基于maxwell 的10kw标准型磁力耦合器的建模设计

韩笑　蒋欣卓

【摘 要】磁力耦合器在现代工业中的出现，对能源节约的实现发挥着越来越重要的作用。在电动机和负载之间安装磁力耦合器，不仅可以实现软起动、隔振以及恶劣条件下的无机械连接传动，而且可以获得优越的调速性能。本文将对10kw标准型磁力耦合器的建模过程进行分析。首先，掌握磁力耦合器的结构特点，对磁力耦合器的运行原理进行学习，分析磁力耦合器实体结构及设计图纸，研究各部件的设计参数对运行效果的影响，对模型的结构尺寸进行设计。其次，利用Ansoft Maxwell软件依据已经设计的参数，在三维环境下建立磁力耦合器的模型。整个过程为磁力耦合器的优化设计提供参考依据。

【关键词】磁力耦合器 Ansoft Maxwell 建模设计

1 课题研究的背景

传统机械式传动结构可以保持传动比恒定，能保证大功率运行及其他运行优势，但是，却存在系统性能受到过多因素影响的缺陷，比如，在传动过程中，由于主动件与从动件之间的直接接触，会产生磨损、噪声和振动等不良效果；由于对润滑和装配精度要求较高，使得实施密封的措施过于复杂等[1-4]。磁力耦合器作为传动设备在工程上的应用，在实现优良调速性能、提高传动效率的基础上，可以在很大程度上节约能源，并实现了主动件与从动件完全分离，简化了机械结构，形成了无直接接触的传动结构，能够在高粉尘、高谐波、振动、易燃易爆等恶劣环境中正常运行，并极大的减小了磨损、振动、噪声等各种故障的发生频率，有效的节约了维修经费[5]。

2 磁力耦合器的结构与原理

磁力耦合器结构简单，呈左右对称式结构，主要由输入端安装盘、导磁体、嵌入永磁体的磁体安装盘、磁体盖板以及输出端安装盘等部件构成，其中两个端盖与两个导磁体通过机械联接固定，并与电机驱动轴连接构成主动转子；嵌入永磁体的磁体安装盘与负载轴连接构成从动转子。主动转子与从动转子之间存在可调节大小的空气间隙。磁力耦合器在运行过程中，驱动电机和负载之间的联接没有直接接触。

磁力耦合器主要由主动部分与从动部分组成，驱动侧的导磁体和负载侧的磁体安装盘之间存在空气间隙，并可自由、独立的转动。当驱动侧导磁体转动时，与磁体安装盘上的永磁体在滑差存在的情况下产生相对运动，导磁体通过切割磁感线，可以在表面产生涡流，而涡流产生的感应磁场在永磁场作用下，会带动负载侧磁体安装盘转动，在负载输出轴上产生扭矩，最终实现磁力耦合传动。

3 磁力耦合器建模流程分析

本文使用有限元分析软件Ansoft Maxwell 16.0对磁耦合器进行模型设计与建立，研究中只是单纯对磁力耦合器的结构与运行的状态进行分析，因此本设计中对于驱动电机、负载电机、基座以及控制箱等其他辅助设备都进行了忽略处理：

（1）考察实际设备结构，搜寻设备设计图纸及相关数据；（2）应用软件Ansoft Maxwell 16.0在三维立体空间内对磁力耦合器的各个部件进行模型的建立；（3）对磁力耦合器各个部件进行细节处理。

由于实体磁力耦合器完全进行拆解存在一定的困难，因此只能通过对外轮廓进行测量，并参考已有型号的设计图纸数据自行进行相关设计

4 磁力耦合器各组成部分的建模

启动Maxwell程序，执行菜单命令Project/Insert Maxwell 3Ddesign，或者单击工程栏上方对应的按钮，建立Maxwell 3D分析类型，对新建的工程重新命名，调整三维绘图区坐标系的位置和放大比例，执行菜单命令Modeler/Units，进行单位设置，选取“mm”。

4.1 输入端安装盘的建模

（1）参考已有型号设备，查找部件的尺寸数据并记录；（2）选取三维空间坐标原点（0，0，0），设置输入端安装盘外径尺寸为116mm，在xoy平面内绘制输入端安装盘底面外圆边界，重新命名为“duangai1”；（3）使用【Cover Lines】功能将空心圆填充后，设定高度为7mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）选取三维空间坐标原点（0，0，0），输入内圆半径29.5mm，在xoy平面内绘制圆柱底面外圆边界；（5）使用【Cover Lines】功能将空心圆填充后，设定高度为7mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能将前后两个圆柱体作函数运算；（7）材料属性的设置，在软件材料库中可以直接为已建立的模型赋予属性，如果不能在材料库找到满意的材料，还可以根据个人需求进行自定义材料的建立。使用【material name】功能，将输入端安装盘材料属性赋为“stell_1010”，在【Properties】功能中选取灰色进行填涂，完成输入端安装盘立体结构的建立。

4.2 导磁体的建模

（1）参考已有型号设备，查找部件的尺寸数据并记录；（2）选取端盖顶端平面（0，0，7）作为基准面，以99mm为半径为绘制导磁体外圆边界，重新命名为“tognhuan1”；（3）使用【Cover Lines】功能将空心圆填充后，设定高度为5mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（4）选取输入端安装盘顶端平面（0，07）作为基准面，输入圆柱体半径50mm，在与xoy面平行的平面内绘制圆柱体底面外圆边界；（5）使用【Cover Lines】功能将空心圆填充后，设定高度为5mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（6）使用【Subtract】功能将前后两个圆柱体作函数运算；（7）使用【material name】功能，将导磁体材料属性赋为“copper”，在【Properties】功能中选取黄色进行填涂，完成导磁体立体结构的建立。

4.3 磁体安装盘的建模

（1）参考已有型号设备，查找部件的尺寸数据并记录；（2）留取高度为3mm空气间隙如图2.5所示；（3）以z轴高度为15mm在与xoy面平行的平面内绘制半径为90mm的磁体安装盘底面外圆边界，重新命名为“lvpan”；（4）使用【Cover Lines】功能将空心圆填充后，设定高度为26mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（5）选取磁体安装盘底面所在平面（0，0，15）作为基准面，输入内径30mm，在与xoy面平行的平面内绘制圆柱体底面外圆边界；（6）使用【Cover Lines】功能将空心圆填充后，设定高度为26mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（7）使用【Subtract】功能将前后两个圆柱体作函数运算，得到一个环形柱体；（8）分别在磁体安装盘底面坐标为（0，70，15）处，绘制以y轴为对称轴的圆形，其半径为10mm；（9）使用【Cover Lines】功能将圆形填充后，设定高度为26mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸；（10）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁体安装盘内部将上一步中得到的圆柱体均匀阵列，选取z轴为中心轴，设定角度【Angle】为20，【Total number】为18。（11）使用【Subtract】功能将柱状体与18个圆柱体作函数运算，在磁体安装盘中留取永磁体空间；（12）使用【material name】功能赋予材料属性为“aluminum”，在【Properties】功能中选取红色进行填涂，完成磁体安装盘立体结构的建立。

4.4 永磁体的建模

（1）参考已有型号设备，设计永磁体尺寸；（2）在磁体安装盘底面坐标为（0，70，20）处，绘制圆形，半径为10mm（3）在与磁体安装盘底面平行的平面（0，0，20）处，使用【Cover Lines】功能将圆形填充后，设定高度为26mm，在z轴正方向使用【Along Vector】功能拉伸。（4）使用【Duplicate Around Axis】功能，在磁体安装盘内部将上一步中得到的圆柱体通过阵列可以得到均匀分布的数个磁极，精确建模的同时节省了大量时间。选取中心轴“Axis”为z轴，设定角度“Angle”为20，总数“Total number”为18，由此嵌入在磁体安装盘内部的永磁体结构构建完成。（5）设定永磁体材料以及极化方向。为了让每两个相邻的永磁体产生磁回路，对于不相邻的永磁体，需要设置同一种充磁方向相同的磁体材料，其余的永磁体要设置另一种充磁方向相反的磁体材料，根据个人的模型需要，磁体可以按照不同的几种方向进行充磁，包括沿着X轴的正向和反向进行充磁，沿着Y轴的正向和反向进行充磁，沿着Z轴的正向和反向进行充磁。在本模型中磁体的充磁方向是沿着Z轴的正向和反向充磁。选取编号为奇数的9个磁极，使用【material name】功能设定材料为第三代铷铁硼材料“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分别做出设定“X Component”的值为0，“Y Component”的值为0，“Z Component”的值为1，由此设置部分永磁体正向充磁；选取编号为偶数的9个永磁体，使用【material name】功能设定材料为“NdFe35”，在【Properties of the Material】中分别做出设定“X Component”的值为0，“Y Component”的值为0，“Z Component”的值为-1，设置其余永磁体反向充磁，将全部永磁体按照两种相反的方向进行充磁，在【Properties】功能中选取灰色进行填涂，完成永磁体立体结构的建立。

4.5 建模完成

磁体盖板的建模与输出端安装盘的建模与之前过程一致，至此，磁力耦合器虚拟模型的设计与构建已经基本完成，如图2.9，其中主要部件的具体参数如下：

输入端安装盘与输出端安装盘，外径为116mm，内径为29.5mm，高度为7mm，材料为“stell_1010”；导磁体与磁体盖板，外径为99mm，内径为50mm，高度为5mm，材料为“copper”；空气间隙高度为3mm；永磁体安装盘外径为90mm，内径为30mm，高度为26mm，材料为“aluminum”；永磁体半径为10mm，高度为26mm，材料为“NdFe35”。

5结语

磁力耦合器结构简单，性能优良，在生产研发中受到了越来越广泛的关注。本文主要做了以下工作：

（1）对磁力耦合器相关知识进行理论学习，查阅文献，掌握其主要结构，对特定型号器件的设计图纸进行研究；（2）学习计算机软件，在虚拟三维空间建立模型，优化设计参数；

参考文献：

[1] 彭科容.永磁磁力耦合器结构与特性研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2008.

[2] 赵韩，王勇，田杰，磁力机械研究综述.机械工程学报，2003，39（12）：97～104.

[3] 王玉良.国外永磁传动技术的新发展.磁性材料及器件，2001，（8）：45～46.

[4] 王玉良，邓子龙，赵章荣.国外磁传动无密封泵技术发展概况.石油机械，2003，31（4）：52～54.

[5] 张萌，赵海森，刘晓芳，姚鹏，周庆根.径向磁通式永磁磁力耦合器能效特性试验.电机与控制应用，2014，41（3）.

[6] Doug Twyfor.英国HMD公司无泄漏磁力驱动泵的开发与研制.化工装备技术，1997，18（3）：50-51.

[7] A.Bergqvist， G.Engdahl.Magnetic Drive Pumps for the Chemical Industy.World Pumps.2005，43（07）：162-167.

[8]A.C.Smith， E.Peralta-Sanchez. Containment can Losses in Permanent-Magnet Pump Drives.Journal of Applied Physucs，2006，47（10）：75-81.

[9] J.F.Charpentier，G.Lemarquand.Study of Permanent-Magnet Coupling with Progressive Magnetization Using an Analyical Formulation.IEEE Transactions on Magnetics， 1999（5）：4206-4217.

[10] 赵克中.磁力驱动技术与设备.北京：化学工业出版社，2003.

作者简介：韩笑（1993.10—），男，山东济南人，工作单位：大连海事大学，职务：本科生，研究方向：机械。