一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机

1.本发明涉及一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，属于永磁涡电流分选机技术领域。


背景技术：

2.永磁涡电流分选机是一种广泛应用于分选电子垃圾、金属矿山的设备，传统的永磁涡电流分选机磁钢为径向充磁。如图1和图2所示，图1为传统的均匀永磁涡电流分选机磁辊横截面结构，磁辊为24极，且单个磁极尺寸均匀，图2为传统的非均匀永磁涡电流分选机磁辊横截面结构，磁辊为24极且单个磁极尺寸不均匀，磁辊为18极，且单个磁极尺寸不均匀，右侧单个磁极尺寸为左侧的二倍。
3.海尔贝克阵列(halbach array)充磁特征和优势为在不同充磁方向磁块排列状态下，采用最少的永磁体用量，控制磁路流向，进而产生最大单边且分布为正弦性良好的磁场，改善永磁电磁设备转矩方向出力，适宜进行非转矩方向出力，有效削弱振动和噪声情况，因而其应用领域非常广泛。
4.永磁涡电流分选机在圆柱坐标作用下分选物块存在切向和径向分量，从分选物块侧分析，分选物块切向电磁力作用下实现切向抛出，分选物块径向电磁力作用下实现脱离传送皮带而悬浮起来。制约于物体间相互作用力，从永磁涡电流分选机侧分析，永磁涡电流分选机同时承受切向力和径向力，径向力不做功且对轴承会造成破坏。
5.在永磁涡电流分选机研究过程中，发现单边增磁halbach阵列充磁结构可以增加永磁涡电流分选机永磁材料利用率和提升分选效果，但是，此种类型涡电流分选机在运行中经常会发生涡电流电磁力波频率高于磁辊结构固有频率，这就会导致永磁涡电流分选机电磁和机械性能严重下降甚至导致共振现象发生，从而威胁其稳定安全运行和降低磁辊使用寿命。


技术实现要素：

6.本发明目的是为了解决现有海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机存在共振现象的问题，提供了一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机。
7.本发明所述一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，涡电流分选机的磁辊采用海尔贝克阵列，每个磁极包括一个主磁极和一个辅助磁极，主磁极角度为η，辅助磁极角度为γ，单个磁辊的等效磁极角度为η+γ，磁极数为2π/(η+γ)；
8.主磁极角度η占磁辊等效磁角度η+γ的比例范围为0.4～0.6。
9.优选的，所述主磁极角度η占磁辊等效磁角度η+γ的比例为0.5。
10.优选的，所述磁辊的海尔贝克阵列包括非均匀海尔贝克阵列和均匀海尔贝克阵列；
11.非均匀海尔贝克阵列的主磁极角度η和辅助磁极角度γ不同；
12.均匀海尔贝克阵列的主磁极角度η和辅助磁极角度γ相同。
13.优选的，所述主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围的确定方法包括：
14.s1、对涡电流分选机的磁辊进行模态振型分析，并计算获得固有频率；
15.s2、进行电磁力波频率测算，获得电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率；
16.s3、依据s1获取的固有频率、振型分析结果和s2获取的电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率，获得主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围。
17.优选的，s1所述对涡电流分选机的磁辊进行模态振型分析，并计算获得固有频率的具体方法包括：
18.s1-1、将磁辊磁轭和转轴简化为磁辊转子轴，绘制磁辊三维模型；
19.s1-2、基于磁辊转子轴有无穷多个自由度，假设弹性系统质量分布连续，建立有限元模态计算模型；
20.s1-3、涡电流分选机磁辊前6阶固有频率分别为：275hz、275hz、295hz、780hz、781hz和1024hz；
21.s1-4、、振型分析结果为：以磁辊与有色金属之间的涡流力作为外部激励，1阶、2阶、4阶和5阶振型均为径向弯曲，与磁辊受到的外部激励为同平面；3阶和6阶振动为轴向振动，与磁辊受到的外部激励不共面。
22.优选的，s2所述进行电磁力波频率测算，获得电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率的具体方法包括：
23.外部激励为径向涡电流电磁力波，涡电流的电磁力波为：
24.fr＝uka
12 sin2[k(α-ωmt)]
[0025]
+2uka1a
3 sin[k(α-ωmt)]sin[3k(α-ωmt)]
[0026]
+uka
32 sin2[3k(α-ωmt)]
[0027]
其中：fr表示涡电流电磁力波瞬时值，磁辊表面磁感应强度是径向磁感应强度的u倍，k表示与频率无关的系数，a1表示1次谐波幅值，a3表示3次谐波幅值，k表示磁极对数，α表示磁极偏置角度，ωm表示磁辊旋转角速度，t表示时间；
[0028]
计算获得：
[0029][0030]
电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率分别为：
[0031]
基波的波形幅值为0.5uka
12-uka1a3，波形频率为
[0032]
2次谐波的波形幅值为uka1a3，波形频率为
[0033]
3次谐波的波形幅值为0.5uka
32
，波形频率为
[0034]
因此：2次谐波幅值为基波的a3/(0.5a
1-a3)倍，
[0035]
3次谐波幅值为基波的a
32
/(a
12-2a1a3)倍。
[0036]
本发明的优点：本发明基于电磁力波频率和固有频率的分析，同时结合模态振型分析，调整了海尔贝克阵列的充磁结构，提出了一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，能够避免低次谐波电磁力波频率高于固有频率，能够有效避免磁辊结构低频共振，有效地提升了永磁涡电流分选机设备的稳定性和延长了使用寿命。
[0037]
此外，本发明提出的基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，采用同样尺寸永磁体材料，通过合理设计永磁材料充磁和排布顺序，获取了更高的涡电流分选机电磁性能和分选效果，提高了永磁体利用率。
附图说明
[0038]
图1是传统的均匀永磁涡电流分选机磁辊横截面结构；
[0039]
图2是传统的非均匀永磁涡电流分选机磁辊横截面结构；
[0040]
图3是本发明所述基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机的磁极结构示意图，其中，1表示主磁极，2表示辅助磁极，主磁极占比为0.5；
[0041]
图4是主磁极占比为0.4时的永磁涡电流分选机的磁极结构示意图；
[0042]
图5是主磁极占比为0.6时的永磁涡电流分选机的磁极结构示意图；
[0043]
图6是有限元模态计算模型的剖分图；
[0044]
图7是涡电流分选机磁辊前6阶固有频率对应振型图，其中，(a)表示1阶振型，(b)表示2阶振型，(c)表示3阶振型，(d)表示4阶振型，(e)表示5阶振型，(f)表示6阶振型。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0047]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0048]
实施例1：
[0049]
下面结合图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，涡电流分选机的磁辊采用海尔贝克阵列，每个磁极包括一个主磁极和一个辅助磁极，主磁极角度为η，辅助磁极角度为γ，单个磁辊的等效磁极角度为η+γ，磁极数为2π/(η+γ)；
[0050]
主磁极角度η占磁辊等效磁角度η+γ的比例范围为0.4～0.6。
[0051]
进一步的，所述主磁极角度η占磁辊等效磁角度η+γ的比例为0.5。
[0052]
再进一步的，所述磁辊的海尔贝克阵列包括非均匀海尔贝克阵列和均匀海尔贝克阵列；
[0053]
非均匀海尔贝克阵列的主磁极角度η和辅助磁极角度γ不同；
[0054]
均匀海尔贝克阵列的主磁极角度η和辅助磁极角度γ相同。
[0055]
本实施方式中，所述磁极角度为磁极在定子内圆上所占的角度。
[0056]
实施例2：
[0057]
下面结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式所述一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，涡电流分选机的磁辊采用海尔贝克阵列，每个磁极包括一个主磁极和一个辅助磁极，所述主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围的确定方法包括：
[0058]
s1、对涡电流分选机的磁辊进行模态振型分析，并计算获得固有频率；
[0059]
s2、进行电磁力波频率测算，获得电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率；
[0060]
s3、依据s1获取的固有频率、振型分析结果和s2获取的电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率，获得主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围。
[0061]
进一步的，s1所述对涡电流分选机的磁辊进行模态振型分析，并计算获得固有频率的具体方法包括：
[0062]
s1-1、将磁辊磁轭和转轴简化为磁辊转子轴，绘制磁辊三维模型；
[0063]
s1-2、基于磁辊转子轴有无穷多个自由度，假设弹性系统质量分布连续，建立有限元模态计算模型；
[0064]
s1-3、涡电流分选机磁辊前6阶固有频率分别为：275hz、275hz、295hz、780hz、781hz和1024hz；
[0065]
s1-4、、振型分析结果为：以磁辊与有色金属之间的涡流力作为外部激励，1阶、2阶、4阶和5阶振型均为径向弯曲，与磁辊受到的外部激励为同平面；3阶和6阶振动为轴向振动，与磁辊受到的外部激励不共面。
[0066]
本实施方式中，转轴及磁轭、永磁体磁极之间物理参数相近，由于磁辊各部件之间紧密配合，将磁辊磁轭及转轴简化为磁辊转子轴，磁辊结构材料参数如表1：
[0067]
表1
[0068]
部件材料密度/(kg/m3)杨氏模/(1011pa)泊松比/pa转轴结构钢75002.00.30磁轭q235-a78502.10.33磁极nd-fe-b n5276001.60.24
[0069]
有限元模态计算模型的剖分图如图6所示。采用solid works软件绘制磁辊三维模型。采用ansys workbench软件建立有限元计算模型。涡电流分选机磁辊前6阶固有频率对应振型图如图7所示。
[0070]
再进一步的，s2所述进行电磁力波频率测算，获得电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率的具体方法包括：
[0071]
外部激励为径向涡电流电磁力波，涡电流的电磁力波为：
[0072]fr
＝uka
12 sin2[k(α-ωmt)]
[0073]
+2uka1a
3 sin[k(α-ωmt)]sin[3k(α-ωmt)]
[0074]
+uka
32 sin2[3k(α-ωmt)]
[0075]
其中：fr表示涡电流电磁力波瞬时值，磁辊表面磁感应强度是径向磁感应强度的u倍，k表示与频率无关的系数，a1表示1次谐波幅值，a3表示3次谐波幅值，k表示磁极对数，α表示磁极偏置角度，ωm表示磁辊旋转角速度，t表示时间；
[0076]
计算获得：
[0077][0078]
电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率分别为：
[0079]
基波的波形幅值为0.5uka
12-uka1a3，波形频率为
[0080]
2次谐波的波形幅值为uka1a3，波形频率为
[0081]
3次谐波的波形幅值为0.5uka
32
，波形频率为
[0082]
因此：2次谐波幅值为基波的a3/(0.5a
1-a3)倍，
[0083]
3次谐波幅值为基波的a
32
/(a
12-2a1a3)倍。
[0084]
本实施方式中，根据涡电流电磁力波的计算结果，涡电流分选机磁辊磁感应强度径向分量有限元计算结果如表2所示：
[0085]
表2
[0086][0087][0088]
由此获得涡电流电磁力的基波及2次，3次谐波的幅值及波形频率表达式如表3所示：
[0089]
表3
[0090][0091]
因此，2次谐波幅值为基波的a3/(0.5a
1-a3)倍，3次谐波幅值为基波的a
32
/(a
12-2a1a3)倍。磁辊外磁感应强度主要成分为基波，占总磁感应强度幅值的90％以上，其幅值为a1，3次谐波幅值a3小于基波幅值的10％，故以a
32
为系数的涡电流电磁力波分量可以近似忽略。磁感应强度5次谐波最大仅为基波的7％，可近似忽略。即thd％为3次谐波相对基波大小百分比。
[0092]
本实施方式中，s3所述根据涡电流电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率，分别以电磁力频率和电磁力幅值为依据，获得主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围，具体分析过程如下：
[0093]
根据表2的磁感应强度径向分量有限元计算结果，获得径向涡电流电磁力波2次谐波及3次谐波计算结果，如表4所示：
[0094]
表4
[0095][0096]
对halbach阵列永磁涡电流分选机电磁力频率来说，从表4可以看出，随着磁辊的等效磁极角度增加，涡电流电磁力基波频率逐渐降低。halbach阵列主磁极占整个磁极角度比η/(η+γ)取0.5时，涡电流电磁力波无谐波。磁极数为24极时，磁辊产生涡电流电磁力基波频率f1为320hz，高于磁辊1阶固有频率275hz，易导致磁辊结构共振。磁极数为12、16极
时，磁辊产生涡电流电磁力基波频率f1为160hz、212hz，均低于磁辊各阶固有频率，2次及3次谐波频率均高于磁辊结构1阶固有频率。当η/(η+γ)取0.4～0.6时，2次谐波幅值较小，其他比例磁辊产生涡电流电磁力的2次谐波幅值最大值超过基波分量幅值，易导致磁辊结构共振现象更加严重，因此，应避免主磁极占等效磁极角度比例超出0.4～0.6范围，且磁极占等效磁极角度等于0.5时避免低频共振效果最好。
[0097]
对halbach阵列永磁涡电流分选机电磁力幅值来说，随着主磁极角度占比逐渐增大或减小，涡电流电磁力波的2次及3次谐波幅值随之增大。为削弱磁辊结构共振称度，采用halbach阵列的有色金属涡电流分选机磁辊设计为非均匀和均匀磁极时，主磁极占整个磁极的最佳比例为0.4～0.6，可以有效避免磁辊结构共振过于严重。
[0098]
基于上述halbach阵列永磁涡电流分选机电磁力频率和幅值分析，确立主磁极占比为0.4～0.6，主磁极占比为0.4时的磁极结构示意图如图4所示，主磁极占比为0.6时的磁极结构示意图如图5所示，且主磁极占等效磁极角度越接近于0.5效果越好，主磁极占比为0.5时的磁极结构示意图如图3所示。
[0099]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，其特征在于，涡电流分选机的磁辊采用海尔贝克阵列，每个磁极包括一个主磁极和一个辅助磁极，主磁极角度为η，辅助磁极角度为γ，单个磁辊的等效磁极角度为η+γ，磁极数为2π/(η+γ)；主磁极角度η占磁辊等效磁角度η+γ的比例范围为0.4～0.6。2.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，其特征在于，所述主磁极角度η占磁辊等效磁角度η+γ的比例为0.5。3.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，其特征在于，所述磁辊的海尔贝克阵列包括非均匀海尔贝克阵列和均匀海尔贝克阵列；非均匀海尔贝克阵列的主磁极角度η和辅助磁极角度γ不同；均匀海尔贝克阵列的主磁极角度η和辅助磁极角度γ相同。4.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，其特征在于，所述主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围的确定方法包括：s1、对涡电流分选机的磁辊进行模态振型分析，并计算获得固有频率；s2、进行电磁力波频率测算，获得电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率；s3、依据s1获取的固有频率、振型分析结果和s2获取的电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率，获得主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围。5.根据权利要求4所述的一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，其特征在于，s1所述对涡电流分选机的磁辊进行模态振型分析，并计算获得固有频率的具体方法包括：s1-1、将磁辊磁轭和转轴简化为磁辊转子轴，绘制磁辊三维模型；s1-2、基于磁辊转子轴有无穷多个自由度，假设弹性系统质量分布连续，建立有限元模态计算模型；s1-3、涡电流分选机磁辊前6阶固有频率分别为：275hz、275hz、295hz、780hz、781hz和1024hz；s1-4、、振型分析结果为：以磁辊与有色金属之间的涡流力作为外部激励，1阶、2阶、4阶和5阶振型均为径向弯曲，与磁辊受到的外部激励为同平面；3阶和6阶振动为轴向振动，与磁辊受到的外部激励不共面。6.根据权利要求5所述的一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，其特征在于，s2所述进行电磁力波频率测算，获得电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率的具体方法包括：外部激励为径向涡电流电磁力波，涡电流的电磁力波为：f
r
＝uka
12
sin2[k(α-ω
m
t)]+2uka1a3sin[k(α-ω
m
t)]sin[3k(α-ω
m
t)]+uka
32
sin2[3k(α-ω
m
t)]其中：f
r
表示涡电流电磁力波瞬时值，磁辊表面磁感应强度是径向磁感应强度的u倍，k表示与频率无关的系数，a1表示1次谐波幅值，a3表示3次谐波幅值，k表示磁极对数，α表示磁极偏置角度，ω
m
表示磁辊旋转角速度，t表示时间；计算获得：
电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率分别为：基波的波形幅值为0.5uka
12-uka1a3，波形频率为2次谐波的波形幅值为uka1a3，波形频率为3次谐波的波形幅值为0.5uka
32
，波形频率为因此：2次谐波幅值为基波的a3/(0.5a
1-a3)倍，3次谐波幅值为基波的a
32
/(a
12-2a1a3)倍。

技术总结
一种基于海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机，属于永磁涡电流分选机技术领域，本发明为解决现有海尔贝克阵列的永磁涡电流分选机存在共振现象的问题。它包括：对涡电流分选机的磁辊进行模态振型分析，计算获得固有频率；进行电磁力波频率测算，获得电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率；根据电磁力波的各次谐波的波形幅值和波形频率，获得主磁极角度与磁辊等效磁极数的比例范围；主磁极角度占磁辊等效磁角度的比例范围为0.4～0.6。本发明用于永磁涡电流分选机。磁涡电流分选机。磁涡电流分选机。


技术研发人员：吕品 李明军 马浩天 苏勋文 程鲁帅 王浩铭 翟悦琳 王凯旋
受保护的技术使用者：黑龙江科技大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1