無論是汽車發(fā)動機、風(fēng)力渦輪機，還是隨處可見的腕表，扭矩轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)功率的傳遞都是眾多技術(shù)的重要組成部分。

傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)通常利用一組機械齒輪或軸來進(jìn)行扭矩和功率的傳遞。機械傳動裝置中的連續(xù)接觸部位容易受到摩擦、磨損和過載的影響。隨著傳動技術(shù)的應(yīng)用不斷向著更加惡劣和極端的環(huán)境擴展，機械傳動裝置的局限性可能造成嚴(yán)重危害。在交通不便、環(huán)境惡劣的地區(qū)，更換故障的傳動裝置是一項極具挑戰(zhàn)的任務(wù)，需要付出巨大的代價。

無摩擦動力傳遞

Sintex 公司的工程師開發(fā)了一套具有更高穩(wěn)定性和可靠性的新型傳動系統(tǒng)：磁力聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器的特別之處在于動力的傳遞是依靠磁力而非機械力來實現(xiàn)，因此避免了接觸和磨損，大幅延長了傳動系統(tǒng)的使用壽命。扭矩聯(lián)軸器的動力傳遞依靠同軸的永磁體陣列（圖 1）。當(dāng)電源開啟后，一個驅(qū)動器開始轉(zhuǎn)動，它與另一個驅(qū)動器間的耦合磁場會帶動另一個驅(qū)動器以相同的速度轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)功率傳遞與機械傳動裝置相似，但是由于沒有摩擦，所以不存在過載風(fēng)險。如果電機傳遞的扭矩過大，則聯(lián)軸器會限制對軸施加過量扭矩，這一機制可防止軸所承受的扭矩值超過設(shè)計極限，從而保證系統(tǒng)能夠在預(yù)期工作條件下持續(xù)運行。

圖 1. 磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖。

對于海上風(fēng)力發(fā)電機和采用復(fù)雜泵系統(tǒng)的行業(yè)來說，Sintex 的非接觸式磁力聯(lián)軸器是一款理想的產(chǎn)品。海上風(fēng)力發(fā)電場因發(fā)電量大的優(yōu)勢而備受關(guān)注。然而由于風(fēng)機零部件維修難度極大，因此這些零部件需要具備高度的可靠性。在單臺渦輪機中，磁力聯(lián)軸器將能量從電機傳遞給水泵，用于全天 24 小時冷卻電子元件。由于海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程離岸安裝，預(yù)防性維護(hù)或維修任務(wù)非常繁重，且成本高昂，因此磁力聯(lián)軸器的可靠性成為了重中之重。驅(qū)動器之間的間隙可以輕松容納一個隔離密封套（圖 2），其作用是隔離不同的介質(zhì)，形成密封系統(tǒng)。這類系統(tǒng)主要用于化工和食品工業(yè)，在化學(xué)品和有毒物質(zhì)的運輸、混合、攪拌和研磨過程中，無泄漏泵系統(tǒng)的重要性不言而喻。

圖 2. 上：磁力聯(lián)軸器的正面剖視圖。下：磁力聯(lián)軸器三維模型，顯示了磁體的溫度分布、通過鐵芯的磁通密度以及網(wǎng)格。 圖注 ： Can - 隔離套； Inner iron - 內(nèi)部鐵結(jié)構(gòu)； Outer iron - 外部鐵結(jié)構(gòu)； Outer magnets - 外磁體； Inner magnets - 內(nèi)磁體

磁力聯(lián)軸器的廣泛應(yīng)用

Sintex 生產(chǎn)的磁力聯(lián)軸器具有廣泛的應(yīng)用范圍。不過在實際應(yīng)用中需要根據(jù)給定的約束條件進(jìn)行個性化定制，例如滿足重量或材料要求，符合幾何結(jié)構(gòu)限制等。在設(shè)計過程中，工程師需要反復(fù)修改磁體的形狀和材料，才能設(shè)計出符合客戶需求的產(chǎn)品。由于磁體樣機的制作成本高、耗時長，工程師希望在不用構(gòu)建樣機的情況下就能改進(jìn)設(shè)計。為了節(jié)省時間，Sintex 使用多物理場仿真來表征各種構(gòu)型，并為設(shè)計創(chuàng)建虛擬原型。Flemming Buus Bendixen 是 Sintex 公司從事磁性材料研究的專業(yè)人員，擁有二十多年的仿真分析經(jīng)驗，COMSOLMultiphysics? 是他近十年最常用的仿真工具。

“在我看來，COMSOL 最大的優(yōu)勢是支持各種類型的仿真；你可以在軟件中添加多種物理場，并模擬它們之間的相互作用。”Bendixen 評論道。他的團隊建立了大量完善、復(fù)雜的模型。這些模型經(jīng)過了嚴(yán)格的驗證和確認(rèn)，贏得了團隊的充分信任。仿真模型不僅幫助工程師團隊節(jié)省了時間，使他們可以將更多的精力和資源集中在完善細(xì)節(jié)上，同時為 Sintex 的客戶節(jié)約了成本。

革新設(shè)計，消除風(fēng)險

磁力聯(lián)軸器的主要作用是沿軸傳遞最大的扭矩和功率。Bendixen 使用多物理場仿真來研究磁力聯(lián)軸器驅(qū)動器之間的相互作用，并計算出從外部驅(qū)動器傳遞給內(nèi)部驅(qū)動器的扭矩。Bendixen 通過多種方式來計算扭矩，包括麥克斯韋應(yīng)力張量法、后處理積分法以及 Arkkio 方法。經(jīng)過與實驗結(jié)果對比，仿真分析的誤差只有1％，模型的準(zhǔn)確性得到了充分驗證。在新設(shè)計的開發(fā)過程中，該模型可用于研究特定結(jié)構(gòu)中傳遞的最大扭矩。

考慮到永磁體磁場會帶來許多負(fù)面效應(yīng)，Bendixen 努力通過仿真來模擬它們產(chǎn)生的影響。在聯(lián)軸器的鋼制隔離套等金屬材料中，外磁場會引起渦流，從而產(chǎn)生電損耗。“南北磁極的變化會在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生電壓，系統(tǒng)會由于鋼的導(dǎo)電性而產(chǎn)生能量耗散。”Bendixen 解釋說。對于這種被稱為隔離套渦流損耗的現(xiàn)象，研究團隊希望利用軟件中的后處理工具對其進(jìn)行分析，力爭將這類損耗降至最低。該團隊使用內(nèi)部開發(fā)的儀器對設(shè)計中的隔離套渦流損耗進(jìn)行了實驗測試。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果只有百分之幾的差別，進(jìn)一步證明了模型的準(zhǔn)確性。

“我們致力于捕捉磁性材料的真實非線性特性。COMSOL 軟件為我們提供了強力支持，確保陣列達(dá)到最佳磁化效果。”Bendixen 表示。團隊在仿真中采用了高度非線性的磁滯曲線，并依據(jù)曲線和材料溫度的相關(guān)性來調(diào)整磁負(fù)載，由此來防止永磁體達(dá)到臨界溫度而產(chǎn)生不可逆的退磁。這對于確保產(chǎn)品的可靠性來說至關(guān)重要。“確定磁體能承受的最高溫度是極其重要的，我們現(xiàn)在可以非常準(zhǔn)確地計算出溫度上限值。”Bendixen 補充道，“磁體一旦過熱，就可能產(chǎn)生局部退磁。”

Bendixen 進(jìn)一步發(fā)掘了多物理場仿真的靈活性，通過導(dǎo)入 Sintex 的磁性材料庫，可以對各種磁體構(gòu)造進(jìn)行定制化設(shè)計。

圖 3. 標(biāo)準(zhǔn)的磁力聯(lián)軸器。

仿真人員的“得力助手”

Sintex 在創(chuàng)建含有足夠細(xì)節(jié)的復(fù)雜模型后，便會著手?jǐn)U大模型的使用范圍，讓非仿真專業(yè)人員也能使用這些模型進(jìn)行仿真分析。以前，銷售人員和其他沒有仿真經(jīng)驗的同事需要對設(shè)計進(jìn)行測試時，他們就會請求 Bendixen 幫助完成所有的計算工作。

為了能夠讓同事們盡快得到仿真結(jié)果，Bendixen 基于多物理場模型開發(fā)了仿真App，仿真的效率和便捷性都因此達(dá)到了前所未有的高度。目前在 Sintex 公司，多達(dá)二十位用戶正在使用十款不同的仿真 App。這些仿真 App 都是直接在COMSOL Multiphysics? 中利用“App 開發(fā)器”工具創(chuàng)建的，用戶只需要連接到COMSOL Server? 就能通過網(wǎng)頁瀏覽器進(jìn)行訪問。仿真 App 直觀的用戶界面和簡易的部署方式讓所有員工都能輕松使用。公司甚至可以為重要客戶開放這些仿真 App 及其計算功能的使用權(quán)限。“我之所以開發(fā)仿真 App，是因為一些同事不熟悉仿真軟件，但又希望自己運行系統(tǒng)測試和仿真分析。仿真 App 讓這一切成為了現(xiàn)實。”Bendixen 說道。

借助仿真 App，用戶無需修改底層計算模型就能調(diào)整設(shè)計參數(shù)。“銷售人員可以通過電話與客戶確認(rèn)產(chǎn)品需求規(guī)格，并在短短幾分鐘內(nèi)，快速修改模型尺寸并運行仿真，及時為客戶提供所需的數(shù)據(jù)。”Bendixen 說。仿真 App 雖然界面簡單，但具有極強的靈活性，為設(shè)計創(chuàng)新提供了充足的發(fā)揮空間。用戶可以在 Sintex 開發(fā)的仿真 App 中調(diào)整幾何參數(shù)和磁性參數(shù)，然后基于這些參數(shù)計算磁體的臨界溫度、剩磁分布、磁通密度、扭矩和隔離套渦流損耗等。圖 4 顯示的仿真 App 示例用于模擬隔離套中產(chǎn)生的渦流，得到的電流值可以用于計算系統(tǒng)的功率損耗。現(xiàn)在，各個開發(fā)階段涉及的人員都能參與到設(shè)計過程中，為最大限度地提高產(chǎn)品可靠性貢獻(xiàn)自己的力量。

圖 4. 仿真 App 模擬了隔離套內(nèi)的感應(yīng)渦流密度，并計算由此引起的能量損耗。

展望未來

Sintex 目前正在開發(fā)一種新型的磁阻式傳動裝置，用于進(jìn)一步擴大傳動裝置的應(yīng)用范圍。這種裝置不僅可以實現(xiàn)可靠的非接觸式磁力傳動扭矩，還可以改變驅(qū)動器之間的速度或扭矩，從而在傳動比固定的情況下發(fā)揮機械優(yōu)勢。新型傳動裝置具有獨特的設(shè)計，其中加入了一塊磁化方向與軸平行的永磁體，極大地簡化了裝配結(jié)構(gòu)。在仿真 App 的幫助下，更多人員能夠參與分析過程，這就使Bendixen 能投入更多的時間和精力專注于改進(jìn) Sintex 的磁技術(shù)。