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<6>。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<7>。

　　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<8>。

　　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。R1=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<9>：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<10>。

　　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=- Wm #式中：Wm为所研究系统的磁场能量；g为广义坐标；#为角度坐标。

　　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Ansoft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：Hc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Ansoft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.从转矩图可以看出个大转矩值为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60.个大转矩值处的位移角为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.个大转矩值出现在转角差为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）Halbach阵列具有磁屏蔽作用，使用Halbach阵列可以减小轭铁的厚度，从而提高传动机构的启动性能。

　　（3）本文未考虑隔离套对转矩的影响。实际工作中，金属隔离套在交变的磁场中会产生涡流损失。因此，今后有必要对于金属隔离套的涡流损失进行深入的研究。