在线铁谱仪磁场的优化及设计

　　磨损是机器运行过程中不可避免的现象,也是机器失效的主要原因[1-2]。在线铁谱技术能通过润滑油中的铁磁性磨粒监测机器磨损的状态,其磁场以前由电磁铁产生,并以最大磁感应强度及其梯度为标准来衡量[3]。理论研究结果表明,上述标准具有局限性[4]。为了显著减小磁铁装置的体积,本文作者将先提出一种结合永磁体与电磁铁的混合磁铁结构,并以磨粒所受磁力为依据定义目标函数,再结合有限元方法和改进遗传算法对混合磁铁进行优化设计。

　　1　混合磁铁的工作原理

　　在线铁谱仪工作时,混合磁铁(如图1所示)的激磁线圈先正向通电产生强磁场,将润滑油中的铁磁性磨粒沉积在流道内;接着,激磁线圈断电,磨粒在永磁体产生的磁场作用下保持沉积位置不变,以便采用图像传感器检测形貌;然后,激磁线圈反向通电,其磁通势与永磁体大小相等、方向相反,以使流道内的磁场消失,沉积磨粒能被油样冲刷干净。由此可见,在线铁谱仪存在沉积磨粒、保持磨粒和冲刷磨粒3种工况。

　　若不考虑漏磁通和导磁材料的磁阻,混合磁铁的等效磁路如图2所示。图中,Fd和Fp分别表示激磁线圈和永磁体的磁势,Rg、Ra和Rp分别表示工作气隙、永磁体和辅助气隙的等效磁阻。

　　在冲刷磨粒工况下,混合磁铁工作气隙中的磁通为零,因此:

　　若令:

　　式中:α为正常数。可得沉积磨粒工况下Rg两端的磁势为:

　　由式(3)可知,只要　

　　则:

　　由式(2) ~ (5)知,只要合理选择辅助气隙参数,混合磁铁的总磁势由电磁铁确定。鉴于与电磁铁相比,只需较小体积的永磁体就能提供相同数量的磁通,所以混合磁铁的体积小于电磁铁。若令永磁体的工作点为(0·73 T, 971 kA/m),其尺寸由下式确定:

　　式中: Hm为永磁体工作点的磁场强度,A/m; lp为永磁体的厚度,m; kr为一个经验系数,本文取值1·4; Hg为混合磁铁工作气隙的等效高度,m; lg为混合磁铁的工作气隙长度,m; Bm为永磁体工作点的磁感应强度,T; Hp为永磁体的高度,m; Wp为永磁体的宽度,m; kf也为一个经验系数,本文取值4。Bg为混合磁铁工作气隙中的磁感应强度,T; Wg为混合磁铁工作隙的等效宽度,m。

　　借鉴以往经验,取混合磁铁的总磁势为2 000 At和1 200 At,计算永磁体尺寸,取整后示于表1。

　　2　混合磁铁平面磁场的边值问题

　　由图1可见,混合磁铁的几何结构关于y轴对称,激磁电流分布关于y轴反对称,因此只需建立1/2模型就可描述整个混合磁铁的磁场分布情况(如图3所示)。图3中,为了研究磁极上方的磁场分布情况,磁场求解域中包括了较大范围的空气。