NYP磁力高粘度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(dòng)下，外磁轉子做旋轉運動(dòng)。由于外磁轉子與內磁轉子相互之間的磁作用力
1.NYP磁力高粘度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(dòng)下，外磁轉子做旋轉運動(dòng)。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(dòng)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(shí)驗室KlausHalbach教授提出了一種永磁體陣列Halbach陣列。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(shù)等高能物理領(lǐng)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。由于利用現有的技術(shù)對整體工藝還不夠完善，因此在絕大多數的工程應用領(lǐng)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(chǎng)加強，同時(shí)陣列的外部磁場(chǎng)得到削弱。同理，通過(guò)磁體的不同排列，可以得到外部磁場(chǎng)加強，內部磁場(chǎng)削弱的陣列。內磁轉子采用這種陣列，可以加強磁力傳動(dòng)機構的氣隙磁場(chǎng)強度，進(jìn)而達到增大磁傳動(dòng)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1.0H/m.
4.NYP磁力高粘度泵磁場(chǎng)力與轉矩的計算方法
4.1電磁場(chǎng)基本方程麥克斯韋方程組是支配所有宏觀(guān)磁現象的一組基本控制方程。由以下4個(gè)微分方程組成<9>：D=vE=-BtB=0H=J+Dt式中：D為電位移(或稱(chēng)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(chǎng)強度，V/m;B為磁感應強度(或稱(chēng)磁通密度)，T;H為磁場(chǎng)強度，A/m;J為電流密度，A/m2。
以上4個(gè)微分方程也分別稱(chēng)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(chēng)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(guān)的本構方程(或稱(chēng)電磁性能關(guān)系式)：D=EB=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(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(guò)有限元分析，通過(guò)已經(jīng)得到個(gè)單元的磁感應強度和磁場(chǎng)強度，只有適當選定封閉曲面，通過(guò)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(chǎng)能量用磁鏈表示時(shí)，處于磁場(chǎng)中的物體受到的作用力及轉矩可由下式計算：fg=-Wmg140磁力泵Halbach陣列傳動(dòng)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(chǎng)能量;g為廣義坐標;#為角度坐標。
當媒介為線(xiàn)性時(shí)有：Wm=12#vHBdv+12sHAds5數值模擬數值模擬過(guò)程為二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，利用Ansoft有限元分析軟件來(lái)進(jìn)行模擬計算。麥克斯韋方程組通過(guò)簡(jiǎn)化可以得到二維瞬態(tài)磁場(chǎng)的計算方程：vA=J-At-v+Hc式中：Hc為永磁體的矯頑力;v為運動(dòng)物體的速度;A為磁矢量;J為電流密度。
模擬過(guò)程保持外磁轉子固定，使內磁轉子旋轉來(lái)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(dòng)效應。而只有隔離套的渦流損失與轉動(dòng)速度有關(guān)，因此模擬過(guò)程中內磁轉子的轉動(dòng)速度可以任意設定，不會(huì )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(shí)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。
5.NYP磁力高粘度泵模擬結果及分析
分別對傳統陣列，緊密陣列和Halbach陣列進(jìn)行數值計算，采用Ansoft商用軟件的二維瞬態(tài)分析模塊。
5.1傳統陣列
傳統陣列內磁轉子轉矩的變化曲線(xiàn)圖，取其一個(gè)變化周期。對于傳統陣列，一個(gè)變化周期的轉角為30.從轉矩圖可以看出第1個(gè)大轉矩絕對值為T(mén)=4380Nm/m，其轉角為7.5(即實(shí)際工作中內外磁轉子的轉角差為7.5)。對于磁力轉動(dòng)機構的實(shí)際工作情況，取磁塊軸向長(cháng)度L=40mm，則實(shí)際傳動(dòng)大轉矩值Tmax=TL=175.2Nm.
5.2緊密陣列
取一個(gè)變化周期。一個(gè)變化周期的轉角為60.第1個(gè)大轉矩絕對值處的位移角為15，轉矩值為4720Nm/m，對于磁力轉動(dòng)機構的實(shí)際工作情況，取磁塊長(cháng)度為40mm，則實(shí)際傳動(dòng)最大轉矩值為188.8Nm.圖8緊密陣列轉矩變化曲線(xiàn)(取一個(gè)周期)
5.3Halbach陣列(每極4段)
一個(gè)變化周期的轉角為60.第1個(gè)大轉矩值出現在轉角差為15處，轉矩值為5400Nm/m，取磁塊長(cháng)度為40mm，則實(shí)際工作的最大轉矩為216Nm.Halbach陣列(每極4段)轉矩變化曲線(xiàn)(取一個(gè)周期)
5.4分析
目前，磁力泵傳動(dòng)機構主要使用傳統陣列和緊密陣列。從模擬結果來(lái)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，Halbach陣列對提高磁體利用率有著(zhù)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(shí)，Halbach陣列具有磁屏蔽作用。外磁轉子在空氣中磁通量線(xiàn)閉合在磁陣列內部。因此，使用Halbach陣列的傳動(dòng)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(dòng)機構，其轉動(dòng)慣量減小，傳動(dòng)機構的啟動(dòng)性能將得到提升。
6.結語(yǔ)
(1)通過(guò)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(dòng)機構的啟動(dòng)性能。
(3)本文未考慮NYP磁力高粘度泵隔離套對轉矩的影響。實(shí)際工作中，金屬隔離套在交變的磁場(chǎng)中會(huì )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(jìn)行深入的研究
