磁力泵结构及工作原理的介绍

1、磁力泵结构及工作原理的介绍1磁力泵的结构及工作原理内磁转子与叶轮一起固定在泵轴；外磁转子与电机相连接。在电机的驱动下，外磁转子做旋转运动。由于外磁转子与内磁转子相互之 间的磁作用力，使得内磁转子带动叶轮一起旋转。2.Halbach阵列介绍20世纪80年代，美国劳伦斯伯克利国家实验室 Klaus Halbach 教授提出了一种永磁体阵列 Halbach阵列。随后的10年里，Halbach 阵列被许多研究机构相继应用于粒子加速器， 自由电子激光装置，同 步辐射装置，真空设备，磁悬浮技术等高能物理领域。基于当前的生产加工工艺，要获得理想Halbach阵列需要整体环 形充磁。由于利用现有的技术对整体工

2、艺还不够完善， 因此在绝大多 数的工程应用领域中，都采用分段拼装方式的分段式 Halbach阵列。Halbach阵列使得阵列的内部磁场加强，同时阵列的外部磁场得 到削弱。同理，通过磁体的不同排列，可以得到外部磁场加强，内部 磁场削弱的阵列。内磁转子采用这种阵列，可以加强磁力传动机构的 气隙磁场强度，进而达到增大磁传动机构传递转矩的目的。3几何模型的建立及材料属性磁极为 24极。R仁35mm, R2=45mm, R3 =55mm, R4=58mm,R5=68mm, R6=78mm.内，外轭铁的磁导率取 4000H/m;磁体磁导率 取1.1H/m，矫顽力取 Hc=870000A/m ;空气的磁导率

3、取1.0 H/m.4磁场力与转矩的计算方法4.1电磁场基本方程麦克斯韦方程组是支配所有宏观磁现象的一 组基本控制方程。由以下4个微分方程组成：D=v E=-B t B=0 H=J+ D t式中：D为电位移（或称电通密度），C/m2; v为单位体积中的电荷， 即电荷体密度；E为电场强度，V/m ； B为磁感应强度（或称磁通密 度），T； H为磁场强度，A/m ； J为电流密度，A/m2。以上4个微分方程也分别称为：高斯电通定律，法拉第电磁感应 定律，高斯磁通定律以及安培环路定律（或称全电流定律）。以上的微分方程并不能得到确定的解，还有与材料相关的本构方 程（或称电磁性能关系式）：D=E B=H在

4、电源以外区域，有：J=E式 中:，和分别为介电常数，F/m,磁导率，H/m，电导率，S/ m. 4.2 力与转矩的计算经典电磁理论提供了麦克斯韦应力法，虚位移法等解析计算方法 等。4.2.1麦克斯韦应力法经过有限元分析，通过已经得到个单元的磁感应强度和磁场强 度，只有适当选定封闭曲面，通过上式就可求出作用在 S面所包围磁 性体上的合力及转矩。4.2.2虚位移法根据虚功原理，当磁场能量用磁链表示时，处于 磁场中的物体受到的作用力及转矩可由下式计算：fg=- Wm g 140磁力泵Halbach阵列传动机构有限元分析丛小青王利伟白滨等M二-Wm#式中：Wm为所研究系统的磁场能量；g为广义坐标；#为

5、角度坐标。当媒介为线性时有： Wm= 1 2#v HBdv+ 1 2s HAds 5数值模拟数 值模拟过程为二维瞬态磁场分析，利用An soft有限元分析软件来进行模拟计算。麦克斯韦方程组通过简化可以得到二维瞬态磁场的计算 方程：vA=J- A t -v+Hc式中：He为永磁体的矫顽力；v为运动物体的 速度；A为磁矢量；J为电流密度。模拟过程保持外磁转子固定，使内磁转子旋转来计算内磁转子的 转矩大小。此模拟去除了隔离套，只考虑磁转子的传动效应。而只有 隔离套的涡流损失与转动速度有关，因此模拟过程中内磁转子的转动 速度可以任意设定，不会对转矩的大小有影响。这里，我们设其转速 为360/s瞬态计算

6、总时间为1s，每0.001s做一次求解。对内，外轭铁 施加磁通量平衡条件。6模拟结果及分析分别对传统阵列，紧密阵列和 Halbach阵列进行数值计算，采用 An soft商用软件的二维瞬态分析模块。6.1传统阵列传统阵列内磁转子转矩的变化曲线图， 取其一个变化周期。对于 传统阵列，一个变化周期的转角为 30.从转矩图可以看出第一个最大 转矩绝对值为T=4380Nm/m，其转角为7.5 （即实际工作中内外磁转 子的转角差为7.5）。对于磁力转动机构的实际工作情况，取磁块轴向长度L=40mm，则实际传动最大转矩值 Tmax=TL=175.2Nm.6.2紧密阵列取一个变化周期。一个变化周期的转角为6

7、0第一个最大转矩绝对值处的位移角为15,转矩值为4720Nm/m,对于磁力转动机构的实 际工作情况，取磁块长度为40mm,则实际传动最大转矩值为188.8Nm. 图8紧密阵列转矩变化曲线（取一个周期）6.3Halbach阵列（每极4段）一个变化周期的转角为60第一个最大转矩绝对值出现在转角差 为15处，转矩值为5400Nm/m，取磁块长度为40 mm，则实际工作 的最大转矩为216Nm.Halbach阵列（每极4段）转矩变化曲线（取一 个周期）6.4分析目前，磁力泵传动机构主要使用传统阵列和紧密阵列。 从模拟结 果来看紧密阵列与传统阵列相比，紧密阵列只有约 7.8%的提升，而 Halbach阵列能提高约23.3%.因此，Halb ach阵列对提高磁体利用率 有着非常重要的作用。使得高转矩磁力泵的设计也成为可能。同时，Halbach阵列具有磁屏蔽作用。外磁转子在空气中磁通量 线闭合在磁阵列内部。因此，使用Halb ach阵列的传动机构可以减小 轭铁的厚度，甚至可以取消轭铁。对于取消轭铁的传动机构，其转动 惯量减小，传动机构的启动性能将得到提升。7结语（1）通过数值模拟，分析传统阵列，紧密阵列，Halbach阵列的 最大转矩值，得出紧密阵列与传统阵列相比提高约 7.8%，Halbach阵 列与传统阵列相比提高约23.3%.(2) Halb