磁力泵結構和工作原理的介紹

　　1磁力泵的結構及工作原理

　　內磁轉子與葉輪一起固定在泵軸;外磁轉子與電機相連接。在電機的驅動下，外磁轉子做旋轉運動。由于外磁轉子與內磁轉子相互之間的磁作用力，使得內磁轉子帶動葉輪一起旋轉。

　　2.Halbach陣列介紹

　　20世紀80年代，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Klaus Halbach提出了一種永磁體陣列Halbach陣列<6>。隨后的10年里，Halbach陣列被許多研究機構相繼應用于粒子加速器，電子激光裝置，同步輻射裝置，真空設備，磁懸浮技術等高能物理領域<7>。

　　基于當前的生產加工工藝，要獲得理想Halbach陣列需要整體環形充磁。由于利用現有的技術對整體工藝還不夠完善，因此在絕大多數的工程應用領域中，都采用分段拼裝方式的分段式Halbach陣列<8>。

　　Halbach陣列使得陣列的內部磁場加強，同時陣列的外部磁場得到削弱。同理，通過磁體的不同排列，可以得到外部磁場加強，內部磁場削弱的陣列。內磁轉子采用這種陣列，可以加強磁力傳動機構的氣隙磁場強度，進而達到磁傳動機構傳遞轉矩的目的。

　　3幾何模型的建立及材料屬性

　　R1=35mm，R2=45mm，R3 =55mm，R4=58mm，R5=68mm，R6=78mm.內，外軛鐵的磁導率取4000H/m;磁體磁導率取1.1H/m，矯頑力取Hc=870000A/m;空氣的磁導率取1.0 H/m.u=3092997826,2245185904&fm=26&gp=0 (1) 拷貝.jpg

　　4磁場力與轉矩的計算方法

　　4.1電磁場基本方程麥克斯韋方程組是支配所有宏觀磁現象的一組基本控制方程。由以下4個微分方程組成<9>：D=v E=-B t B=0 H=J+ D t式中：D為電位移(或稱電通密度)，C/m2;v為單位體積中的電荷，即電荷體密度;E為電場強度，V/m;B為磁感應強度(或稱磁通密度)，T;H為磁場強度，A/m;J為電流密度，A/m2。

　　以上4個微分方程也分別稱為：高斯電通定律，法拉電磁感應定律，高斯磁通定律以及安培環路定律(或稱全電流定律)。

　　以上的微分方程并不能得到確定的解，還有與材料相關的本構方程(或稱電磁性能關系式)：D=E B=H在電源以外區域，有：J=E式中：，和分別為介電常數，F/m，磁導率，H/m，電導率，S/ m.

 　　 4.2力與轉矩的計算

　　經典電磁理論提供了麥克斯韋應力法，虛位移法等解析計算方法等<10>。

　　4.2.1麥克斯韋應力法

　　經過有限元分析，通過已經得到個單元的磁感應強度和磁場強度，只有適當選定封閉曲面，通過上式就可求出作用在S面所包圍磁性體上的合力及轉矩。

　　4.2.2虛位移法根據虛功原理，當磁場用磁鏈表示時，處于磁場中的物體受到的作用力及轉矩可由下式計算：fg=- Wm g 140磁力泵Halbach陣列傳動機構有限元分析叢小青王利偉白濱等M=- Wm #式中：Wm為所研究系統的磁場;g為廣義坐標;#為角度坐標。

　　當媒介為線性時有：Wm= 1 2#v HBdv+ 1 2s HAds 5數值模擬數值模擬過程為二維瞬態磁場分析，利用Ansoft有限元分析軟件來進行模擬計算。麥克斯韋方程組通過簡化可以得到二維瞬態磁場的計算方程：vA=J- A t -v+Hc式中：Hc為永磁體的矯頑力;v為運動物體的速度;A為磁矢量;J為電流密度。

　　模擬過程保持外磁轉子固定，使內磁轉子旋轉來計算內磁轉子的轉矩大小。此模擬去除了隔離套，只考慮磁轉子的傳動效應。而只有隔離套的渦流損失與轉動速度有關，因此模擬過程中內磁轉子的轉動速度可以任意設定，不會對轉矩的大小有影響。這里，我們設其轉速為360/s.瞬態計算總時間為1s，每0.001s做一次求解。對內，外軛鐵施加磁通量平衡條件。

　　6模擬結果及分析

　　分別對傳統陣列，緊密陣列和Halbach陣列進行數值計算，采用Ansoft商用軟件的二維瞬態分析模塊。

　　6.1傳統陣列

　　傳統陣列內磁轉子轉矩的變化曲線圖，取其一個變化周期。對于傳統陣列，一個變化周期的轉角為30.從轉矩圖可以看出個大轉矩值為T=4380Nm/m，其轉角為7.5(即實際工作中內外磁轉子的轉角差為7.5)。對于磁力轉動機構的實際工作情況，取磁塊軸向長度L=40mm，則實際傳動大轉矩值Tmax=TL=175.2Nm.

　　6.2緊密陣列

　　取一個變化周期。一個變化周期的轉角為60.個大轉矩值處的位移角為15，轉矩值為4720Nm/m，對于磁力轉動機構的實際工作情況，取磁塊長度為40mm，則實際傳動大轉矩值為188.8Nm.圖8緊密陣列轉矩變化曲線(取一個周期)

　　6.3Halbach陣列(每極4段)

　　一個變化周期的轉角為60.個大轉矩值出現在轉角差為15處，轉矩值為5400Nm/m，取磁塊長度為40 mm，則實際工作的大轉矩為216Nm.Halbach陣列(每極4段)轉矩變化曲線(取一個周期)

　　6.4分析

　　目前，磁力泵傳動機構主要使用傳統陣列和緊密陣列。從模擬結果來看緊密陣列與傳統陣列相比，緊密陣列只有約7.8%的提升，而Halbach陣列能提高約23.3%.因此，Halb ach陣列對提高磁體利用率有著非常重要的作用。使得高轉矩磁力泵的設計也成為可能。

　　同時，Halbach陣列具有磁屏蔽作用。外磁轉子在空氣中磁通量線閉合在磁陣列內部。因此，使用Halb ach陣列的傳動機構可以減小軛鐵的厚度，甚至可以取消軛鐵。對于取消軛鐵的傳動機構，其轉動慣量減小，傳動機構的啟動性能將得到提升。

　　(1)通過數值模擬，分析傳統陣列，緊密陣列，Halbach陣列的大轉矩值，得出緊密陣列與傳統陣列相比提高約7.8%，Halbach陣列與傳統陣列相比提高約23.3%.

　　(2)Halbach陣列具有磁屏蔽作用，使用Halbach陣列可以減小軛鐵的厚度，從而提高傳動機構的啟動性能。

　　(3)本文未考慮隔離套對轉矩的影響。實際工作中，金屬隔離套在交變的磁場中會產生渦流損失。因此，今后有必要對于金屬隔離套的渦流損失進行深入的研究。

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