1、超高真空設備用磁力驅(qū)動器的特點

　　在磁力傳動技術中各種磁力傳動器的基本工作原理是相同的。但由于應用領域的不同，用于不同場合的磁力傳動器又各有其自身的特點。

　　所以對特定環(huán)境下使用的磁力傳動器進行專門的研究是必要的。用于超高真空設備上的磁力傳動器與普通的磁力傳動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。這是因為超高真空設備為了獲得超高真空，在抽氣過程中，必須對設備的真空室進行烘烤去氣，如果內(nèi)磁轉(zhuǎn)子采用永磁性材料，會因燒烤溫度超過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)子在烘烤去氣時又可從設備上拆下或采取一些保護措施，因此不會受到影響。內(nèi)磁體通�？刹捎密洿判圆牧蟻泶�替。由于這種材料的更替從而導致了工作原理有所不同，致使其

　　工作特性曲線發(fā)生變化，為此對超高真空設備上所使用的磁力傳動器進行專門的研究是必要的。

2、超高真空設備用磁力傳動器的原理及結(jié)構

　　超高真空設備用磁力傳動器的基本原理是基于軟磁材料在靠近永磁體的磁場時會被感應磁化并受到吸引力作用的這一現(xiàn)象而實現(xiàn)的，它的具體結(jié)構通常是在要求運動傳遞的部位設置一個筒形靜密封隔離套，將真空內(nèi)外隔離，當按照適宜磁路結(jié)構合理排列的永磁體在筒外作旋轉(zhuǎn)或直線往復運動時，筒內(nèi)對應位置的軟磁材料受其吸引力作用也隨之運動，并帶動與之相關聯(lián)的部件，從而實現(xiàn)向真空室內(nèi)傳遞運動的作用。筒內(nèi)的軟磁材料通常采用磁導率和飽和磁感應強度均較大的純鐵，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進行精心的設計，并用導磁材料組成閉合回路。超高真空設備中常采用的磁力傳動裝置有旋轉(zhuǎn)運動式、往復直線運動式等磁力傳動器，其結(jié)構如圖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器手動式較多，因此圖12、圖13 中沒有給出內(nèi)磁套及支撐元件，而是將其直接放入到隔離套內(nèi)。當要求推進器同時傳遞旋轉(zhuǎn)運動時，只需將磁力轉(zhuǎn)軸的結(jié)構簡單地串聯(lián)在一起即可。

圖12 超高真空設備常用旋轉(zhuǎn)運動式磁力傳動器的結(jié)構示意

圖13 超高真空設備常用往復直線運動式磁力傳動器的結(jié)構示意

圖14 物理模型示意圖

3、超高真空設備用磁力傳動器結(jié)構參數(shù)的優(yōu)化

　　為了使超高真空設備用磁力傳動器，達到結(jié)構性能參數(shù)的要求，對傳動器進行結(jié)構參數(shù)的優(yōu)化是十分必要的。

　　① 物理模型

　　由于磁力傳動器的徑向氣隙尺寸遠小于軸向尺寸，故將磁場分布簡化成二維平面磁場問題。基于磁路結(jié)構的對稱性、周期性[5]，同時為了更準確地反映出磁力傳動器內(nèi)部磁場相互作用的實際情況，可以半個圓周為研究對象。建立起圖14 所示的物理模型，具體結(jié)構參數(shù)見表3。

　�、� 數(shù)學模型

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

表3 物理模型結(jié)構參數(shù)

　　③ 結(jié)構參數(shù)優(yōu)化

　　利用有限元法對磁力傳動器的極間角α，齒長L，永磁體厚度hm，極數(shù)m 等參數(shù)進行一系列計算，從中算出了最佳參數(shù)。計算中選取外轉(zhuǎn)子軛鐵外徑為100 mm 的傳動器作為結(jié)構基本模型，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，對于m=6的傳動器，永磁塊的弧度角β=60°，當內(nèi)磁轉(zhuǎn)子軛鐵的極間角α=48°時，轉(zhuǎn)矩最大;對于m=12的傳動器，永磁塊的弧度角β=30°，當內(nèi)磁轉(zhuǎn)子軛鐵的極間角α=24°時，轉(zhuǎn)矩最大;對于m=16 的傳動器，永磁塊的弧度角β=22.5°時，當內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的軛鐵的極間角α=18°時，轉(zhuǎn)矩最大。由此可見，傳動器的最優(yōu)極間角與永磁塊的弧度角有關。表4 的三組數(shù)據(jù)表明，α=0.8 β 時為最優(yōu)極間角。

表4 極間角α 與轉(zhuǎn)矩T 的關系

　　b 齒長L 的優(yōu)化齒的長短對轉(zhuǎn)矩的大小有影響，而齒長對轉(zhuǎn)矩的影響與永磁體的厚度有直接關系，從表5 可以看出：齒長的最優(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器，外軛鐵的使用能明顯地提高磁力傳動器的性能，軛鐵的厚度對轉(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，磁力傳動器的性能下降;如軛鐵的厚度太厚，對傳動轉(zhuǎn)矩的增加并無太大貢獻，但卻使旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量增大，從而增加了傳動器的啟動轉(zhuǎn)矩，降低了磁性材料的利用率，使運動部件的不穩(wěn)定性增加。兩組反映軛鐵厚度hi 與傳遞轉(zhuǎn)矩T 的關系的計算數(shù)據(jù)見表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)值對轉(zhuǎn)矩的影響不大。

表5 齒長L 與轉(zhuǎn)矩T 的關系

表6 軛鐵厚度hi 與傳遞轉(zhuǎn)矩T 的關系

　　d 永磁體厚度hm 的優(yōu)化在保證軛鐵不飽和的情況下，進行了多組不同永磁體厚度的轉(zhuǎn)矩計算數(shù)據(jù)見表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，超過此范圍，轉(zhuǎn)矩增加得較慢。這是因為磁體隨厚度的增加，磁勢增加，而磁阻、漏磁也隨著增加，當厚度增加到一定值后，所增加的磁勢幾乎全部消耗在增加的磁阻、漏磁上，而對外磁路的貢獻很小，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 的關系

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

　　式中EH—— —靜磁能;H—— —磁場強度;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 的關系

　　可以看出極數(shù)多有利于靜磁能的儲存，靜磁能最終被轉(zhuǎn)化為動能而被釋放，所以說極數(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)的選取應適中，本計算所用磁力傳動器12極為最佳。

圖15 軛鐵處磁飽和磁場分布

圖16 多極數(shù)時磁場分布

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