王 程 常思勤

1.南京理工大學(xué)，南京，210094 2.淮陰工學(xué)院，淮安，223003

0 引言

磁粉作為磁粉離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的工作介質(zhì)，其性能是影響磁粉離合器工作特性的重要因素之一。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對磁粉離合器磁粉材料進行了系統(tǒng)研究，分析了磁粉性能參數(shù)對磁粉離合器性能的影響，探索通過提高磁粉材料軟磁性能來提高磁粉離合器性能的工作途徑。

1 磁粉離合器工作原理及機理分析

1.1 磁粉離合器工作原理

磁粉離合器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主動件、從動件、磁粉、勵磁線圈等部件組成。當勵磁線圈斷電時，主動件旋轉(zhuǎn)，磁粉在離心力的作用下緊壓在主動件工作表面上，與從動件沒有接觸，磁粉離合器主動件、從動件處于分離狀態(tài)；當勵磁線圈通入直流電時，磁粉在勵磁線圈產(chǎn)生的磁場的作用下連接成“磁粉鏈”，離合器依靠磁粉自身的結(jié)合力及磁粉與主動件和從動件工作表面之間的摩擦力實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

1.2 轉(zhuǎn)矩傳遞工作機理

磁粉離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小由工作面半徑、工作面面積、工作氣隙大小、磁粉性能等因素確定。磁粉離合器通電后，磁極對磁粉形成的電磁力為

式中，S為垂直于磁通的工作間隙總截面面積（工作面面積），m2；B為工作間隙中的磁感應(yīng)強度，T；H為工作間隙中的磁場強度，A／m；μ為磁粉磁導(dǎo)率。

設(shè)磁粉間的摩擦因數(shù)為f，有效工作面積系數(shù)為λ，工作間隙數(shù)目為m，工作面半徑為r，則傳遞轉(zhuǎn)矩為

在磁粉離合器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，參數(shù)λ、f、S、r基本保持不變，取K＝λfr S／2，則式（2）可進一步簡化為

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由磁路歐姆定律知

式中，U為激磁磁勢；N為線圈匝數(shù)；I為激磁電流，A；J為勵磁電流密度，A／mm2；A為勵磁線圈斷面面積，mm2；Ф為磁粉間隙的總磁通量；Rδ為工作間隙磁粉磁阻；Ri為磁路磁阻。

忽略邊路漏磁，此時

又有

式中，Lδ為磁粉間隙長度。

由式（3）～式（6）可知，磁粉離合器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)固定后，磁粉的磁性能決定著磁粉離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞性能。

2 磁粉基本性能

2.1 磁性能

磁粉的磁性能與磁粉離合器工作特性密切相關(guān)，為保證磁粉離合器具有強的轉(zhuǎn)矩傳遞能力和小的剩余空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，要求磁粉具有大的磁感應(yīng)強度和磁導(dǎo)率，小的矯頑力和剩磁。

材料化學(xué)成分是決定磁粉磁性能的首要因素，研究表明，在鐵中加入適量的鎳可以增大磁粉的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度，減小矯頑力；加入適量鈷可以使合金獲得大的磁感應(yīng)強度［5］。

磁粉松裝密度是影響磁粉磁性能的另一因素，磁粉松裝密度愈大，其顆粒間的空氣間隙愈小，其磁感應(yīng)強度和磁導(dǎo)率就愈大，磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞能力就越強、越穩(wěn)定。文獻［6］研究分析了磁粉填充密度對磁粉磁性能的影響關(guān)系。研究結(jié)果表明，磁粉磁感應(yīng)強度隨磁粉填充密度的增加而增大，磁粉相對實材密度與相對實材磁感應(yīng)強度之間呈近似比例關(guān)系。

2.2 磁粉粒徑及其配比

磁粉粒徑及其配比對離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能有著較大的影響。文獻［7］研究報道了磁粉離合器磁粉粒徑與傳遞轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。研究表明，受運轉(zhuǎn)離心力影響，磁粉粒徑過大，會削弱磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞能力；磁粉粒徑過小，磁粉離合器工作間隙中連接的磁粉顆粒就會過多，使磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能不穩(wěn)定，磁粉的平均粒徑一般按其工作間隙的1／16來確定。文獻［8］對磁粉00Cr13NiMo進行了配比試驗研究。結(jié)果顯示，粒徑配比方法對磁粉松裝密度和磁性能產(chǎn)生一定的影響，采用正三角法配比可使磁粉獲得最佳的磁性能，從而提高磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能。

2.3 流動性

磁粉流動性對離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能也有著較大的影響。通常采用標準漏斗法［9］測定磁粉流動性。磁粉流動性越好，磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞響應(yīng)越快，轉(zhuǎn)矩傳遞穩(wěn)定性也越好，磁粉離合器表現(xiàn)出來的轉(zhuǎn)矩傳遞性能就越佳［10］。磁粉流動性與磁粉的球形度密切相關(guān)，球形度越高，磁粉流動性就越好，有利于提高磁粉離合器的快速響應(yīng)性，磁粉球形度高還有助于減小磁粉與工作面間的摩擦，減少磨損，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩傳遞“磁粉鏈”，提升磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞能力和穩(wěn)定性。目前使用較多的是橢球形磁粉，國外磁粉產(chǎn)品粉體的70%呈土豆狀，30%呈球形。

2.4 耐久性

磁粉耐久性是指磁粉在磁粉離合器臺架試驗中磁粉離合器力矩降至初始值70%所用時間。耐久性越好，磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞穩(wěn)定性就越好。

磁粉離合器是靠磁粉間電磁力形成的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩的一種磁力機械產(chǎn)品。在滑差運行工況下，磁粉間產(chǎn)生滑動摩擦損耗，因此，磁粉耐磨性要好，以保證磁粉離合器在長時間的滑差工作狀態(tài)下穩(wěn)定運行?；瑒幽Σ镣瑫r產(chǎn)生功率損耗熱量，因此，磁粉要有一定的耐熱性，要求磁粉在500～600℃的高溫下無明顯氧化，不燒結(jié)成團，并且其磁性能在溫度變化范圍內(nèi)必須不改變，即具有良好的熱穩(wěn)定性，以保持離合器的性能穩(wěn)定。

3 仿真設(shè)計

3.1 分析方法

以麥克斯韋方程為理論基礎(chǔ)的磁場設(shè)計計算是磁粉離合器設(shè)計工作的核心，常用方法有磁路法和場域法。磁路法是現(xiàn)有磁力驅(qū)動機構(gòu)和設(shè)備普遍使用的工程設(shè)計方法，較成熟，但精度不高，只能用于近似設(shè)計。場域法是綜合考慮磁阻、漏磁、邊緣效應(yīng)、渦流損失等因素的影響，對磁場進行精細分析的一種方法，但計算方法較復(fù)雜，多采用數(shù)值法求解，其中最具代表性的是有限元法數(shù)值計算方法。

3.2 磁粉離合器分析模型

3.2.1 幾何模型

磁粉離合器為典型的軸對稱結(jié)構(gòu)，為減少分析計算過程中的工作量，將三維問題簡化為二維問題來解決，同時根據(jù)磁粉離合器的具體特征，對其分析模型作必要的簡化處理，建立的磁粉離合器主要磁路二維有限元幾何分析模型如圖2所示。

3.2.2 材料屬性

主動件、從動件、磁軛構(gòu)成磁粉離合器磁路，材料為10號低碳鋼。

磁粉離合器工作介質(zhì)（磁粉）中，鐵鈷鎳磁粉、鉻不銹鋼磁粉有著優(yōu)良的磁性能、耐熱性和耐磨性，得到普遍應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外關(guān)于納米晶軟磁材料的研究已取得了突破性成果，研究表明，鐵基納米晶軟磁合金具有高飽和磁感應(yīng)強度、高磁導(dǎo)率、高熱穩(wěn)定性、小矯頑力等十分優(yōu)異的軟磁材料性 能［11－12］。 綜 合 考 慮，選 用 粒 徑 為 30μm、40μm、50μm三種不同規(guī)格的00Cr13NiMo、鐵鈷鎳、鐵基納米晶軟磁合金三種磁粉。忽略磁粉粒徑對磁性能的影響，三種磁粉的B－H曲線如圖3所示。鐵基納米晶軟磁合金磁粉B－H曲線根據(jù)其所對應(yīng)的實材材料磁特性按一定比例關(guān)系獲得，鐵鈷鎳、00Cr13NiMo磁粉B－H曲線通過試驗獲得［5，8］。

3.2.3 邊界條件和激勵源

邊界條件應(yīng)用自然邊界和諾依曼邊界；激勵源線圈繞組端口面積為100mm2，激磁電流密度J為0～3A／mm2。

3.2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格剖分采用金字塔型剖分設(shè)置，在對求解參數(shù)和求解域網(wǎng)格能量誤差進行設(shè)置后，利用系統(tǒng)自適應(yīng)剖分技術(shù)自動求解剖分網(wǎng)格。

3.2.5 仿真結(jié)果與分析

圖4給出了采用不同磁粉材料的磁粉離合器特性仿真曲線。從圖4可以看出，鐵基納米晶磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞容量最大，00Cr13NiMo磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞容量最小。鐵鈷鎳磁粉離合器有著較寬的線性工作區(qū)間。00Cr13NiMo磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性曲線在工作區(qū)間內(nèi)明顯分為非線性區(qū)、線性區(qū)、飽和區(qū)三段，這是由00Cr13NiMo磁粉較小的飽和磁感應(yīng)強度引起的。當激磁電流密度J為2.5A／mm2時，00Cr13NiMo磁粉達到飽和，磁粉磁導(dǎo)率下降，磁路磁阻增大，工作間隙中的磁感應(yīng)強度B隨J的增大而增大的趨勢減緩，出現(xiàn)圖4中00Cr13NiMo磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性曲線的飽和區(qū)，與實際工作情況相吻合。

圖5給出了磁粉粒徑分別為30μm、40μm和50μm的鐵鈷鎳磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性仿真曲線。從圖5可以看出，磁粉粒徑越小，磁粉離合器傳遞轉(zhuǎn)矩就越大。隨著粒徑的減小，磁粉在工作過程中所受離心力減小，使磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性更穩(wěn)定，適應(yīng)于高轉(zhuǎn)速的運轉(zhuǎn)條件。但是，磁粉粒徑也不能無限制地減小，因為過小的磁粉粒徑會引起過小的工作間隙，從而影響磁粉在工作間隙中的流動。

4 結(jié)論

（1）磁粉的磁性能與磁粉離合器特性密切相關(guān)。提高磁粉材料磁性能是提升磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能的一種有效手段。納米晶軟磁合金材料與其他軟磁材料的性能相比，有著更為優(yōu)異的綜合磁性能［12］。仿真分析結(jié)果表明，采用高性能納米晶軟磁合金磁粉可顯著提高磁粉離合器特性。

（2）磁粉粒徑對離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能有著較大的影響。減小磁粉粒徑是提升磁粉離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能的一種有效手段，但磁粉粒徑也不能無限制地減小，要綜合考慮磁粉粒徑對工作間隙尺寸的影響以及磁粉粒徑在工作間隙中的流動性等問題。

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