（机械设计及理论专业论文）永磁—电磁离合器磁场分析及特性研究.pdf

永磁一电磁离合器磁场分析及特性研究 摘要 本文介绍了磁力离合器中的种特殊结构的离合器永磁一电磁离合器 的机械结构及工作原理，并阐述了对其研究所需用到的基础理论。在此基础上， 利用有限元分析软件对永磁一电磁离合器的二维磁场进行了仿真分析，并分析 了结构参数的变化对永磁一电磁离合器中磁场力的影响，给出了相废的分析结 论。 在建立了永磁一电磁离合器的具体数学模型之后，结合前人工作的理论和 经验，对其工作特性推导出系列新的计算方法，用推导得到的计算方法对离 合器的性能进行全面的计算，并与某种传统的电磁离合器进行比较分析。 本文建立了比较完整的永磁一电磁离合器的理论体系。对永磁一电磁离合 器的设计与制造具有一定的指导意义。 关键词：永磁电磁离合器有限元方法磁场分析特性研究 t h em a g n e t i cf i e l d a n a l y s i sa n d t h ec h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c h o fm a g n e t i c - - e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h em e c h a n i s ms t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo fas p e c i a l s t r u c t u r ec l u t c h ，w h i c hi sm a g n e t i c e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h a l s o ，i te x p l a i n e dt h e b a s i ct h e o r yn e e d e db yt h i sr e s e a r c h 。b a s e do nt h a t ，b yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e ，i ta n a l y z e d2 dm a g n e t i s mo fm a g n e t i c - - e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h ， a n di n f l u e n c eo fs t r u c t u r e p a r a m e t e r st o t h em a g n e t i cf i e l do fm a g n e t i c 1 _ 。 e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hw e r ei n v e s t i g a t e dt o g e t h e r 、 ，i 也t h ea n a l y s i sc o n c l u s i o n a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fm a g n e t i c - - e l e c t r o m a g n e t i c c l u t c h ，i te d u c e das e r i e so fn e wc a l c u l a t i o nm e t h o df o rw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m a g n e t i c - - e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d w h i c ho b t a i n st h e i n f e r e n t i a l r e a s o n i n gc a r r i e s o nt h e c o m p r e h e n s i v ec o m p u t a t i o nt oc o u p l i n g s p e r f o r m a n c e ，a n dc a r r i e so nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t hs o m et r a d i t i o n a lm a g n e t i c c l u t c h 。 t h i sa r t i c l eh a se s t a b l i s h e dq u i t eac o m p l e t et h e o r ys y s t e mo fm a g n e t i c - - e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h i ts h o w st h eg u i d a n c ef o rd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt h e m a g n e t i c - - e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h t os o m ee x t e n t k e yw o r d s ：m a g n e t i c ；e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；m a g n e t i c f i e l da n a l y s i s ；c h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c h 。 图表清单 图i - i磁性材料中的磁畴结构2 图1 - 2 永磁一电磁离合器实物图6 图2 - 1 磁力离合器的分类8 图2 - 2 永磁一电磁离合器1 0 图2 - 3 ( a )线圈失电状态结构示意图1 1 图2 - 3 ( b )线圈通电状态结构示意图1 1 图2 - 4 永磁体的磁滞回线。1 3 图2 - 5 磁能积曲线1 3 图2 - 6 膜片弹簧的实物图1 3 图2 - 7 膜片弹簧与螺旋弹簧的特性比较。1 4 图3 - 1 磁路与电路2 0 图3 - 2 二维边值问题2 5 图3 - 3 矩形单元2 7 图4 - 1a n s y s 系统主菜单3l 图4 - 2 某稀土永磁材料退磁曲线3 3 表4 - 1 铁磁材料的b - h 表3 4 图4 - 3 离合器模型3 4 图4 - 4 铁磁材料的b - h 曲线图3 4 图4 5 离合器有限元模型3 5 图4 - 6 磁力线分布图3 6 图4 - 7 磁通密度的矢量图3 6 图4 8 ( a )永磁体厚度变化时导磁体所受到的虚功力变化曲线3 7 图4 8 ( b )永磁体厚度变化时导磁体所受到的麦克斯韦力变化曲线3 7 图4 - 9 磁化曲线工作点选择3 8 图4 - 1 0 磁感应强度与电流、气隙关系3 8 图4 - 1 1电磁力与电流平方、气隙平方的关系3 9 图4 - 1 2 磁力线分布图4 1 图4 - 1 3 磁通密度矢量图4 l 图4 - 1 4 电流变化线露所产生的洛仑兹力变化睦线4 2 图4 - 1 5 ( a )气隙变化时导磁体所受到的虚功力变化曲线4 3 图4 - 1 5 ( b )气隙变化时导磁体所受到的麦克斯韦力变化曲线4 3 表5 - 1d l m 3 1 2 湿式多片电磁离合器性能参数4 5 图5 - 1离合器起动过程示意图4 7 图5 - 2 永磁一电磁离合器动作特性曲线4 8 图5 - 3电磁离合器动作特性曲线。4 9 图5 - 4离合器接合过程蹙速度变化图4 9 图5 - 5 永磁一电磁离合器滑摩功仿真曲线5 0 图5 - 6 离合器滑摩功理想曲线5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签字：承束昌 签字日期：) 淞年f 月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 赶王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：】睫瓜昌 签字日期：) 册占年月砰日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：山p 擘年f 月够日 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师田杰副教授的精心指导下完成的。在读研究生期间，导师对 我的学习及论文王作倾注了大量的心血，在生活上给予了无微不至的关怀。导 师严谨的治学态度、求实创新的开拓精神，诲人不倦、宽以待人的高尚品质给 我黧下深刻的印象，这些都将对我以后的学习耪工作产生巨大的影响。同时还 要衷心感谢我的师母张萍老师在我读研期间给我的关心和帮助! 在此对恩师和 张老师表示我衷心的谢意! 同时，真诚地感谢教研室的黄康教授、王勇副教授等各位老师给我各方面 的指导和帮助，并创造了许多必要条件和学习机会! 感谢师妹夏艳，师弟李香滨、李林、杨勇以及教研室的娄银庭、屈玉丰、 魏鹏、胡刚、李松恩、徐顺、罗辉等同学给予的关心和帮助。 最后，还要深深感谢我的父母和我的家人! 感谢所有支持及帮助过我的亲 人、同学和朋友们。 顾庆昌 2 0 0 8 年5 月2 0 匿 1 1 引言 第一章绪论 磁力具有许多优点，如结构简单、易予控制、节约能源、减少污染等，越来 越受到人们的重视，在机械工程领域中的应用也越来越广，最明显的表现就是国 内外发明的磁力机械越来越多。如磁力吸盘、磁力弹簧、磁力减振器、磁力齿轮、 磁力联轴器、磁力轴承、电磁离合器与制动器、飞轮储能装置等。 众所周知，毫磁相互作用是自然界因大基本相互作蹋之一。一个稳定电流在 导线中流过，能在导线周围产生个静磁场。在非超导态下，维持这个静磁场需 要不断消耗电能。因此，用电流产生静磁场是不经济的。于是人们尽量用永磁体 代替电流在空间形成一个静磁场。用永磁体的磁场代替电流产生的磁场不仅节省 电能，降低温升，而且省去一部分电源及箕控制系统和冷却系统，给使用带来缀 大方便。 由于磁源科学的进步，永磁材料已进入第三代，并在磁性材料研究上己取得 重要突破。高矫顽力与高剩磁的永磁材料己经出现，其屡里点已提高至u 3 0 0 左右， 为其在机械工程上的应用开拓了新的前景。永磁材料因舆有以下三大优点常常被 用作磁力机械的磁场能源：一是把它制成磁体，经外磁场磁化，在去掉磁化场后仍 能对外保持磁性，即使在较大的反磁场下也仍保留较强的磁感应：二是从磁滞回线 上看，永磁材料的磁滞回线很宽，即材料的矫顽力很高，磁能积很大：三是用永磁 体在空间建立一个磁场，除了制造该磁体时消耗一定的能量外，在长期使用过程 中就不再另外消耗能量了。能量的开发和有效的利用是人类的一个重大战略任务。 在自然界，除能量外，其他物质都是可以菇生的，再生过程中要消耗能量。所以 能量的开发和合理利用极为重要弹1 。 随着人们对能源重要性的认识日益深刻化和具体化，尽量利用永磁体以节省 电能，己成为许多产品设计工作中的一个原则。越是工业发达的国家对永磁材料 的应用越是重视。中东有石油，中国有稀土。我国穗土资源丰富，在应用磁性材 料方面有着得天独厚的优势。近十年来，我豳磁性材料取得了惊人的增长，各种 磁性材料在世界市场上己具有重要的地位，这为开拓永磁材料在机械工程领域中 的应用范围提供了有利的条件。磁力机械中磁力的产生与起作用的核心部件是磁 体，磁体包括永磁体和电磁体，为更好地、有效地利用磁体，有必要对各种永磁 材料的性能有一个全面了解。下面对永磁材料的发展及其性能作一下简单介绍。 1 2 永磁材料及其性能 磁性应用的历史菲常悠久。在公元前六世纪，中国这个文明吉国就已经会使 用磁铁作为指南针来判断地理方位但是直n 2 0 世纪前期，磁性的应用仅仅局限在 产生磁场空间和传导磁通。从2 0 世纪5 0 年代开始，随着通信技术、电子学、计算 机的飞速发展，磁性材料的应用领域迅速扩大。材料的磁性起源于材料中原子的 磁矩。尽管原子磁矩不等于零，如果这些原予磁矩混乱排列，物质只会显出顺磁 性。而磁性材料由于原子内部自身的力量，会使磁畴中的全部原子或离子的磁矩 平行或反平行排列，因此，即使没有外加磁场。磁性材料也处于一种自发磁化的 状态，所以，在外加磁场时，材料会显示患强磁性强1 。 磁性材料的自发磁化与温度有关。当温度升高到某一温度时，由于热扰动， 使材料的原子或离子磁矩的排列变得混乱起来，从有序排列变为无序排列，自发 磁化消失，这时材料只显示出顺磁性，这一温度称为屠里温度。居里湿度是决定 磁性材料使用温度的重要参数。磁性材料的自发磁化强度指向某些特定的方向 时，材料的内部能量小于磁化强度指向其它方向时的内能，这种和自发磁化强度 方向有关的能量备向异性称为磁各向异性。其宏观表现是对磁性材料加磁场磁化 时出现对外磁场方向豹各惫异性。如果沿蓑这个特定的方向加磁场磁化，则可利 用较小的磁场得到较高的磁化强度。 磁性材料的另一个主要特点是具有磁畴结构，如图i - i 所示。大块磁性材料 一般是由许多原予磁矩有序排列的小区域组成，这些区域称为磁畴。在每个磁畴 内，磁矩平行或反平行地有序撵列，产生窦发磁化，两不同磁畴的自发磁化矢量 则是随机排列，所以，磁性材料虽然具有自发磁化，但是在未加外磁场时其宏观 磁化强度仍然为零。 图i - i 磁性材料中的磁畴结构 永磁材料是受到外磁场磁化后，撤去外磁场后仍能保留剩磁的物质，一般是 指铁磁性和亚铁磁性等强磁性物质。我们知道，判断永磁材料性能的好坏，通常 用三个特性参量来标志：剩磁、矫顽力、最大磁能积。剩磁越大、矫顽力越大、 磁能积越大，材料的性能越好。除了这三大参量之外，永磁材料的稳定性也是很 重要的。如果材料的磁性能随饕温度、时间、振动等丽有较大的变化，即使材料 具有较高的磁性不能也能得到很好的应用强酗。 2 影响永磁材料稳定性的外部因素有温度、外磁场、机械应力等。一般随温度 上升，永磁体的磁化强度降低，超过居里点时为0 ，这是可逆的变化，并且在未 靠近居里点的温度区域，剩余磁通密度大体呈直线变化。通常用温度系数8 ( 毋) 来表示温度对永磁性能的影响，其表达式为： 口( 戤) 茹丝盟二鱼婴1 0 0 。 b d 互) ( 互一互) 外磁场对永磁材料稳定性的影响是通过矫顽力的大小而起作用的。矫顽力小 的永磁体在使用过程中，受到较大外磁场时就会退磁，而矫顽力大的永磁材料， 则有较强的抵御外磁场于扰的能力。从应用的观点来看，要求材料的瀣度系数越 小越好。在一般情况下，温度系数除了与材料的种类有关外，还与材料的尺寸、 形状及加热和冷却的温度范围有关。在选择永磁材料时，还要注意最高工作温度。 超过最高工作温度，磁性能将大大降低。 永磁材料的稳定性还包括，随着时闻酶推移蠹部组织发生变化丽使磁性麓降 低的组织老化，在外部的撞击、振动、干扰磁场的作用下所产生的磁性变化等。 这些因素都比较复杂，没有具体参数给出较准确的定量描述。一般是在磁性材料 制造过程中给以稳定化处理，以提高其稳定性。在要求稳定性高的情况下，一般 都用矫顽力大的材料。 以上是对永磁材料的性能作了一个简单介绍。下面将对几种磁力机械作一些 介绍。 1 3 磁力机械的类型 永磁材料是最早发现和使用的磁性材料。将永磁材料在磁场中充磁后，去掉 癸加磁场，仍能保留很强酶磁性，而且不易被退磁，从而可以在一定的空间提供 一个恒定的工作磁场。利用永磁体的磁场，或通过磁场和载流导体、带电粒子、 涡流等的相互作用，可以使一种能v - , 量转换为另一种能量，如：磁与电、磁与机械 等的能量转换，从而得到广泛的应用。 磁力枧械是在新型功能材料永磁材料出现后面逐渐发震起来的一个全 新的研究领域。是利用永磁体或电磁体的电磁吸力或斥力原理配合些附加的机 械结构所组成的一类机械。随着科学技术的不断发展，人们对机械装置及其产品 提绻了小型纯、轻量化、薄型化、智能纯、多功能优和嵩精密化的要求，作为重 要功能材料的永磁材料也必将在机械工程领域得到广泛的开发和应用，各种各样 的设计巧妙、应用广泛的磁力机械正在不断地出现，显示出巨大的发展潜力。 磁力机械种类很多，可以按多种方式进行分类。最简单的分类是按其激磁方 式可分为电磁式、永磁式和混合式三大类疆 。 1 3 1 电磁式磁力机械 电磁式磁力机械的磁场能源是通以电流的激磁线圈，其特点是工作磁场强度 直接受激磁线圈中的电流控制，在需要产生变化磁场及电磁信号控制的场合多采 用这种电磁激励。如电磁离合器与制动器属于前者。电磁磁力轴承属于后者。按 激磁绕组的激励电流的性质不同，电磁式磁力机械又可分为直流电磁式和交流电 磁式两类。直流电磁式磁力机械的线圈中是通以直流电，所建立的磁通是不随时 间变化的恒定磁通。由于磁通不变，所以在线圈中的铁心上没有涡流损耗和磁滞 损耗。交流电磁式磁力机械的线圈中是通以交流电，铁心中通过交变磁通，因而 在磁路中有涡流损耗和磁滞损耗。 1 3 2 永磁式磁力机械 永磁式磁力机械是采用永磁体组成磁场能源，永磁体相当于一个磁通势的作 用，可以不需外加激磁而依靠永磁材料的剩磁进行工作。永磁式磁力机械按其磁 路的正作状态可分为具有固定气隙的静态永磁式磁力机械和具有变化气隙的动 态永磁式磁力枧械，如静态磁路的有永磁磁力轴承，动态磁路的有磁力吸盘、磁 性联轴器等：按永磁体的磁化方向不同可分为轴向磁化永磁式与径向磁化永磁式 等。永磁式磁力机械系统在使用过程中不消耗能量，不产生焦耳热，运转费用低 廉。一般永磁式磁力机械结构简单，可靠性好，也易于维修保养。与电磁式磁力 机械比较，其不足之处是工作气隙的磁场强度调节控制不如电磁式磁力橇械。 1 3 3 混合式磁力机械 永磁式磁力机械的气隙磁场强度往往是恒定的，要调节它有一定的麻烦，不 象电磁式磁力机械那样可以在正、负、零三态间灵活地作大幅度调节。为了更好 的发挥永磁和电磁的各自特点，有人提出电磁与永磁相结合的激磁系统：由永磁 体提供基本的恒定磁通，电流激磁供给可以灵活调节的辅助磁透。如电脉冲充磁 与永磁相结合的电脉冲永磁起重机。随着超导技术的发展，特别是高温超导体的 出现，永磁一超导混合式磁力机械、电磁一超导混合式磁力机械将也会不断出现。 本文所研究的永磁一电磁离合器就属于这一类磁力机械。 4 1 4 课题研究的现状、来源和意义 1 4 。l 课题研究的现状 离合器是机械产品轴系传动中最常用的连接部件，其应用范围涉及国民经济 的众多领域，使品种多、使用壁大面广的通用基础部彳譬。因此各重都十分重视离 合器的开发应用。电磁离合器在国内外的应用已经很普遍，近代各囡所制造的许 多自动机床中，已普遍采用电磁离合器，我国也有愈来愈多的机床采用了电磁离 合器。离合器的传动原理主要是依靠本身的工作元件在接合时的啮合或摩擦作用 来传递运动和扭矩，也有依靠磁力和液力来起连接作用的，如磁滞离舍器和液力 变矩器m 1 。 磁力离合器与常规机械相比有很明显的特点，如它结构紧凑，响应快速，寿 命长久，操作简单，使用与维护方便，易予实现远距离集中操作和自动控制等， 故用于运动控制和实现自动化方面尤必合适，是各种机械实现自动化最可靠和最 经济的方案，目前广泛应用于纺织、印染、包装、食品、印刷、轻工、起重、汽 车、精密机械、电机等机械产品和装置中，应用前景非常广阔n 引。 离合器结构的发展经历了上百年，融合了凡代人的智慧和心盘才达到现今的 地步。其设计理论也从传统的机械、力学领域深入到热、电、磁、材料、控制等 众多学科领域。电磁离合器的问世已有六十多年，生产和研究较早的是曰本，1 9 6 6 年年产l o 万台左右，至u 1 9 9 2 年产量超过5 0 0 万台。我国电磁离合器的应用和生产已 有4 g 年历史，对电磁离合器的理论研究也隧之得到发展强期。 早在上世纪6 0 年代，国外就对永磁一电磁离合器进行研究。在上世纪8 0 年代， 由予永磁材料矫顽力的提高，让永磁一电磁离合器的研究和应用才得到发展h 引。 永磁一电磁离合器系列的优点，使得其在许多领域孛有着广泛的应用前景，相 关的研究也越来越多。目前，德国的k e b 公司和美国的w a r n e r 公司都已经成功的开 发出产品并面向市场出售。下面的图卜2 即为德国的k e b 公司出售的永磁一电磁离 合器。 在国蠹，永磁传动技术的研究和应用起步比较晚，永磁一电磁离合器的研究 也很少，才刚刚起步。由于还没有形成一套成熟的理论和设计方法，所以永磁一 电磁离合器还只能依赖于进口。国内对永磁一电磁离合器的研究起步于上世纪8 0 年代，只有数家单位，如天津机床电器总厂、天津市怡合电磁离合器厂、武汉工 程学院、合肥工业大学、辽宁石油化工大学等单位正在从事这方面的研究，且整 体上还处于理论研究或试验运行阶段，始终没能实现工业化的生产。 5 图1 - 2 永磁一电磁离合器实物图 1 4 2 课题研究的来源和意义 该课题来源于国家自然科学基金项目：考虑多场耦合效应的磁力机械设计与 实验研究。这个项目是用“场”和“耦合 的观点，将现有分开考虑的设计内容 结合起来考虑、将传统设计方法中普遍忽略或未考虑的相关因素纳入设计过程， 并给出分析和设计方法，以克服现有设计方法缺陷，为形成更为系统和精确的磁 力机械设计方法体系提供理论基础砼引。 由于永磁一电磁离合器的研究涉及到多学科技术，国内的研究才处于起步阶 段，到目前为止，国内还没有形成一套成熟的理论和设计方法，阻碍了永磁一电 磁离合器进一步的研发、生产及应用。国内缺少专门从事这一领域的研究机构， 这种状态显然是与使用量大面广的离合器行业不相称的。 永磁一电磁离合器的结构环节的设计与整个传动系统的设计有着密切的关 系，设计不当将影响整体的性能。如结构设计过程中，永磁铁产生的磁场力与转 矩之间的关系，电磁线圈与永磁铁的相互磁场作用构成了永磁一电磁离合器设计 过程中的多重约束和限制。所以有必要对永磁一电磁离合器的结构、工作原理、 工作特性、设计计算方法进行相应的研究。 加强研究，迅速提高永磁一电磁离合器的自主设计与制造能力，掌握具有自 主知识产权的永磁一电磁离合器的关键技术，对全面替代进口产品，促进我国民 族工业的发展具有重要的意义。 1 5 课题研究主要内容 本论文通过对永磁一电磁离合器的机械结构、永磁铁参数、电磁线圈参数的 研究，确定机械、永磁、电磁中影响永磁一电磁离合器工作性能的主要参数，及 6 各参数之间的相互作用关系，建立起永磁一电磁离合器关键部件的设计模型，为 其设计和制造提供理论基础。 在第二章中，介绍了电磁离合器的工作原理，分类及其关键技术概述。分析 了永磁一电磁离含器的基本结构，工作原理，特点。并介绍了永磁一电磁离合器 的应用。 在第三章中，主要介绍了电磁学的基本知识，电磁场中的一些基本参数：分 绍了麦克斯韦方程组，m a x w e l l 方程组的确立奠定了电磁场计算的依据，并叙述磁 场计算中所涉及的磁场边界条件；介绍了电磁场的两种计算方法：磁路法和有限 元法，作为后续的计算的理论基础。 在第四章中，在掌握了电磁场理论和有限元法的基础上，运用有限元分析软 件a n s y s ，并对模型进行简化，建立了永磁一电磁离合器的有限元模型。并在永 磁一电磁离合器的有限元模型基础上，对离合器的各关键部件进行结构参数的分 析，并通过改变各个结构参数，研究其与永磁一电磁离合器的关系。此项工作对 永磁一电磁离合器的设计具有重要意义。 在第五章中，对永磁一电磁离合器的工作特性进行分析研究，并对其转矩特 性、动作特性及其散热性等特性进行计算分析，验证其结构部分设计的可行性， 也为产品系列化提供依据。因此，建立一套比较完整的永磁一电磁离合器理论结 构设计和特性分析体系。 通过本课题的研究，将会推动永磁一电磁离合器的自主研究。同时，对于其 它磁力机械的分析研究亦有借鉴作用。 7 第二章永磁电磁离合器的工作原理及特性 2 1 磁力离合器的的用途与分类 磁力离合器归纳起来可分为五种类型：( 1 摩擦片式电磁离合器；( 2 ) 牙 嵌式电磁离合器；( 3 ) 磁粉式电磁离合器；( 4 ) 转差式电磁离合器；( 5 ) 永 磁离合器。具体分类如图2 - 1 。 圈2 - 1 磁力离合器的分类 其中摩擦片式电磁离合器按使用条件分为湿式和干式，湿式使用时用漓来润 滑和冷却摩擦片，干式是在空气中使用，不加油，自冷。按摩擦片在磁路情况又 3 可分为在磁路内和在磁路外。按线圈位置分为外置线圈、内置线圈和侧置线圈； 牙嵌式电磁离合器分为有滑环和无滑环；磁粉式电磁离合器分为单隙式和复隙式； 转差式电磁离合器分为双电枢和单电枢，单电枢又分梵讯式和感应式两种；永磁 离合器分为永磁式和混合式，混合式又分永磁一磁滞式和永磁一电磁式两种。本文 所研究的就是混合式永磁离合器中的永磁一电磁离合器n 踟。 2 2 永磁一电磁离合器的工作原理、特点与应用 2 2 1 永磁一电磁离合器的工作原理 离合器是机械传动系统中种重要的传动装置。主要用于原动机和工作机之 间、机械内部的主动轴和从动轴之间实现运动和动力的传递和脱离。随着离合器 结构的不断完善，它在各种机械中与其他装置相配合还可完成更多的工作。一般 地说，离合器可以实现机械的起动和停车、齿轮箱速度的变换、传动轴间在运动 中的同步和相互超越、机器起动时和超载时的安全保护，此外，还可以防止从动 轴的逆转、控制传递转矩的大小和满足接合时间等方面的要求。随着现代工业的 高速发展，离合器的分类宦益繁多。壶于使翊要求不同，选择离合器的结构形式、 操纵方式也就有所不同。它又可以分为机械式、磁力式、液压式和气压式四种n 】。 永磁一电磁离合器的工作原理如图2 2 所示。磁轭1 及线圈2 连接到电机法兰上 固定不动，当线圈2 未通电时，永磁铁组件4 与中间导磁体3 吸合，主动轴7 与导磁 体3 以键连接，输入的动力通过膜片弹簧5 传到皮带轮6 。当线圈2 通电嚣，建立与 永磁铁4 相反的磁场，而排斥永磁铁4 ，线圈2 产生的磁场通过导磁体2 形成闭合磁 回路，而永磁铁4 的磁力线在其内部形成闭合回路，3 、4 脱开，离合器分离。这是 一种失电吸合式永磁一电磁离含器。另一种失电制动永磁一电磁离合器，线圈失电 时，由磁体产生的吸力，将衔铁紧紧地吸在摩擦片上形成很大的制动力矩。线圈 通电时，产生反向磁场，使永磁场的磁力基本消失，在弹簧力的作用下，制动器 脱开。 永磁一电磁离合器采用永磁材料部分取代常规电磁离合器中的电磁线圈，以 减少励磁线圈的体积。失电吸合式永磁一电磁离合器多用于工作状态常闭的情 况，而失电制动式永磁一电磁离合器多用予工作状态常开的情况。根据不同的工 作状况选择不同的永磁一电磁离合器可以节省操纵电力。本文以失电吸合式永磁 一电磁离合器为研究对象，对其结构及磁场进行参数分析与设计仿真雏霹。 9 圈2 - 2 永磁一电磁离合器 2 2 2 永磁一电磁离合器的性能特点及应用 嚣为永磁一电磁离合器中，利用了永磁体取代常规电磁离合器中的电磁线圈， 所以其功能不受电源波动的影响。而且起动平稳，结合冲击小，动、静转矩几乎 相同，从静态到动态张力无突变，消除了离合器中摩擦面因为速度变化引起的粘 连现象。离合动作快，无空载转矩，结构紧凑，外型尺寸小。结构简单，安装方 便，使用寿命长。节省电能，发热小，而且可以提供稳定平滑的传动转矩和过载 保护。由于永磁一电磁离合器的许多优点，所以在传动领域其必将有着广泛的应 用前景m 3 。 近代各国所钊造的许多自动规床中，邑普遍采用电磁离合器。如是动车粪l 机 床、镗床、铣床、钻床及自动螺纹车床等。我国也有愈来愈多的机床采用了电磁 离合器，如c 5 0 2 型立车、c 5 3 4 j 立式车床、转塔六角车床、六角自动车床、磨床以 及组合车床等。在这些应用领域中，很多都可以由永磁一电磁离合器替代，而且 因为永磁一电磁离合器的一些特点，可以发挥更好的作用嘲。 利用永磁一电磁离合器的低惯性矩、定转矩特性、高响应性等特性，来满足 电子计算机、电动打字机等高速间歇驱动的要求。由于稳定的传动转矩和过载保 护的特性，永磁一电磁离合器也可用于电线电缆、光纤电缆、编织纺织中的收放 线机械以及卡盘、自动扳手装鬣中。 2 3 永磁一电磁离合器的结构及其特性 失电吸合式永磁一电磁离合器其结构示意图2 - 3 所示。 i o 当线圈失电时，如图2 3 ( a ) 所示，永磁体产生的磁通沿磁轭、气隙、衔铁、 导磁体形成一个闭合磁路。由于磁通产生了摩擦力矩，侵被动部分旋转。 当线圈通电时，如图2 3 ( b ) 所示，永磁体和励磁线圈分别在各自内部形成闭 合磁路，离合器分离。 种7 矗q qj 泌 ， 么瓣， 、 一。 图2 3 ( a ) 线圈失电状态结构示意图圈2 - 3 ( b )线圈通电状态结构示意图 2 。3 1 励磁线圈 励磁线圈在永磁一电磁离合器中的作用是建立与永磁体相反的磁场，励磁线 圈的尺寸影响着离合器的大小和质量，励磁线圈过大，不但浪费电力和材料，而 且会因为排斥永磁体，对离合器产生冲击振动。因此，对励磁线圈的设计是离合 器设计的一个重点。 为了获得良好的特性，此处线圈铁芯材料应该具有较高的导磁性能，并要求 有较低的铁损耗( 涡流损耗和磁滞损耗) ，硅钢片适当地满足了这两方面的要求。 含有硅的合金钢轧制而成的薄钢板，称为电工钢片或硅钢片。硅的含量对硅钢片 的性能起决定性影响，铁中加入硅，可使其电阻率增高，p i 曼锘j j 了涡流，使损耗降 低；但加入硅后，磁感应强度有所下降，随着含硅量的增加，硬度和脆性增加， 给轧制、冲裁、剪切、以及机械加工带来困难，因此含硅量一般不超过4 5 。含 硅量爵高，就很难进行轧制和加工了。 在磁场交变的铁芯中，当磁通密度和交变频率都不变时，单位体积铁心的涡 流损耗与钢片的厚度平方成正比，同一品种的硅钢片，厚度越小，铁心损耗越小， 僵铁心制造工时增加，叠压系数降低。因此大部分中小型电机均采用0 5 r a m 厚的 硅钢片，只有特殊情况下，如大型汽轮发电机铁芯损耗要求很严时，采用0 3 5 m m 厚的。 按照轧制工艺的不同，分为热轧硅钢片和冷轧硅钢片两种。 热轧硅钢片：胚料在高温下经碾轧丽成。这种钢片，历史较久，2 0 世纪初郎 开始生产，到2 0 世纪4 0 年代时生产已基本成熟。 冷轧硅钢片：与上述热轧硅钢片相比，冷轧硅钢片有一系列的优点，如单位 损耗小，磁感应强度高，表面质量好，平整度和叠压系数高，能成卷生产等。冷 轧硅钢片因其硅钢晶粒排列之不同分为有取淘和无取向两种。有取向冷轧硅钢冀 沿其压延方向导磁率高( b ，可达1 7 0 1 8 5 t ) ，比损耗也较小( p ，。为1 1 5 o 7 ； p 蛐为2 5 5 , - , 1 6 w k g - 1 ) ，但垂直于此压延方向的性能则相差甚多，还不如热轧 硅钢片，因此这种单取向冷轧硅钢片适用于大型变压器铁芯，两在电机制造中多 采用无取向冷轧硅钢片。我们在这里也采用无取向冷轧硅钢片。 我国目前生产的冷轧硅钢片，电磁性能接近国际水平，但品种和数量都满足 不了阉内的需求。目前国际上研究工作主要在于提高磁导率、降低比损耗。实验 室样品的指标，热乾的已达p 斟粥= 0 5 5 w k g ，而冷轧硅钢片样品指标单取向的 已达p x o 5 0 = 0 2 w k g ，无取向的p l 。5 0 = 0 6 4 w k g ：而导磁率的指标冷轧无取 向硅钢片已可达b ，。= 1 7 8 t ，大大提高了性能。 2 3 2 永磁体 永磁一电磁离合器中离合器的接合靠的永磁体产生的磁场吸力。磁场吸力大， 则工作状态稳定、快速，但是磁场吸力很大程度上是由永磁体的体积决定的，永 磁体体积太大，则成本高，而且质量大。因此，在设计中要对永磁体的体积做崽 合理的计算。 在动态条件下工作的永磁体，如磁力吸盘、磁性联轴器等系统中的永磁体， 它的工作点不是在退磁蘸线上，丽是在回复越线上。所谓回复趋线，指的是从退 磁曲线上某点开始的一个局部磁滞回线，e l l 于它包围的面积很小，一般用一直线 来代替，如图2 - 4 所示。这就涉及到两个动态参量：回复磁导率和回复磁能积。回 复鳆线的斜率称为回复磁导率，实践证明，不同永磁材料的回复磁导率不同：同一 材料的退磁蓝线上，不同点的回复磁导率是相同的。回复磁导率越小，永磁材料 抗外磁场干扰的能力就越强。当永磁体的工作点处于回复曲线上的某点时，此时 磁路的总磁通分为有用磁通和漏磁通，它们所对应的磁通密度分别称为有用磁密 和漏磁密。称退磁场强度与有用磁密的乘积为回复磁能积或有用回复能。在动态 磁路中，永磁体所做的功与最大回复磁能积成正比，所以材料的最大回复磁能积 越大越好嘲。 永磁材料的功能是在磁极闻气隙中建立磁场，气隙中储存的单位体积能量可 用既= b h 2 表示，因此退磁曲线上任一点处的雪和劈的乘积就为该点处的磁施 积，它表明了单位体积永磁体向外磁路所能提供的磁场能量。将退磁曲线上各点 对应的磁能积连成线，即可得到永磁体的磁能积与磁感应强度之间的关系，即磁 能积曲线，如图2 - 5 所示疆羽。 从磁能积曲线上可以看出，对应于b ，点或h 。点，磁能积都等于零。在图2 - 5 1 2 曲线标出了磁能积最大值( 肼) 一。对于具有直线退磁特性的稀土永磁材料，其最 大磁能积可表示成： ( 明) m 觚= 扣帆 ( 2 - 1 ) 力 鼻= 鲁曩 。 丘 ， 。玩dh 。， i 。 i ：b h 镶湃圄垅 2 ：m - 1 1 磁棒四垅 图2 - 4 永磁体的磁滞回线 我们选取的永磁材料为稀土永磁材料， 2 3 3 膜片弹簧及压力特性 图2 - 5 磁能积曲线 其矫顽力高，抗外磁场干扰能力强阳1 。 膜片弹簧在离合器中的作用是代替螺旋弹簧和分离杠杆。膜片弹簧的形状像 一个碟子，因此也称为碟型弹簧，如图2 6 所示。它是在一个具有锥形面的钢圆 盘上，开许多径向切口，形成一排有弹性的杠杆。在切口的根部都钻有孔，以防 止应力集中。真正产生压紧力的，仅是钻孔以外的部分m 3 。 图2 - 6 膜片弹簧的实物图 膜片弹簧与一般螺旋弹簧的特性比较见图2 - 7 ，可以看出，螺旋弹簧的弹力和 变形之间是直线关系，而膜片弹簧的弹力和变形之间是曲线关系。两种弹簧在同 样的压缩变形条件下所产生的弹力，除b 点外都不相同。若b 点为离合器接合状 态下弹簧变形值，此时两弹簧的压紧力都为d ( n ) ，能传递的扭矩也相同。但当 弹簧的变形值都为a 时，其压紧力却不同。螺旋弹簧只有6 0 n ，而膜片弹簧仍有较 大的压紧力e ( 瓣) 。敌后者可传递较大的糍矩，使离合器工作可靠，避免了发生 打滑。另外，当离合器在分离状态时，两种弹簧的变形都增为c ，可是膜片弹簧的 弹力仅达a ( n ) ，而螺旋弹簧的弹力则大很多，达到e ( n ) ，这就是说使用膜片 弹簧，保持分离状态所需的力较奎，使操纵轻便。因此我们在离合器中选择使用 膜片弹簧而取代螺旋弹簧。 2 3 。4 摩擦片与气隙 p ( 公斤) a 器cvf 毫l ) 图2 - 7 膜片弹簧与螺旋弹簧的特性比较 摩擦片的好坏直接影响永磁一电磁离合器的性能。摩擦片一般分为：平面型和 正弦型。平面型摩擦片通常用厚0 8 一1 2 m m 、经热处理具有一定硬度和韧性的高导 磁性钢板冲割面成。平瑟型摩擦片一般采用合金钢板，这种材料磁通不易通过， 并且具有高的硬度和韧性。正弦型摩擦片的接触面时逐渐增大，故传递力矩平稳， 弹性好。这种摩擦片一般只适用窄片。我们在这里采用的是正弦型摩擦片。 永磁一电磁离合器中永磁体和导磁体阊具有一定的气隙。在离合器不工作时， 永磁体和导磁体要保持一定的气隙。气隧 太大，磁吸力减小，结果使力矩下降。 因此，在设计中要对气隙作出适当要求。 2 4 永磁一电磁离含器的工作特性 2 4 1 永磁一电磁离合器的转矩特性 摩擦转矩有静摩擦转矩和动摩擦转矩，它是选择离合器的基本参数。静转矩 是离合器处于失电状态，永磁铁与导磁体间无相对滑动，自主动侧传递到从动侧 1 4 的最大转矩。动转矩是离合器处于失电状态，永磁铁与导磁体间有相对滑动，自 主动侧传递到从动侧的转矩。选择时应使机器运转的最大负载转矩乘以安全系数 小于公称静转矩：连接时的负载转矩加上加速转矩乘以安全系数小于公称动转矩。 永磁电磁离合器的静摩擦转矩和动摩擦转矩相同。离合器处于励磁状态，主动侧 旋转，自主动侧传递到从动侧的转矩称为空转转矩。永磁电磁离合器的空转转矩 为零。从切断电流起，至发生空转转矩的一段过渡状态中，离合器所传递的转矩 称为残留转矩。在励磁电流接通后，由予电磁力不能马上达到最大，它是造成残 留转矩的主要因素。润滑油的黏度和表面张力是另一因素。残留转矩的持续时间 的长短将随离合器的构造、励磁电流的大小等因素而变化。转速越低，残留时间 越长。空转转矩和残留转矩都将使离合器的负载不能脱开和引起发热，应当越小 越好4 ”。 2 。4 。2 永磁一电磁离合器的动作特性 当励磁电流断开时，由于线圈中存在电阻和电感，电流随时间里指数曲线下 降，达到一定值时，导磁体被吸动。当永磁体将导磁体吸紧时，开始传递转矩， 转矩随时闯增大，当滑差为零时，转矩增至最大。连接过程终止时达到静摩擦转 矩值。 永磁一电磁离合器的动作特性参数主要有：永磁体吸引时间一从离合器线圈中 励磁电流断开开始到产生转矩所需要时间；接通时间一从离合器线圈中励磁电流 断开开始，转矩上升至8 0 公称动转矩所需的时间；断开时问一从离合器线圈中励 磁电流接通开始，转矩下降至1 0 公称动转矩所需的时间口幻。 2 。4 。3 永磁一电磁离合器的散热特性与寿命 离合器在连接时会发热磨损甚至烧损，因此要有一定的散热能力。这个参数 的大小主要决定于摩擦材料的容许摩擦功。如果离合器连接部分温升过高，将使 线圈、轴承的温度升高，绝缘线圈的温升极限决定与绝缘材料的耐热等级，标准 中已有规定h 酗。离合器的寿命是以摩擦部分磨损至不能正常工作之前所离合的次 数来表示。一般的电磁离合器的正常寿命规定为( 5 0 - 1 6 0 ) 1 0 0 0 次h 孔。 2 5 本章小节 本章首先介绍了永磁一电磁离合器的工作原理，并对永磁一电磁离合器的结构 进行了贪绍，还分别介绍了永磁一电磁离合器中几个关键部件的特性，及离合器 的工作特性，为属面的分析提供模型的实体。后面的设计，分析和仿真都是针对 失电吸合式永磁一电磁离合器而进行的。 第三章电磁场理论和数值分析理论基础 3 1 电磁场的基本理论嘲 在1 8 世纪和1 9 世纪发展形戒的麦克斯韦方程组是研究和分析电磁现象的基 本依据，它由高斯定律、磁遥连续性定理、安培环路定律和法拉第定律组成。 3 1 1 电磁场中的基本物理量 1 电场中的基本物理量 电荷是物质的一个基本特征，电荷在电场中会受到力的作用。通常用单位点 电荷在某个电场中所受到的力来描述该电场的一个特征，称为电场强度e ( w m ) ， 鞠 e 篇墨( 3 1 ) 叮 式中，为作用力；q 蠹实验电荷的电蘅量( c ) 。 电荷量g 同所产生的电场的电荷相比应该足够小，因而不影响原始电场的分 布。描述电场强弱的一个物理参数为电通密度d ( c m 2 ) ，电通密度通常定义为单 位面积所通过的电通量即电通密度矢量对一曲面的有向积分。电场强度和电通密 度的关系为 d = 斌( 3 2 ) 式中，s 为电场中介质的介电常数( f m ) 。 真空的余电常数为s = 6 。= 8 。8 5 4 x 1 0 。2 f m ，6 0 也近似称为空气余电常数。从电场 的角度看，除了真空或空气以外，还存在着导体和电介质。材料的介电常数s 又 可以用相对介电常数g ，来表示 笤 ，= 一( 3 3 ) 譬o 式中的相对介电常数为一个量纲一的常数。真空的相对介电常数为l ，空气的相对 介电常数为1 0 0 0 6 ，导体的相对介电常数接近1 ，而电介质的相对介电常数则大予 l ，有些电介质的相对介电常数甚至高达2 0 0 0 0 。 电流密度用以a m 2 ) 表示，定义为单位面积所流过的电流。电场强度e 与电 流密度厂的关系为 j = t r e( 3 4 ) 式中，为介质电导率( s m ) 。 电导率的倒数为电阻率p ( q m ) 。式( 2 4 ) 为微分形式的欧姆定律，在电路 1 6 中常用的欧姆定律形式