永磁体间的磁力和磁力矩研究

磁力机械利用磁场作用力进行工作,具有无接触传递动力的特点,可以应用于机械、航天、化工和医药等领域。近些年来,随着高性能稀土永磁材料磁能积的不断提高,为改善磁力机械的工作性能和扩大磁力机械的应用领域奠定了基础。工程上主要采用等效磁路法计算永磁磁场,而理论分析上常用数值计算方法。等效磁路法的数据准备简单,计算量小,缺点是对气隙磁场的计算不准确。数值计算方法的结果准确,但求解程序复杂,计算耗时。因此,本文针对磁力机械中常用的立方形和环形(包括扇形和圆柱形)永磁体,利用等效磁荷理论和库伦定律研究磁力和磁力矩的计算方法,并通过实验对磁力和磁力矩计算模型的准确性进行验证。本文主要做了以下工作:1.根据等效磁荷理论,利用磁能量法研究了两立方形磁体间磁力和磁力矩的计算方法,考虑到实际磁体形状、尺寸和机械结构存在的误差,针对两磁体平行放置和相互倾斜放置,分析确定了磁力和磁力矩的计算模型,在此基础上,研究了两磁体间磁化方向配置对磁力和磁力矩计算的影响。2.根据等效磁荷理论,利用磁库伦定律研究了一个磁环位于另一个磁环内部时,磁力和磁力矩的计算方法,针对两磁环同轴、偏心和相互倾斜,分别建立了磁力和磁力矩的计算模型。通过对两同轴磁环间轴向磁力的测量,验证了磁力计算模型的准确性。3.依据验证的计算模型,分析了两磁环空间姿态参数、磁体几何尺寸和磁场气隙对磁力和磁力矩计算的影响,取得的结果对磁体尺寸公差、磁路结构和形位公差所引起的磁力和磁力矩变化具有数值预测作用。4.针对一个磁环位于另一磁环外部,并且两磁环轴线相互垂直的情况,研究建立了磁力和磁力矩的计算模型,并进行了数值计算和分析。5.利用两个同轴配置的稀土永磁材料(Nd-Fe-B)制成的磁环,设计制作了一个直线往复式磁力泵实验台,通过对磁环间轴向力和轴向位移的动态测量,分析了两同轴磁环间往复传递轴向力的性能,并对磁力计算模型确定的轴向磁力与动态实验测得的轴向磁力进行了对比分析。本文工作的创新点:1.根据等效磁荷理论和库伦定律,建立了两磁环间磁力和磁力矩计算的通用模型。通过编程,该模型的计算参数设置与修改方便,适于磁场的分析与优化设计计算。2.通过对永磁体尺寸和相互间位置参数的设置,建立的两磁环间磁力和磁力矩计算模型可以扩展为两圆柱形磁体间、或磁环与圆柱形磁体间的磁力和磁力矩计算模型。3.本文研究处于任意相对位置和姿态的两磁环间磁力和磁力矩的方法,同样适用于立方形磁体之间磁力和磁力矩的计算。