常見磁性聯(lián)軸器及應(yīng)用

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常見的磁力傳動，包括同步傳動，磁滯傳動和渦流傳動三種類型。由于其各自特點(diǎn)，被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。　
　 同步傳動器
同步傳動器，顧名思義，就是輸出與輸入同步。常見的同步傳動器結(jié)構(gòu)有兩種：平面性傳動器和同軸（或圓筒）型傳動器。

　　 聯(lián)軸器（coupling），是機(jī)械傳動中重要的部件。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的聯(lián)軸器，即磁力聯(lián)軸器。
磁力傳動，就是通過磁場NS極耦合相互作用傳遞動力的方式。

　　平面型同步傳動器
平面型傳動器的基本結(jié)構(gòu)：在兩個相同直徑的圓盤上，按照NS極交叉的方式安裝磁鐵。 使用時，把兩個圓盤分別安裝到主動軸和從動軸上，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)，從動軸與主動軸保持同步轉(zhuǎn)動。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，從動盤就會與主動盤存在一定的相位夾角。這種角向的錯動，一直保持并增加到力矩足夠大到N極與對面的N極相對，然后傳動器發(fā)生“打滑”， 兩個轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)錯動，跳向下一對耦合狀態(tài)。 由于上述特性，磁力傳動雖然可以做到同步，但是不能實(shí)現(xiàn)精密的同步傳動。 這種平面性傳動器，結(jié)構(gòu)簡單，安裝時對兩個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，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，是平面型傳動器的主要優(yōu)點(diǎn)。因此在某些微型隔離傳動方面有成功應(yīng)用。 目前，常用的簡單結(jié)構(gòu)平面型傳動器，扭矩一般都在10Nm以下。
　　同軸型傳動器
　　同軸型傳動器，是目前應(yīng)用最廣的同步傳動器。典型的應(yīng)用，就是磁力泵。
　　如圖，是同軸型傳動器的結(jié)構(gòu)

　　一般來說，同軸型傳動器包括如下幾個部分：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，即自動耦合。 內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，用于隔離主動和從動部件。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)傳動器的工作半徑。因此，設(shè)計(jì)時，可以通過調(diào)整氣隙的半徑的大小，來得到所需傳動器的扭矩。 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，此類傳動器的工作扭矩為傳動器最大扭矩的60%左右。當(dāng)負(fù)載超過最大扭矩時，傳動器開始“打滑”，即磁體從當(dāng)前的偶合狀態(tài)，圓周錯動跳轉(zhuǎn)到下一個耦合狀態(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)子的磁體同時被對方充退磁，產(chǎn)生熱量。短時間內(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，傳動器報(bào)廢。因此，此類傳動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進(jìn)行密封的原理。 磁力傳動結(jié)構(gòu)，將動密封，轉(zhuǎn)變成為靜密封，這也是磁力傳動的最大優(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，價格高，裝配困難，因此并未得到廣泛應(yīng)用。 限制磁力傳動應(yīng)用的另一個問題是溫度。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器，工作溫度一般不超過140攝氏度。釤鈷磁體傳動器，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系統(tǒng)。
以上兩種磁體，國內(nèi)都有量產(chǎn)。磁力傳動，屬于柔性非接觸式傳動。傳動過程中，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，主要應(yīng)用于磁力泵，磁力攪拌釜等產(chǎn)品上，用于替代動密封，實(shí)現(xiàn)真正意義上得零泄漏。 在非密封傳動方面，可實(shí)現(xiàn)隔離主動和從動軸的震動等效果。 另外，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，磁力傳動也可實(shí)現(xiàn)直角、交叉?zhèn)鲃樱瑢?shí)現(xiàn)類似斜齒齒輪、傘齒輪傳動等功能。 在傳遞轉(zhuǎn)動的同時，磁力傳動可同時實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動。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，控制真空室內(nèi)的機(jī)械動作等。 與國外相比，目前國內(nèi)市場，磁力傳動的應(yīng)用并不廣泛，雖然，中國是磁性材料的生產(chǎn)大國。
　　磁滯傳動器
　　磁滯傳動，就是應(yīng)用磁滯原理進(jìn)行傳動的方式。
　　常見的磁滯傳動器，一般是類似同步傳動器的同軸結(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（主動軸）使用高矯頑力高剩磁的材料，如釹鐵硼。外轉(zhuǎn)子（從動軸）采用低矯頑力的磁性材料，如鋁鎳鈷。 主動軸上的磁鐵，根據(jù)按照NS極交叉排列。當(dāng)負(fù)載不大于額定扭矩時，從動軸與主動軸同步旋轉(zhuǎn)；當(dāng)負(fù)載超過額定值時，內(nèi)外轉(zhuǎn)子打滑，只有額定的扭矩被傳遞到從動軸上。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)。

　　渦流傳動器
　　把上述的任意一種傳動器的從動部分的永磁材料，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，雖然傳動效率不一定很高。
簡單的盤式渦流傳動結(jié)構(gòu)如圖所示：

　　　　主動盤上，按照NS交叉的方式安裝高性能磁體。從動盤由導(dǎo)電性能良好的銅材制成。 磁力線穿過銅盤。主動盤旋轉(zhuǎn)，渦流帶動從動銅盤跟隨轉(zhuǎn)動。 渦流傳動，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，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損失。
非同步的渦流傳動，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)速的傳動器，最大扭矩可達(dá)到6000Nm。這種大扭矩的傳動器，可以簡單實(shí)現(xiàn)軟啟動，這也是其重要特點(diǎn)之一。