为磁粉离合器传递转矩的工作介质，其性能是影响磁粉离合器工作特性的重要因素之一。笔者在前人研究成果的基础上，对磁粉离合器磁粉材料进行了系统研究，分析了磁粉性能参数对磁粉离合器性能的影响，探索通过提高磁粉材料软磁性能来提高磁粉离合器性能的工作途径。

1 磁粉离合器工作原理及机理分析

1.1 磁粉离合器工作原理

磁粉离合器基本结构如图1所示，主要由主动件、从动件、磁粉、励磁线圈等部件组成。当励磁线圈断电时，主动件旋转，磁粉在离心力的作用下紧压在主动件工作表面上，与从动件没有接触，磁粉离合器主动件、从动件处于分离状态；当励磁线圈通入直流电时，磁粉在励磁线圈产生的磁场的作用下连接成“磁粉链”，离合器依靠磁粉自身的结合力及磁粉与主动件和从动件工作表面之间的摩擦力实现转矩的传递。

1.2 转矩传递工作机理

磁粉离合器传递转矩的大小由工作面半径、工作面面积、工作气隙大小、磁粉性能等因素确定。磁粉离合器通电后，磁极对磁粉形成的电磁力为

式中，S为垂直于磁通的工作间隙总截面面积（工作面面积），m2；B为工作间隙中的磁感应强度，T；H为工作间隙中的磁场强度，A／m；μ为磁粉磁导率。

设磁粉间的摩擦因数为f，有效工作面积系数为λ，工作间隙数目为m，工作面半径为r，则传递转矩为

在磁粉离合器基本结构不变的情况下，参数λ、f、S、r基本保持不变，取K＝λfr S／2，则式（2）可进一步简化为

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由磁路欧姆定律知

式中，U为激磁磁势；N为线圈匝数；I为激磁电流，A；J为励磁电流密度，A／mm2；A为励磁线圈断面面积，mm2；Ф为磁粉间隙的总磁通量；Rδ为工作间隙磁粉磁阻；Ri为磁路磁阻。

忽略边路漏磁，此时

又有

式中，Lδ为磁粉间隙长度。

由式（3）～式（6）可知，磁粉离合器基本结构参数固定后，磁粉的磁性能决定着磁粉离合器的转矩传递性能。

2 磁粉基本性能

2.1 磁性能

磁粉的磁性能与磁粉离合器工作特性密切相关，为保证磁粉离合器具有强的转矩传递能力和小的剩余空转转矩，要求磁粉具有大的磁感应强度和磁导率，小的矫顽力和剩磁。

材料化学成分是决定磁粉磁性能的首要因素，研究表明，在铁中加入适量的镍可以增大磁粉的磁导率和磁感应强度，减小矫顽力；加入适量钴可以使合金获得大的磁感应强度［5］。

磁粉松装密度是影响磁粉磁性能的另一因素，磁粉松装密度愈大，其颗粒间的空气间隙愈小，其磁感应强度和磁导率就愈大，磁粉离合器转矩传递能力就越强、越稳定。文献［6］研究分析了磁粉填充密度对磁粉磁性能的影响关系。研究结果表明，磁粉磁感应强度随磁粉填充密度的增加而增大，磁粉相对实材密度与相对实材磁感应强度之间呈近似比例关系。

2.2 磁粉粒径及其配比

磁粉粒径及其配比对离合器转矩传递性能有着较大的影响。文献［7］研究报道了磁粉离合器磁粉粒径与传递转矩的关系。研究表明，受运转离心力影响，磁粉粒径过大，会削弱磁粉离合器转矩传递能力；磁粉粒径过小，磁粉离合器工作间隙中连接的磁粉颗粒就会过多，使磁粉离合器转矩传递性能不稳定，磁粉的平均粒径一般按其工作间隙的1／16来确定。文献［8］对磁粉00Cr13NiMo进行了配比试验研究。结果显示，粒径配比方法对磁粉松装密度和磁性能产生一定的影响，采用正三角法配比可使磁粉获得最佳的磁性能，从而提高磁粉离合器转矩传递性能。

2.3 流动性

磁粉流动性对离合器转矩传递性能也有着较大的影响。通常采用标准漏斗法［9］测定磁粉流动性。磁粉流动性越好，磁粉离合器转矩传递响应越快，转矩传递稳定性也越好，磁粉离合器表现出来的转矩传递性能就越佳［10］。磁粉流动性与磁粉的球形度密切相关，球形度越高，磁粉流动性就越好，有利于提高磁粉离合器的快速响应性，磁粉球形度高还有助于减小磁粉与工作面间的摩擦，减少磨损，形成稳定的转矩传递“磁粉链”，提升磁粉离合器转矩传递能力和稳定性。目前使用较多的是椭球形磁粉，国外磁粉产品粉体的70%呈土豆状，30%呈球形。

2.4 耐久性

磁粉耐久性是指磁粉在磁粉离合器台架试验中磁粉离合器力矩降至初始值70%所用时间。耐久性越好，磁粉离合器转矩传递稳定性就越好。

磁粉离合器是靠磁粉间电磁力形成的摩擦力来传递转矩的一种磁力机械产品。在滑差运行工况下，磁粉间产生滑动摩擦损耗，因此，磁粉耐磨性要好，以保证磁粉离合器在长时间的滑差工作状态下稳定运行。滑动摩擦同时产生功率损耗热量，因此，磁粉要有一定的耐热性，要求磁粉在500～600℃的高温下无明显氧化，不烧结成团，并且其磁性能在温度变化范围内必须不改变，即具有良好的热稳定性，以保持离合器的性能稳定。

3 仿真设计

3.1 分析方法

以麦克斯韦方程为理论基础的磁场设计计算是磁粉离合器设计工作的核心，常用方法有磁路法和场域法。磁路法是现有磁力驱动机构和设备普遍使用的工程设计方法，较成熟，但精度不高，只能用于近似设计。场域法是综合考虑磁阻、漏磁、边缘效应、涡流损失等因素的影响，对磁场进行精细分析的一种方法，但计算方法较复杂，多采用数值法求解，其中最具代表性的是有限元法数值计算方法。

3.2 磁粉离合器分析模型

3.2.1 几何模型

磁粉离合器为典型的轴对称结构，为减少分析计算过程中的工作量，将三维问题简化为二维问题来解决，同时根据磁粉离合器的具体特征，对其分析模型作必要的简化处理，建立的磁粉离合器主要磁路二维有限元几何分析模型如图2所示。

3.2.2 材料属性

主动件、从动件、磁轭构成磁粉离合器磁路，材料为10号低碳钢。

磁粉离合器工作介质（磁粉）中，铁钴镍磁粉、铬不锈钢磁粉有着优良的磁性能、耐热性和耐磨性，得到普遍应用。近年来，国内外关于纳米晶软磁材料的研究已取得了突破性成果，研究表明，铁基纳米晶软磁合金具有高饱和磁感应强度、高磁导率、高热稳定性、小矫顽力等十分优异的软磁材料性 能［11－12］。 综 合 考 虑，选 用 粒 径 为 30μm、40μm、50μm三种不同规格的00Cr13NiMo、铁钴镍、铁基纳米晶软磁合金三种磁粉。忽略磁粉粒径对磁性能的影响，三种磁粉的B－H曲线如图3所示。铁基纳米晶软磁合金磁粉B－H曲线根据其所对应的实材材料磁特性按一定比例关系获得，铁钴镍、00Cr13NiMo磁粉B－H曲线通过试验获得［5，8］。

3.2.3 边界条件和激励源

边界条件应用自然边界和诺依曼边界；激励源线圈绕组端口面积为100mm2，激磁电流密度J为0～3A／mm2。

3.2.4 网格划分

网格剖分采用金字塔型剖分设置，在对求解参数和求解域网格能量误差进行设置后，利用系统自适应剖分技术自动求解剖分网格。

3.2.5 仿真结果与分析

图4给出了采用不同磁粉材料的磁粉离合器特性仿真曲线。从图4可以看出，铁基纳米晶磁粉离合器转矩传递容量最大，00Cr13NiMo磁粉离合器转矩传递容量最小。铁钴镍磁粉离合器有着较宽的线性工作区间。00Cr13NiMo磁粉离合器转矩传递特性曲线在工作区间内明显分为非线性区、线性区、饱和区三段，这是由00Cr13NiMo磁粉较小的饱和磁感应强度引起的。当激磁电流密度J为2.5A／mm2时，00Cr13NiMo磁粉达到饱和，磁粉磁导率下降，磁路磁阻增大，工作间隙中的磁感应强度B随J的增大而增大的趋势减缓，出现图4中00Cr13NiMo磁粉离合器转矩传递特性曲线的饱和区，与实际工作情况相吻合。

图5给出了磁粉粒径分别为30μm、40μm和50μm的铁钴镍磁粉离合器转矩传递特性仿真曲线。从图5可以看出，磁粉粒径越小，磁粉离合器传递转矩就越大。随着粒径的减小，磁粉在工作过程中所受离心力减小，使磁粉离合器转矩传递特性更稳定，适应于高转速的运转条件。但是，磁粉粒径也不能无限制地减小，因为过小的磁粉粒径会引起过小的工作间隙，从而影响磁粉在工作间隙中的流动。

4 结论

（1）磁粉的磁性能与磁粉离合器特性密切相关。提高磁粉材料磁性能是提升磁粉离合器转矩传递性能的一种有效手段。纳米晶软磁合金材料与其他软磁材料的性能相比，有着更为优异的综合磁性能［12］。仿真分析结果表明，采用高性能纳米晶软磁合金磁粉可显著提高磁粉离合器特性。

（2）磁粉粒径对离合器转矩传递性能有着较大的影响。减小磁粉粒径是提升磁粉离合器转矩传递性能的一种有效手段，但磁粉粒径也不能无限制地减小，要综合考虑磁粉粒径对工作间隙尺寸的影响以及磁粉粒径在工作间隙中的流动性等问题。

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