非接觸式磁力驅動旋轉機構的磁特性仿真分析

龔儉龍，江美霞 ，佐偉軍，梁其金

（1.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510800；2.廣東職業技術學院，廣東 佛山 528041）

永磁齒輪非接觸傳動技術具有加工容易、無需潤滑、無摩擦能耗、無噪聲、清潔、無油污、防塵防水、啟動力矩較低、維修方便等優點并具有過載保護作用。日本學者Koji Ikuta提出了一種非接觸永磁齒輪傳動方式。南京航空航天大學樓佩煌教授提出了一種由永磁齒輪、永磁齒條以及驅動電機組成的非接觸式磁力驅動裝置，該系統應用于長距離傳動中，其永磁齒條的價格昂貴，且永磁齒條易吸附雜物，不易維護。廖偉強等提出了利用永磁材料或電磁鐵產生的磁力，可以實現力和轉矩無接觸傳遞，實現無機械連接的耦合。梁星等基于Ansoft Maxwell軟件，對多種永磁軌道排布方式進行優化，得到了一種相對最優的排布方式——三極對頂式永磁軌道。段振云等提出了利用有限元軟件仿真分析驅動裝置的磁感應強度分布，得出驅動裝置的力特性曲線。本文提出一種由永磁驅動輪、永磁從動輪組成的非接觸式磁力驅動旋轉機構。它以磁力作為動力源，利用“磁懸浮技術”使得驅動輪和從動輪之間存在無任何接觸的支撐，從而可以避免由摩擦帶來的能量消耗和速度限制。采用有限元法對該非接觸式磁力驅動裝置進行磁特性分析和力特性分析，著重對不同永磁體布置形式和旋轉方向的扭矩進行仿真分析研究，有助于非接觸式磁力驅動旋轉機構的結構優化與穩定性提高。

1 驅動裝置結構

該裝置的驅動部分是由永磁驅動輪、永磁從動輪、伺服電機以及負載等組成，其結構示意圖如圖1所示。其中驅動輪和從動輪之間是非接觸且存在一定的距離差，單個永磁體分別均勻地鑲嵌在永磁驅動輪和永磁從動輪的圓周方向上，永磁驅動輪與伺服電機直接連接，當伺服電機帶動永磁驅動輪旋轉時，在磁力可影響的距離內，由于在驅動輪和從動輪圓周方向上有多塊永磁體參與嚙合工作，會產生連續的旋轉驅動力，帶動從動輪旋轉，而從動輪又與負載刀片直接連接，從而可以進一步帶動負載刀片旋轉，最終實現攪打動作。

2 磁特性分析

為了明晰永磁驅動輪、從動輪在不同位移處旋轉時永磁驅動輪與永磁從動輪之間傳遞的扭矩關系，對該簡化裝置的磁場特性和力特性進行仿真分析。

2．1 有限元模型的分析條件

圖1 結構原理示意圖

永磁驅動輪和從動輪非接觸驅動簡化裝置的有限元模型如圖2所示。模型中，永磁驅動輪和永磁從動輪是上下放置，永磁體上下輪上分別放置12塊，均布在驅動輪和從動輪的表面上，驅動輪與從動輪的間隙為5mm。在進行仿真分析時，對該簡化裝置進行建模、材料的定義和網格劃分。

圖2 有限元模型

2．2 磁場特性

利用ANSYS有限元軟件，對非接觸式磁力驅動裝置的模型進行磁特性分析，得出磁感應強度分布圖如圖3和圖4所示。空氣中有一定的磁力線，說明系統存在漏磁現象，也說明永磁鐵驅動輪與從動輪之間的相互作用有一定的距離范圍。模型中磁力線由驅動輪上的永磁體N極出發，經過永磁鐵從動輪導軌回到S極，旋轉驅動裝置交互方向的前一個位置磁感應強度大于后一個位置，所以可以沿著旋轉軸進行旋轉運動。

2．3 磁力特性

通過ANSYS有限元軟件分析得到非接觸式磁力驅動裝置的磁場分布，可觀察到永磁驅動輪和永磁從動輪在磁場作用下所受到的扭矩。該非接觸式驅動裝置中，永磁驅動輪與永磁從動輪所受的作用力是相互的。在仿真過程中，以永磁驅動輪為參照物。圖5為永磁從動輪的扭矩特性曲線，永磁從動輪旋轉1周可分為12個周期，其沿著旋轉軸旋轉驅動時，其1個周期內從動輪的轉矩由最大值減小到最小值然后增加最大值，且從動輪的最大扭矩為0.2Nm；

圖3 磁感應強度分布云圖一

圖4 磁感應強度分布云圖二

圖5 驅動輪與從動輪的磁盤扭矩

3 結語

本文提出了一種由永磁驅動輪、永磁從動輪組成的非接觸式磁力驅動旋轉機構，并利用有限元仿真的方法分析了永磁驅動輪和從動輪之間的磁場特性以及其力學特性。結果表明驅動輪和從動輪之間可以產生連續的驅動扭矩，且驅動扭矩趨于穩定。驅動從動輪旋轉的扭矩存在一定的波動，且從動輪受到的最大扭矩為0.2Nm。該研究方法為今后從不同永磁體布置形式、永磁體形狀、個數、距離等變量因子下提高非接觸式磁力驅動機構的穩定性以及最大扭矩指明了研究方向。