1、超高真空設(shè)備用磁力驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)

　　在磁力傳動(dòng)技術(shù)中各種磁力傳動(dòng)器的基本工作原理是相同的。但由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，用于不同場(chǎng)合的磁力傳動(dòng)器又各有其自身的特點(diǎn)。

　　所以對(duì)特定環(huán)境下使用的磁力傳動(dòng)器進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究是必要的。用于超高真空設(shè)備上的磁力傳動(dòng)器與普通的磁力傳動(dòng)器相比較其最大差別，就是內(nèi)磁轉(zhuǎn)子上的磁體不使用永磁性材料而是用軟鐵材料所取代。這是因?yàn)槌�高真空設(shè)備為了獲得超高真空，在抽氣過(guò)程中，必須對(duì)設(shè)備的真空室進(jìn)行烘烤去氣，如果內(nèi)磁轉(zhuǎn)子采用永磁性材料，會(huì)因燒烤溫度超過(guò)永磁體的居里溫度而使永磁體退磁失效。因此不得不采用不怕燒烤的軟磁材料。而外磁轉(zhuǎn)子在烘烤去氣時(shí)又可從設(shè)備上拆下或采取一些保護(hù)措施，因此不會(huì)受到影響。內(nèi)磁體通常可采用軟磁性材料來(lái)代替。由于這種材料的更替從而導(dǎo)致了工作原理有所不同，致使其

　　工作特性曲線發(fā)生變化，為此對(duì)超高真空設(shè)備上所使用的磁力傳動(dòng)器進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究是必要的。

2、超高真空設(shè)備用磁力傳動(dòng)器的原理及結(jié)構(gòu)

　　超高真空設(shè)備用磁力傳動(dòng)器的基本原理是基于軟磁材料在靠近永磁體的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)被感應(yīng)磁化并受到吸引力作用的這一現(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)的，它的具體結(jié)構(gòu)通常是在要求運(yùn)動(dòng)傳遞的部位設(shè)置一個(gè)筒形靜密封隔離套，將真空內(nèi)外隔離，當(dāng)按照適宜磁路結(jié)構(gòu)合理排列的永磁體在筒外作旋轉(zhuǎn)或直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，筒內(nèi)對(duì)應(yīng)位置的軟磁材料受其吸引力作用也隨之運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)與之相關(guān)聯(lián)的部件，從而實(shí)現(xiàn)向真空室內(nèi)傳遞運(yùn)動(dòng)的作用。筒內(nèi)的軟磁材料通常采用磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度均較大的純鐵，外磁筒中的永磁體，一般選用矯頑力高的永磁材料。如釹鐵硼材料。為了充分地利用磁能提高傳遞轉(zhuǎn)矩，減小元件體積和降低成本，永磁體的形狀和排列方式都應(yīng)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，并用導(dǎo)磁材料組成閉合回路。超高真空設(shè)備中常采用的磁力傳動(dòng)裝置有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)式等磁力傳動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)如圖12、圖13 所示。

　　圖中虛線表示磁通環(huán)路。由于超高真空用磁力傳動(dòng)器手動(dòng)式較多，因此圖12、圖13 中沒(méi)有給出內(nèi)磁套及支撐元件，而是將其直接放入到隔離套內(nèi)。當(dāng)要求推進(jìn)器同時(shí)傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需將磁力轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地串聯(lián)在一起即可。

圖12 超高真空設(shè)備常用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式磁力傳動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意

圖13 超高真空設(shè)備常用往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)式磁力傳動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意

圖14 物理模型示意圖

3、超高真空設(shè)備用磁力傳動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

　　為了使超高真空設(shè)備用磁力傳動(dòng)器，達(dá)到結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的要求，對(duì)傳動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化是十分必要的。

　　① 物理模型

　　由于磁力傳動(dòng)器的徑向氣隙尺寸遠(yuǎn)小于軸向尺寸，故將磁場(chǎng)分布簡(jiǎn)化成二維平面磁場(chǎng)問(wèn)題。基于磁路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性、周期性[5]，同時(shí)為了更準(zhǔn)確地反映出磁力傳動(dòng)器內(nèi)部磁場(chǎng)相互作用的實(shí)際情況，可以半個(gè)圓周為研究對(duì)象。建立起圖14 所示的物理模型，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。

　�、� 數(shù)學(xué)模型

　　采用矢量磁位A 作為求解對(duì)象，利用有限元法求解場(chǎng)的拉普拉斯方程的邊值問(wèn)題，就是把該邊值問(wèn)題等價(jià)為一個(gè)相應(yīng)的條件變分問(wèn)題，通過(guò)引入近似函數(shù)，把條件變分問(wèn)題離散為方程組，最后求解方程組，求得磁場(chǎng)的分布后，再用麥克斯韋應(yīng)力法求得最大轉(zhuǎn)矩。

表3 物理模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

　�、� 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

　　利用有限元法對(duì)磁力傳動(dòng)器的極間角α，齒長(zhǎng)L，永磁體厚度hm，極數(shù)m 等參數(shù)進(jìn)行一系列計(jì)算，從中算出了最佳參數(shù)。計(jì)算中選取外轉(zhuǎn)子軛鐵外徑為100 mm 的傳動(dòng)器作為結(jié)構(gòu)基本模型，外轉(zhuǎn)子的軛鐵及內(nèi)轉(zhuǎn)子的材質(zhì)為純鐵，外轉(zhuǎn)子的永磁材料為NeFeB37MGO。

　　a 極間角α 的優(yōu)化如表4 所示，對(duì)于m=6的傳動(dòng)器，永磁塊的弧度角β=60°，當(dāng)內(nèi)磁轉(zhuǎn)子軛鐵的極間角α=48°時(shí)，轉(zhuǎn)矩最大;對(duì)于m=12的傳動(dòng)器，永磁塊的弧度角β=30°，當(dāng)內(nèi)磁轉(zhuǎn)子軛鐵的極間角α=24°時(shí)，轉(zhuǎn)矩最大;對(duì)于m=16 的傳動(dòng)器，永磁塊的弧度角β=22.5°時(shí)，當(dāng)內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的軛鐵的極間角α=18°時(shí)，轉(zhuǎn)矩最大。由此可見(jiàn)，傳動(dòng)器的最優(yōu)極間角與永磁塊的弧度角有關(guān)。表4 的三組數(shù)據(jù)表明，α=0.8 β 時(shí)為最優(yōu)極間角。

表4 極間角α 與轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系

　　b 齒長(zhǎng)L 的優(yōu)化齒的長(zhǎng)短對(duì)轉(zhuǎn)矩的大小有影響，而齒長(zhǎng)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響與永磁體的厚度有直接關(guān)系，從表5 可以看出：齒長(zhǎng)的最優(yōu)值為略大于永磁體的厚度。

　　c 外磁轉(zhuǎn)子軛鐵厚度hi 的優(yōu)化沿徑向磁化的磁體組成的磁力傳動(dòng)器，外軛鐵的使用能明顯地提高磁力傳動(dòng)器的性能，軛鐵的厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩的傳遞也有影響。如果軛鐵的厚度太薄，在軛鐵處將出現(xiàn)如圖15 所示的磁飽和使磁阻增加，氣隙磁密減小，傳遞的轉(zhuǎn)矩降低，磁力傳動(dòng)器的性能下降;如軛鐵的厚度太厚，對(duì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的增加并無(wú)太大貢獻(xiàn)，但卻使旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，從而增加了傳動(dòng)器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低了磁性材料的利用率，使運(yùn)動(dòng)部件的不穩(wěn)定性增加。兩組反映軛鐵厚度hi 與傳遞轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系的計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。由表6 可知：軛鐵的厚度取永磁體厚度的1~2 倍為好。而Δr(Δr=r1-r2)值對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響不大。

表5 齒長(zhǎng)L 與轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系

表6 軛鐵厚度hi 與傳遞轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系

　　d 永磁體厚度hm 的優(yōu)化在保證軛鐵不飽和的情況下，進(jìn)行了多組不同永磁體厚度的轉(zhuǎn)矩計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。在一定范圍內(nèi)(3 mm~7 mm)，隨永磁體厚度的增加，轉(zhuǎn)矩增加得較快，超過(guò)此范圍，轉(zhuǎn)矩增加得較慢。這是因?yàn)榇朋w隨厚度的增加，磁勢(shì)增加，而磁阻、漏磁也隨著增加，當(dāng)厚度增加到一定值后，所增加的磁勢(shì)幾乎全部消耗在增加的磁阻、漏磁上，而對(duì)外磁路的貢獻(xiàn)很小，所以出現(xiàn)了永磁體厚度增加很多，而轉(zhuǎn)矩增加很小的情況�；�于上面的分析，為了提高永磁體的利用率，永磁體的厚度不宜太厚。

表7 永磁體厚度hm 與轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系

　　e 永磁極數(shù)m 的優(yōu)化不同極數(shù)下的轉(zhuǎn)矩值見(jiàn)表8，從表8 中可以看出極數(shù)太少或太多對(duì)轉(zhuǎn)矩的傳遞不利，由靜磁能的表達(dá)式：

　　式中EH—— —靜磁能;H—— —磁場(chǎng)強(qiáng)度;J———磁體的磁耦極矩;m———磁極數(shù);φ———內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子的角度差。

表8 永磁體的極數(shù)m 與轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系

　　可以看出極數(shù)多有利于靜磁能的儲(chǔ)存，靜磁能最終被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而被釋放，所以說(shuō)極數(shù)多，有利于轉(zhuǎn)矩的傳遞，但極數(shù)太多，從圖16 中可以看出磁塊之間漏磁太多，不利于轉(zhuǎn)矩的傳遞。所以極數(shù)的選取應(yīng)適中，本計(jì)算所用磁力傳動(dòng)器12極為最佳。

圖15 軛鐵處磁飽和磁場(chǎng)分布

圖16 多極數(shù)時(shí)磁場(chǎng)分布

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