一种新型可视铁谱仪的静磁场设计及应用

黄文杰， 左洪福(. 淮阴工学院 交通工程学院，江苏 淮安 3003； . 南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 006)



一种新型可视铁谱仪的静磁场设计及应用

黄文杰1， 左洪福2
(1. 淮阴工学院 交通工程学院，江苏 淮安 223003； 2. 南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 210016)

以在线式全流量可视铁谱仪为背景，对静磁场的磁路进行了设计。采用轴向充磁，双环异极嵌套安装方式，两环的间隙采用不导磁的材料做成的圆环作为衬套，并从磁荷模型出发，利用标量磁位法，引入广义二项式定理对同心双环嵌套磁体产生的磁感应强度进行了解析计算。通过对比磁感应强度的理论值和实际测量值发现解析表达式很好地反映了静磁场的磁感应强度分布规律。将所设计的静磁场应用到某新型涡喷航空发动机性能监测中,对监测到的磨粒进行了分析。分析结果间接验证了所设计的静磁场在润滑油高流速条件下吸附铁磁颗粒的有效性。

在线式全流量铁谱仪； 静磁场； 磁路设计； 解析计算； 性能监测

0 引 言

由于航空发动机关键部件的摩擦副工作在润滑油路中且在润滑油路中利用磁场便于收集磨粒，因此，磁场在航空发动机的故障诊断和状态监测中有着广泛的应用。以滑油中的磨粒监测为例，早期的监测设备以离线为主，如DMAS智能化铁谱分析仪[1]、OLF-4铁谱仪[2]等。随着监测技术的发展，一批具有代表性在线全流量监测传感器应运而生，其中应用最广泛的是加拿大GOSTOP公司生产的MetalSCAN油液磨损金属监测传感器，它能够全液流在线监测铁磁颗粒[3]。由于稀土永磁材料的加工水平与工艺不断提高，合理设计的静磁体可以产生各种强度和分布的磁场，并且具有无能耗、体积小、成本低、控制方便、工作可靠等优点，尤其是环形磁体，因其便于在油路中安装，易于产生均匀分布的磁场，在滑油磨粒监测方面具有广泛的应用前景，而静磁体应用的关键是对静磁体磁场分布的设计。在这方面，国内外对磁场分布的研究不断深入。在国内，运用磁荷模型[4]、分子电流模型[5]给出了矩形静磁场分布的解析表达式；在国外，在采用椭圆积分的基础上[6-7]，或运用磁荷模型对弧形静磁场进行研究[8-9]，或采用半解析方法计算环形静磁场分布[10-11]，并采用该方法对使用永磁体的装置进行优化[12]。通过对以往研究成果的分析，不难发现，国内外对矩形静磁场分布的研究比较全面，虽然采用半解析方法计算了环形静磁场分布，但是，缺少真实意义上的解析公式，严重制约了环形静磁场的设计和分析。而环形静磁场作为在线式全流量铁谱仪的核心部件，其磁场的分布决定着仪器在实际工作中能否有效吸附铁磁颗粒，从而能否准确对航空发动机的性能作出准确预测。因此，真实意义上的解析公式的缺失阻碍了环形静磁场在航空发动机的故障诊断和状态监测中使用和推广。

本文以在线式全流量可视铁谱仪为背景，引入广义二项式定理对静磁场的磁路进行设计，并对同心双环嵌套磁体的磁场分布进行解析计算，通过对比磁感应强度的理论值和实际测量值，发现解析表达式很好地反映了静磁场的磁感应强度分布规律。在此基础上，将所设计的静磁场应用到某新型涡喷航空发动机性能监测中，对监测到的磨粒进行了分析。

1 静磁场磁路设计

磁体采用牌号为N35烧结钕铁硼永磁材料，其性能参数，剩磁Br=1.170～1.220 T，矫顽力HCB≥868 kA/m，内禀矫顽力HCJ≥955 kA/m，磁能积BHmax=263～287 kJ/m3。采用轴向充磁、双环异极嵌套安装的方式，两环间隙用不导磁材料做成的圆环作为衬套。

由矢量叠加原理，该磁体在空间任一点的磁感应强度可由内圆环在该点的磁感应强度与外圆环在同一点的磁感应强度进行矢量叠加。因此，可先计算任一圆环产生的磁感应强度，然后再进行矢量叠加。同心双环嵌套磁体的长度为a，内径为d′，外径为D′，取z轴为磁体的对称轴，磁体中心为坐标原点建立坐标系Oxyz，如图1所示。

根据磁荷模型[13]与高斯定律[14]，设φm为磁标量势；ρm为磁荷分布密度；μ0为真空磁导率，得：

(1)

令原点磁标量势φm(0,0,0)=0；d为点P到原点的距离；φm(x0,y0,z0)为点P的磁标量势，则由式(1)得出点P(x0,y0,z0)的标量磁位F(x0,y0,z0)为

(a)装配实物图(b)示意图

图1 同心双环嵌套磁体

F(x0,y0,z0)=φm(x0,y0,z0)-φm(0,0,0)=

(2)

(3)

(4)

积分区域为封闭的磁体表面S。采用圆柱坐标系，令x=rcosφ,y=rsinφ,z=±a/2，并把场点取在φ=0的平面上，即x0=r0,y0=0,z0=z0，则式(4)可用圆柱坐标系表示。对于强各向异性场的烧结钕铁硼永磁材料的磁体，退磁场径向分量Hmr的作用可以忽略，磁化强度M可认为始终是平行于轴线且均匀分布的。因此，用圆柱坐标系表示的式(4)可用来描述磁场分布。但是，如果需要计算空间确定点的磁感应强度，通常需要采用复杂的有限元分析，而本文在求解过程中利用广义二项式定理[15]，将不可积因子转变为可积因子，从而简化了计算。

根据矢量叠加原理，同心双环嵌套磁场所产生的径向磁感应强度Htmr(r0,z0)与轴向磁感应强度Htmz(r0,z0)分别为内外环形磁场产生的径向磁感应强度Himr(r0,z0)、Homr(r0,z0)与轴向磁感应强度Himz(r0,z0)、Homz(r0,z0)的叠加，即：

(5)

2 计算结果分析

为了验证建立的静磁场磁感应强度解析表达式的正确性，使用Matlab[16]并利用3维高精度数字式特斯拉计对三种磁体沿径向和轴向的磁场分量进行了测量。通过对比理论值、测量值并结合场强分布图，对解析表达式进行分析。

同心双环嵌套磁体尺寸规格为：里圆环的内径和外径分别为18 mm和24 mm，外圆环的内径和外径分别为36 mm和58 mm，轴向厚度7.5 mm。利用同心双环嵌套磁体的解析表达式计算距离永磁环上(或下)表面一定距离处的磁场分布，选取高度为2 mm进行计算。相应地，在此高度上用三维特斯拉计对磁感应强度进行多点测试。径向和轴向磁场分量的测量结果和计算结果如图2所示。

图2 同心双环嵌套磁体磁感分布

图2中：曲线1表示磁体的磁感应强度理论值；曲线2表示磁体的磁感应强度测量值；曲线3表示磁体的径向磁感应强度测量值；曲线4表示磁体的径向磁感应强度理论值；曲线5表示磁体的轴向磁感应强度理论值；曲线6表示磁体的轴向磁感应强度测量值。由图2可知，在原点处轴向磁感应强度最大，然后逐渐减弱，在内圆环外边缘处减少到最小，即约21 mm处，而径向磁感应强度则由于嵌套的原因在17 mm处由0变至最大，而后逐渐减小，在24 mm处达到最小。

3 监测试验

将所设计的磁体放入在线式可视铁谱仪的铁磁磨粒收集器中,并把在线式可视铁谱仪放置在图3所示的试验系统中。由图3可知，润滑油从油箱中被泵出后进入航空发动机，然后再进入在线式全流量可视铁谱仪的铁磁磨粒收集器。在铁磁磨粒收集器中有观测区，环形嵌套磁体所产生的磁场覆盖该区域，当一次监测完成时, 在线式全流量可视铁谱仪的收集器清洗机构开始工作，清除观测区沉积的铁磁磨粒，以待下一次监测。

试验时,采用长城4010号合成航空润滑油，润滑油流速1.376 m/s，被监测航空发动机为某新型涡喷发动机，监测时间为16 h为一时间段。采用南京航空航天大学航空安全与保障技术研究所研制的改进型DMAS II对第5时间段采集的图像进行分析,分析结果如表1所示。统计结果表明，在第5时间段中共收集到22颗磨粒,绝大多数磨粒尺寸小于10～15 μm，属于正常磨损。虽然有严重滑动产生的磨粒和切削磨粒，但是数量很少,这说明该航空发动机处于磨合期，产生少量的此类磨粒是正常的,而且这与该新型发动机的实际情况是相符合的。

图3 油液在线监测试验系统

表1 磨粒统计结果 %

4 结 语

本研究主要有以下结论：对新型的在线式可视铁谱仪的静磁场磁路进行了设计。试验证明，该静磁场能够在高流速下吸附铁磁性磨粒。采用广义二项式定理对静磁场的磁感应强度进行了解析计算。仿真结果表明，解析表达式具有较高的计算精度。进行了某新型涡喷发动机的试验监测研究，监测结果与发动机的实际情况相符合。

[1] 左洪福，吴振锋，陆海琴，等.DMAS智能化铁谱分析系统及其应用[J].江苏航空，1999， 11(Z1)：60-64.

[2] 赵 方，刘 岩，谢友柏. OLF-4在线铁谱仪的采样数据及其特征提取的研究[J].机械科学与技术，2000，19(2)：310-312.

[3] 任国全,张培林,杨 宁,等. 基于SFS的磨粒图像三维重构[J]. 军械工程学院学报，2010(2)：49-52.

[4] 张 钢，张 坚，张海龙,等.基于等效磁荷法用蒙特卡洛法计算永磁轴承磁力[J].轴承，2013(10)：1-4.

[5] Gou Xiao-fan，Yang Yong，Zheng Xiao-jing. Analytic expression of magnetic field distribution of rectangular permanent magnets[J]. Applied Mathematics and Mechanics (English Edition)，2004，25(3)：297-306.

[6] Selvaggi J，Salo S，Kwon O，etal. Computation of the external magnetic field, near-field or far-field from a circular cylindrical magnetic source using toroidal functions[J]. IEEE Trans. Magn.，2007，43(4)：1153-1156.

[7] Harris C T，Haw D W，Handler W B，etal.Application and experimental validation of an integral method for simulation of gradient-induced eddy currents on conducting surfaces during magnetic resonance imaging[J]. Physics in Medicine and Biology，2013，58(12)：4367-4379.

[8] Ravaud R, Lemarquand G，Lemarquand V，etal. Discussion about the analytical calculation of the magnetic field created by permanent magnets[J]. Progress in Electromagnetics Research B，2009，11：281-297.

[9] Ravaud R，Lemarquand G，Lemarquand V，etal. Discussion about the analytical calculation of the magnetic field created by permanent magnets[J]. Progress in Electromagnetics Research B，2009，11：281-297.

[10] Azzerboni B，Saraceno G. Three-dimensional calculation of the magnetic field created by current-carrying massive disks[J]. IEEE Trans Magn，1998，4(5)：2601-2604.

[11] Søren B A, Søren E,Ilmar F S. Dynamics and stability of rigid rotors levitated by passive cylinder-magnet bearings and driven/supported axially by pointwise contact clutch[J]. Journal of Sound and Vibration，2013，332(25)：6637-6658.

[12] Furlani E P. Permanent magnet and electromechanical devices：materials，analysis and applications[M]. San Diego：Academic Press，2001.

[13] 易 中. 场论基础[M]. 北京：冶金工业出版社，2013.

[14] 欧维义.场的数学描写方法[M].长春：吉林人民出版社，1983.

[15] Goodstein R L. Fundamental concepts of mathematics [M]. New York：Pergamon Press，1979.

[16] Xiao Rujing，Yang Xiangyu，Zhu Wenjuan，etal. Modeling and simulation of dual-rotor permanent-magnet synchronous motor based on MATLAB[C]//2009 12thInternational Conference on Electrical Machines and Systems，2009.11，Tower Hall Funabori，Tokyo，Japan.Piscataway：IEEE，2009：15-18.

Design and Application of Magnetic Field of a New Online Ferrograph

HUANGWen-jie1,ZUOHong-fu2
(1．Transportation College，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an 223003，China; 2．Civil Aviation College，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

With the background of a new online full flow visual ferrograph, a magnetic circuit of the static magnetic field is designed, it is axial magnetized, dual-rings nested assembly with different poles, and is filled with non-magnetic materials as the bush between the rings. Starting with the magnetic charge model, combining with the scalar magnetic potential method and using the generalized binomial theorem, the magnetic inductions of the concentric nested dual-rings are respectively analytically calculated. Comparing the theoretical value of magnetic induction with the actual measured value shows that the analytical expression well reflects the rules of magnetic induction in the static magnetic field. On this basis, the designed static magnetic field is used to monitor the performance of a new turbojet aero-engine, and then the collected debris is analyzed. The analytical result indirectly verifies that the static magnetic field can effectively adsorb ferromagnetic particles under the condition of the high volume of lubricant oil flow.

online full flow ferrograph; static magnetic field; magnetic circuit design; analytical calculation; monitoring performance

2014-04-24

国家自然科学基金项目(60939003)

黄文杰(1977-)，男，江苏淮安人，讲师，主要从事设备状态监测研究。Tel.:0517-83559165；E-mail:huangwj@hyit.edu.cn

V 263.6

A

1006-7167(2015)02-0054-03