清华大学学报(自然科学版)

作者：李玉梅, 卢鼎, 陈韵之, 许延杰, 彭泰然, 傅刚, 聂振国

单位：1. 北京信息科技大学 高动态导航技术北京市重点实验室, 北京 100192,2. 北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室, 北京 100192,3. 清华大学 机械工程系 北京 100084,4. 清华大学摩擦学国家重点实验室 北京 100084,5. 北京积水潭医院 北京 102208

关键词：脊柱侧弯,有限元仿真,电磁驱动,转子,扭矩

基金：北京市自然科学基金资助项目(L248078),北京市自然科学基金资助项目(L242044)

脊柱侧弯生长棒在早发性脊柱侧弯治疗临床表现上依然存在牵伸力不足的问题, 需要优化转子的最大扭矩并确定转子的连续转动域。利用Ansys Maxwell模块建立圆周分布驱动永磁体-转子有限元动磁场仿真模型, 研究了驱动永磁体与转子间夹角、极对数、转子外径、驱动永磁体转速对转子最大扭矩的影响, 并确定了优化后转子的连续转动域。结果表明, 当驱动永磁体与转子间夹角取120°、极对数为1、转子外径为8 mm时, 转子的最大扭矩值最大, 能够连续转动的分布空间大, 而驱动永磁体转速对转子的最大扭矩值无影响。经过仿真优化分析, 转子最大扭矩优化后比优化前提升了201%, 且优化后转子能够连续转动的分布空间更大。为验证仿真结果, 搭建了转子扭矩测量装置, 实验得到, 优化前后转子最大扭矩值分别为30和90 N·mm, 相对误差分别为8.7%和9.06%, 且永磁体均可稳定旋转。为检验磁控驱动器的性能及测试生长棒的最大牵伸力, 搭建了生长棒实验装置, 实验结果表明, 生长棒最大牵伸力可达到413 N, 比磁扩张控制(magnetic expansion control, MAGEC)系统生长棒的最大牵伸力208 N提高了近1倍。

来源：2025年第11期

《清华大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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