磁力泵結構及工作原理的介紹

　　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教授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，自由電子激光裝置，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(chǎn)加工工藝，要獲得理想Halbach陣列需要整體環(huán)形充磁。由于利用現(xiàn)有的技術對整體工藝還不夠完善，因此在絕大多數(shù)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，進而達到增大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
　　磁極為24極。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.

　　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(xiàn)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，法拉第電磁感應定律，高斯磁通定律以及安培環(huán)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(qū)域，有：J=E式中：，和分別為介電常數(shù)，F(xiàn)/m，磁導率，H/m，電導率，S/ m.　　 4.2力與轉矩的計算
　　經(jīng)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(jīng)過有限元分析，通過已經(jīng)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(jù)虛功原理，當磁場能量用磁鏈表示時，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(tǒng)的磁場能量；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(shù)值模擬數(shù)值模擬過程為二維瞬態(tài)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(tài)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(tài)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(tǒng)陣列，緊密陣列和Halbach陣列進行數(shù)值計算，采用Ansoft商用軟件的二維瞬態(tài)分析模塊。
　　6.1傳統(tǒng)陣列
　　傳統(tǒng)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(tǒng)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60.一個大轉矩值出現(xiàn)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(tǒng)陣列和緊密陣列。從模擬結果來看緊密陣列與傳統(tǒng)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。
　　7結語
　　（1）通過數(shù)值模擬，分析傳統(tǒng)陣列，緊密陣列，Halbach陣列的大轉矩值，得出緊密陣列與傳統(tǒng)陣列相比提高約7.8%，Halbach陣列與傳統(tǒng)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(chǎn)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。