常見磁性聯(lián)軸器及應(yīng)用

天水藍(lán)

常見磁性聯(lián)軸器及應(yīng)用

聯(lián)軸器（coupling）,，是機(jī)械傳動(dòng)中重要的部件,。除了常見的機(jī)械式剛性和柔性聯(lián)軸器外，還有一類靠磁場傳動(dòng)的聯(lián)軸器,，即磁力聯(lián)軸器,。

磁力傳動(dòng)，就是通過磁場NS極耦合相互作用傳遞動(dòng)力的方式,。

常見的磁力傳動(dòng),，包括同步傳動(dòng)，磁滯傳動(dòng)和渦流傳動(dòng)三種類型,。由于其各自特點(diǎn),，被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域,。



同步傳動(dòng)器
同步傳動(dòng)器,，顧名思義，就是輸出與輸入同步,。常見的同步傳動(dòng)器結(jié)構(gòu)有兩種：平面性傳動(dòng)器和同軸（或圓筒）型傳動(dòng)器。

    平面型同步傳動(dòng)器

平面型傳動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)：在兩個(gè)相同直徑的圓盤上,，按照NS極交叉的方式安裝磁鐵。
使用時(shí),，把兩個(gè)圓盤分別安裝到主動(dòng)軸和從動(dòng)軸上,，中間留有一定氣隙。由于A磁體的N極吸引對面B磁體的S極,，同時(shí)排斥B磁體兩側(cè)的N極,，從而保證在一定力矩范圍內(nèi)，從動(dòng)軸與主動(dòng)軸保持同步轉(zhuǎn)動(dòng),。如圖：



圖中，A為氣隙,。

實(shí)際工作中,，真正NS相對的狀態(tài)，只存在于無力矩輸出的狀態(tài)下,。只要有力矩產(chǎn)生,，從動(dòng)盤就會與主動(dòng)盤存在一定的相位夾角。這種角向的錯(cuò)動(dòng),，一直保持并增加到力矩足夠大到N極與對面的N極相對,，然后傳動(dòng)器發(fā)生“打滑”， 兩個(gè)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng),，跳向下一對耦合狀態(tài),。

由于上述特性，磁力傳動(dòng)雖然可以做到同步,，但是不能實(shí)現(xiàn)精密的同步傳動(dòng),。


這種平面性傳動(dòng)器，結(jié)構(gòu)簡單,，安裝時(shí)對兩個(gè)軸的同軸度要求不高,。由于是采用平面相吸的原理,，因此氣隙越小，扭矩越大,。
但同時(shí),，在磁場的作用下，軸向力（互相吸引）也成正比變化,。軸向力是這種平面型傳動(dòng)器的主要缺點(diǎn),。另外，由于傳遞的扭矩大小與圓盤面積有關(guān),，因此,，這種傳動(dòng)器的扭矩不能做的太大，否則會導(dǎo)致尺寸過大,，安裝困難,。

結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉,，是平面型傳動(dòng)器的主要優(yōu)點(diǎn),。因此在某些微型隔離傳動(dòng)方面有成功應(yīng)用。
目前,，常用的簡單結(jié)構(gòu)平面型傳動(dòng)器,，扭矩一般都在10Nm以下。



同軸型傳動(dòng)器
同軸型傳動(dòng)器,，是目前應(yīng)用最廣的同步傳動(dòng)器,。典型的應(yīng)用，就是磁力泵,。

如圖,，是同軸型傳動(dòng)器的結(jié)構(gòu)




一般來說，同軸型傳動(dòng)器包括如下幾個(gè)部分：外轉(zhuǎn)子,， 內(nèi)轉(zhuǎn)子,， 隔離套，軸承系統(tǒng),。其中,，隔離套和軸承系統(tǒng)主要用于磁力傳動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)中。

在內(nèi)轉(zhuǎn)子的外圓周部分,，和外轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周部分,， 分別裝上磁體。磁體為偶數(shù)極,，按照NS交叉方式圓周排列,。將內(nèi)外轉(zhuǎn)子的磁體工作面對齊，即自動(dòng)耦合,。

內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙,，用于隔離主動(dòng)和從動(dòng)部件,。氣隙的大小多在2mm-8mm之間。氣隙越小,，磁體的有效利用越高,，同時(shí)隔離也越困難； 氣隙越大,，越方便隔離,，但是磁體磁場的有效利用越差。

氣隙所處的半徑位置,，就是這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)器的工作半徑。因此,，設(shè)計(jì)時(shí),，可以通過調(diào)整氣隙的半徑的大小，來得到所需傳動(dòng)器的扭矩,。

氣隙不變的情況下,，增加耦合磁體的軸向長度（即偶合面積），也可以近似等比增加扭矩,。

一般來說,，此類傳動(dòng)器的工作扭矩為傳動(dòng)器最大扭矩的60%左右。當(dāng)負(fù)載超過最大扭矩時(shí),，傳動(dòng)器開始“打滑”,，即磁體從當(dāng)前的偶合狀態(tài)，圓周錯(cuò)動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)耦合狀態(tài),。在這種打滑過程中,，氣隙內(nèi)的磁場迅速變化，內(nèi)外轉(zhuǎn)子的磁體同時(shí)被對方充退磁,，產(chǎn)生熱量,。短時(shí)間內(nèi)溫度即可迅速上升到100攝氏度以上，從而導(dǎo)致磁體退磁,，傳動(dòng)器報(bào)廢,。因此，此類傳動(dòng)器雖然可以起到過載保護(hù)的作用,，但一般來說并不作為過載保護(hù)裝置來使用,。

目前，同軸型磁力傳動(dòng)的扭矩范圍,，大都在3Nm-500Nm之間,，比較大的，可以做到2000Nm,， 本人知道的,，最大的可以做到6000Nm,。

在內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間，安裝一個(gè)隔離套,，可以將內(nèi)轉(zhuǎn)子或者外轉(zhuǎn)子封閉起來,。扭矩仍然可以傳遞。這就是利用磁力傳動(dòng)進(jìn)行密封的原理,。 磁力傳動(dòng)結(jié)構(gòu),，將動(dòng)密封，轉(zhuǎn)變成為靜密封,，這也是磁力傳動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn),。

隔離套，出于強(qiáng)度的考慮,，一般由金屬材料制成,。由于隔離套在高速交變磁場中工作，因此產(chǎn)生嚴(yán)重的“發(fā)電”效應(yīng),，即渦流損失,。材料的導(dǎo)電性能越好，截面積越大,，轉(zhuǎn)速越高,，渦流損失就越大。因此,，隔離套盡量選擇非鐵磁性的電阻率比較高的材料,。

常用的金屬材料有奧氏體不銹鋼，鈦合金,，哈氏合金等,。
以不銹鋼為例，在離心泵1900rpm工況下,，渦流損失高達(dá)15%-20%,。哈氏合金電阻率高，強(qiáng)度高,，可有效降低渦流損失,。但是材料成本過高，限制了應(yīng)用,。

非金屬材料可以減小甚至完全避免渦流損失,。如果工作壓力不高，可以選用高強(qiáng)度的工程塑料,。國外有采用陶瓷材料制造隔離套,，渦流損失為零。但陶瓷材料易碎,，耐機(jī)械沖擊和熱沖擊性能不好,，加工復(fù)雜,，價(jià)格高，裝配困難,，因此并未得到廣泛應(yīng)用,。

限制磁力傳動(dòng)應(yīng)用的另一個(gè)問題是溫度。所有的磁性材料,，都有高溫退磁的問題,。
目前，應(yīng)用最廣泛的釹鐵硼磁體制成的傳動(dòng)器,，工作溫度一般不超過140攝氏度,。釤鈷磁體傳動(dòng)器，一般不超過300攝氏度,。特殊工藝配方的釤鈷磁體,，最高工作溫度可以達(dá)到350攝氏度。

更高的溫度,，可以采用內(nèi)轉(zhuǎn)子非磁體的結(jié)構(gòu)。一般使用導(dǎo)磁性能好的軟鐵,。如超高真空設(shè)備上使用的磁力傳動(dòng)系統(tǒng),。

以上兩種磁體，國內(nèi)都有量產(chǎn),。

磁力傳動(dòng),，屬于柔性非接觸式傳動(dòng)。傳動(dòng)過程中,，輸入與輸出沒有直接接觸,，而是靠磁場傳遞力矩。目前,，同步磁力傳動(dòng),，主要應(yīng)用于磁力泵，磁力攪拌釜等產(chǎn)品上,，用于替代動(dòng)密封,，實(shí)現(xiàn)真正意義上得零泄漏。

在非密封傳動(dòng)方面,，可實(shí)現(xiàn)隔離主動(dòng)和從動(dòng)軸的震動(dòng)等效果,。
另外，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，磁力傳動(dòng)也可實(shí)現(xiàn)直角,、交叉?zhèn)鲃?dòng)，實(shí)現(xiàn)類似斜齒齒輪,、傘齒輪傳動(dòng)等功能,。

在傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),，磁力傳動(dòng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)。此類結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在真空室等領(lǐng)域,。如,，在真空室外，通過磁力傳動(dòng),，控制真空室內(nèi)的機(jī)械動(dòng)作等,。


與國外相比，目前國內(nèi)市場,，磁力傳動(dòng)的應(yīng)用并不廣泛,，雖然，中國是磁性材料的生產(chǎn)大國,。

（待續(xù)）

天水藍(lán)

（續(xù)上）


磁滯傳動(dòng)器

磁滯傳動(dòng),，就是應(yīng)用磁滯原理進(jìn)行傳動(dòng)的方式。

常見的磁滯傳動(dòng)器,，一般是類似同步傳動(dòng)器的同軸結(jié)構(gòu),。不同的地方是，內(nèi)外轉(zhuǎn)子采用不同的磁性材料,。一般來說,，內(nèi)轉(zhuǎn)子（主動(dòng)軸）使用高矯頑力高剩磁的材料，如釹鐵硼,。外轉(zhuǎn)子（從動(dòng)軸）采用低矯頑力的磁性材料,，如鋁鎳鈷。

主動(dòng)軸上的磁鐵,，根據(jù)按照NS極交叉排列,。當(dāng)負(fù)載不大于額定扭矩時(shí)，從動(dòng)軸與主動(dòng)軸同步旋轉(zhuǎn),；當(dāng)負(fù)載超過額定值時(shí),，內(nèi)外轉(zhuǎn)子打滑，只有額定的扭矩被傳遞到從動(dòng)軸上,。多余的能量,，以熱的方式，在內(nèi)磁體對外磁體的充退磁過程中釋放掉,。

磁滯傳動(dòng)器有固定扭矩型的,，也有可調(diào)扭矩型的。前者扭矩不可調(diào)，相當(dāng)于帶過載保護(hù)的傳動(dòng)器,；后者扭矩可調(diào),，一般用在收放線結(jié)構(gòu)里，用于控制收,、放線過程中的漲緊力,。

另外，在旋蓋機(jī)構(gòu)中也可以見到這種磁滯傳動(dòng)結(jié)構(gòu),，即磁力旋蓋器,，以保證瓶蓋得到足夠的擰緊力，同時(shí)又不至損壞瓶蓋或其他機(jī)械結(jié)構(gòu),。相同功能可以采用彈簧加摩擦片的方式得到,。不過相對來說，磁滯傳動(dòng)部件中沒有直接摩擦,，多余能量以熱的方式散發(fā)掉,，具有保養(yǎng)更簡單，無粉塵產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn),。



渦流傳動(dòng)器

把上述的任意一種傳動(dòng)器的從動(dòng)部分的永磁材料,，更換成導(dǎo)電性能良好的非鐵磁性材料，如銅,、鋁材料,，都可以實(shí)現(xiàn)渦流傳動(dòng)，雖然傳動(dòng)效率不一定很高,。

簡單的盤式渦流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖所示：


主動(dòng)盤上，按照NS交叉的方式安裝高性能磁體,。從動(dòng)盤由導(dǎo)電性能良好的銅材制成。
磁力線穿過銅盤。主動(dòng)盤旋轉(zhuǎn),，渦流帶動(dòng)從動(dòng)銅盤跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。
渦流傳動(dòng),，可以是同步或非同步兩種狀態(tài),。確切地說,，同步的渦流傳動(dòng),，一般存在少量（5%）的不同步,。如,，輸入1000rpm,，輸出950rpm,。這種不同步，可以被接受為是傳動(dòng)損失,。

非同步的渦流傳動(dòng),，典型的應(yīng)用是收放線的漲緊力控制系統(tǒng)。


通過特殊的控制，可以通過渦流傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的調(diào)速功能。推薦范圍為80%-100%之間的速度控制,，用以替代變頻調(diào)速。特別是這個(gè)變速范圍內(nèi)的大功率電機(jī)調(diào)速，成本要低于變頻調(diào)速的方式。

這種可調(diào)轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)器，最大扭矩可達(dá)到6000Nm。這種大扭矩的傳動(dòng)器,，可以簡單實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，這也是其重要特點(diǎn)之一,。





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2008-8-30 15:14 上傳

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[ 本帖最后由 天水藍(lán) 于 2008-8-30 15:15 編輯 ]

黃其周

長了見識!!!!!

jucc

受益非淺呀,謝謝樓主

五民

感覺比較新,但應(yīng)用上有什么長處呢

巍峨的山峰

收藏了,，謝謝樓主。

森虎添翼

收藏了,，謝謝樓主。

紅樓夢中人

很少看見有用的,，不知道成本上可有優(yōu)勢?

天水藍(lán)

原帖由 紅樓夢中人 于 2008-8-30 22:51 發(fā)表
很少看見有用的,，不知道成本上可有優(yōu)勢?

對于同步傳動(dòng)來說，隔離,，是這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn),，是其它結(jié)構(gòu)無法做到的,。
因此，有的時(shí)候,，是否使用,，不是成本的問題，而是別無他選,。

胡雷

一個(gè)新行的傳動(dòng)方式不知道現(xiàn)在應(yīng)用怎末樣