磁耦合双向驱动控制器的研究

论文摘要

磁耦合双向驱动控制器是采用磁驱动技术与不同的机械传动机构相结合、实现多种运动型式组合的一种全新理念的传动部件，不仅可以实现无泄漏、全密封，而且更加注重运动型式的转化和运动状态的控制。与传统的磁力驱动器相比，具有诸多优点。在流体机械、流体系统、精密机械等领域已经有许多成功的应用，同时起到了简化机构、提高可靠性、实现无接触动力传递和多种运动型式转换的作用。本文采用ANSYS有限元分析软件，对磁耦合双向驱动控制器的磁场建立2D、3D模型，并基于2D、3D模型，首次对耦合磁场的内部微观特性进行深入研究。揭示了耦合磁场内部特性，既丰富和发展了关于耦合磁场特性的描述，同时又为耦合磁场的进一步开发应用指明了方向。特别是基于3D模型，首次对耦合磁场动力学、运动学进行深入研究，既具有重要的理论意义，又具有工程实践的指导意义。本文在总结和综述国内外文献关于磁力驱动器原理以及应用研究的基础上，采用理论分析、数值求解和实验测试相结合的方法，对磁耦合双向驱动控制器磁场特性进行了全面、系统、深入的研究。基于ANSYS软件，对磁耦合双向驱动控制器磁场采用矢势法和标矢法建立2D、3D模型，创建物理环境，划分网格、赋予特性，加边界条件和载荷，对其场值进行求解计算，并对其磁场动力学、运动学以及特性进行分析研究。分析比较了基于2D、3D模型的数值计算结果，首次得出3D模型修正后的转矩值比2D模型分析计算所得值约小16.5％。通过对转矩密度的分析研究，首次得出：转矩密度从端面向高度延伸增大，延伸到内部10mm后，基本为常数。这一结论可有效地指导实际工程应用中对耦合磁场的优化设计。通过分析研究磁场磁标势、磁感应强度矢量及磁感应强度绝对值的空间分

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摘要

ABSTRACT

1.绪论

1.1 课题来源

1.1.1 课题的提出

1.1.2 课题的立项

1.2 课题研究的目的和意义

1.2.1 课题研究的目的

1.2.2 课题研究的意义

1.3 磁耦合双向驱动控制器的应用

1.4 磁驱动技术的国内外研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 磁耦合双向驱动控制技术的研究现状和发展趋势

1.5.1 本课题研究现状

1.5.2 磁耦合双向驱动控制技术的发展趋势

1.5.2.1 对传统传动技术的改造与创新

1.5.2.2 简化复杂的机械传动系统

1.5.2.3 取代一些机械传动型式

1.5.2.4 向多层面发展

1.6 本课题研究的内容与方法

1.6.1 本课题研究的内容

1.6.2 本课题研究的方法

2.磁耦合双向驱动控制器的原理、结构及应用

2.1 磁耦合双向驱动控制器的原理及结构特点

2.1.1 传动机理分析

2.1.2 磁耦合双向驱动控制器的运动型式

2.1.3 磁耦合双向驱动控制器的运动特点

2.2 磁耦合双向驱动控制器的应用特性及分类

2.2.1 旋转调速传动机构

2.2.2 直线旋转调位移传动机构

2.2.3 旋转与直线组合的传动机构

2.2.4 螺旋运动的传动机构

2.3 磁耦合双向驱动控制器的应用

2.3.1 流体机械领域的应用

2.3.2 流体系统中的应用

2.3.3 精密机械中的应用

2.4 磁耦合双向驱动控制技术的应用实例

2.4.1 在核反应装置上的应用

2.4.2 在空调机上的应用

2.4.3 流体系统上的应用

2.4.4 精密机械中的应用

2.5 本章小结

3.磁耦合双向驱动控制器磁场的有限元分析与建模

3.1 有限元分析的理论基础

3.1.1 用有限元法分析磁场的基本方法

3.1.1.1 物体离散化

3.1.1.2 单元特性分析

3.1.1.3 单元组集

3.1.1.4 求解未知节点位移

3.1.2 磁场的有限元法

3.1.2.1 单元分析

3.1.2.2 整体分析

3.1.3 ANSYS软件

3.1.4 用ANSYS对磁场进行分析

3.2 实体建模

3.2.1 基本条件

3.2.2 2D有限元模型

3.2.2.1 2D有限元模型的磁场计算

3.2.2.2 2D建模

3.2.3 3D有限元模型

3.2.3.1 3D有限元模型的磁场分量方程

3.2.3.2 3D建模

3.3 本章小结

4.磁耦合双向驱动控制器磁场力学二维分析与研究

4.1 2D模型数理参量定义

4.2 2D磁场动力学分析与研究

Z的分布'>4.2.1 不同转角下磁矢势A_Z的分布

4.2.2 不同转角下磁感应强度（?）的矢量分析

4.2.3 不同转角下磁感应强度（?）的绝对值分析

4.2.4 不同转角下磁通密度分析

4.2.5 不同转角和不同层面的磁感应强度分析

4.3 2D磁场运动学分析与研究

4.3.1 转矩与转角的数学关系

4.3.2 转矩、转角与磁感应强度的数学模型

4.4 2D磁场结构参数特性分析与研究

4.4.1 外磁体厚度对转矩的影响

4.4.2 内磁体厚度对转矩的影响

4.4.3 磁隙空气层厚度对转矩的影响

4.4.4 基体层厚度对转矩的影响

4.4.5 内外磁转子非共轴状态分析与研究

4.4.6 材料特性对转矩的影响

4.5 本章小结

5.磁耦合双向驱动控制器磁场力学三维分析与研究

5.1 3D模型数理参量定义

5.2 3D磁场的动力学分析与研究

5.2.1 磁场磁标势空间分布分析

5.2.2 磁感应强度矢量空间分布的分析与研究

5.2.3 磁感应强度绝对值空间分布的研究

5.2.4 内外磁转子磁感应强度矢量和绝对值空间分布的分析与研究

5.3 3D磁场运动学分析与研究

5.3.1 磁感应强度分布的分析与研究

5.3.2 耦合磁场力的分析与研究

5.3.3 转矩密度分析与研究

5.3.4 外转子转矩分析

5.3.5 转子在Z轴方向变化对转矩的影响

5.4 本章小结

6.磁耦合双向驱动控制器特性实验研究

6.1 静态特性实验研究

6.1.1 静态特性实验测量方法与装置

6.1.2 静态特性实验设备及仪器

6.1.3 力矩和转角特性实验研究

6.1.3.1 力矩和转角静态特性实验测试过程及结果

6.1.3.2 力矩和转角静态特性实验数据处理及分析

6.1.4 8极磁耦合器全周期特性实验

6.1.5 静态退磁实验

6.1.5.1 退磁静态特性实验测量方法与装置

6.1.5.2 退磁静态特性实验测试过程及结果

6.1.5.3 退磁静态特性实验数据处理及分析

6.2 动态特性实验研究

6.2.1 动态特性实验方法与装置

6.2.2 动态特性实验设备及仪器

6.2.3 转速与转角特性实验

6.2.3.1 转速与转角特性实验测试及结果

6.2.3.2 转速与转角特性实验数据处理及分析

6.2.4 涡流损失实验与分析

6.2.4.1 涡流损失实验测试及结果

6.2.4.2 涡流损失特性实验数据处理及分析

6.2.5 振动传递测试实验与分析

6.2.5.1 振动测试实验及结果

6.2.5.2 振动测试实验数据处理及分析

6.3 本章小结

7.结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

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