大吨位永磁起重设备磁场设计及优化

摘要

稀土永磁材料的迅速发展，使得制作小体积、大吨位的永磁起重设备成为一种可能。以永磁体为磁源的永磁起重设备的开发成为了永磁材料应用的新领域，也是起重技术发展中的一个具有广阔前景的新方向。本文针对永磁起重设备的磁场分布进行了研究，在现有结构形式的永磁磁路基础上获得了起重吨位大、永磁用量小（永磁块总重量小），且具备优异性价比的永磁起重设备。并在此基础上进一步优化永磁磁场的设计，为大吨位永磁起重设备的设计提供了必要的参考依据。
　　本文首先研究了永磁起重设备的工作原理及磁路设计原理，选择最合适的磁性材料，并根据永磁起重设备设计的具体要求，对磁路结构进行设计并初步确定了磁路尺寸。通过分析永磁起重设备吸物状态时的磁路走向，确定其主磁通的磁回路，忽略小气隙，画出等效磁路。基于永磁起重设备的磁路尺寸，采用等效磁路网络法求解其等效磁路，并计算出了磁极面处的吸力大小。
　　应用有限元分析软件Maxwell研究了在吸物状态时磁极面处的磁感应强度分布以及钢板所受的吸力的大小，在卸物状态时磁极面处的残余磁场强度分布及残余磁力的值，仿真结果与解析计算得出的结果一致，验证了磁路尺寸计算的正确性。但是，仿真结果也表明剩磁较大，需要做进一步的优化。建立了永磁起重设备的可动磁系旋转的二维有限元模型，在后处理中通过Animate选项对场量进行动态观察，验证了本设计所用的磁路开关原理的正确性。
　　采用永磁体尺寸的优化分析方法，应用Maxwell软件优化设计模块中的参数扫描分析（Parametric）分别对永磁体B、C、E、F的磁化长度和宽度对磁路的影响进行分析，确定了优化方案。通过后处理得出仿真数据，比较了永磁起重设备的残余磁场强度、吸重比（吸重/永磁体重量）以及磁路结构的吸重成本比（永磁体成本/吸重），得到了最佳设计方案。通过仿真分析对比优化前后的指标，证明了优化后的磁路结构大大优于优化前的磁路结构。
　　永磁起重设备作为工业建设中的重要组成部分，它的工作状况直接影响到工程作业的安全性和经济性。本课题首先通过理论分析得到吸力达100吨的永磁体起重设备的磁路尺寸，然后结合有限元分析软件Maxwell对整个磁路进行有限元分析，最后针对永磁起重设备的残余磁场强度进行了优化设计。优化后的永磁起重设备，不仅可以减小漏磁，减少漏磁场对人体的伤害，具有环保意义，而且有利于永磁起重设备的小型化，加快它的商业化进程。同时，该课题的研究和设计对永磁起重设备的起重能力、安全性的提高具有重要的意义。

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第1章 绪论

1. 1 引言

1. 2 永磁起重设备的发展及现状

1. 3 永磁体磁场计算的国内外研究现状

1. 4 本课题研究的目的和意义

1. 5 本课题的研究内容及主要工作

第2章 永磁起重设备的工作原理及磁路的设计原理

2. 1 永磁起重设备组成及其工作原理

2. 2 磁性材料的技术基础

2. 3 静态磁路法

2. 4 动态磁路法

2. 5 永磁体吸力公式的推导

2. 6 本章小结

第3章 大吨位永磁起重设备磁场的设计

3. 1 大吨位永磁起重设备的选材

3. 2 大吨位永磁起重设备磁路尺寸的计算分析

3. 3 基于等效磁路网络法对永磁起重设备磁路的计算

3. 4 大吨位永磁起重设备的吸重的计算分析

3. 5 本章小结

第4章 大吨位永磁起重设备的有限元分析

4. 1 有限元方法

4. 2 电磁场有限元分析概要

4. 3 吸物状态时永磁起重设备的二维有限元分析

4. 4 卸物状态时永磁起重设备的二维有限元分析

4. 5 磁路开关原理的验证

4. 6 本章小结

第5章 磁场设计结果分析及优化设计

5. 1 引言

5. 2 结构参数对磁路的影响

5. 3 优化方案的确定

5. 4 优化分析

5. 5 本章小结

结论

参考文献

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