常見(jiàn)磁性連軸器及應(yīng)用

 常見(jiàn)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(jiàn)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(duì)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(duì)的狀態(tài)，只存在于無(wú)力矩輸出的狀態(tài)下。只要有力矩產(chǎn)生，從動(dòng)盤就會(huì)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(duì)面的N極相對(duì)，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(duì)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(jiǎn)單，安裝時(shí)對(duì)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(chǎng)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(huì)導(dǎo)致尺寸過(guò)大，安裝困難。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)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*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(lái)說(shuō)，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(duì)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(chǎng)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(guò)調(diào)整氣隙的半徑的大小，來(lái)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(zhǎng)度（即偶合面積），也可以近似等比增加扭矩。 一般來(lái)說(shuō)，此類傳動(dòng)器的工作扭矩為傳動(dòng)器*大扭矩的60%左右。當(dāng)負(fù)載超過(guò)*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(guò)程中，氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)迅速變化，內(nèi)外轉(zhuǎn)子的磁體同時(shí)被對(duì)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(guò)載保護(hù)的作用，但一般來(lái)說(shuō)并不作為過(guò)載保護(hù)裝置來(lái)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，*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(lái)。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*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(chǎng)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(guò)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(guó)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(wèn)題是溫度。所有的磁性材料，都有高溫退磁的問(wèn)題。目前，應(yīng)用*廣泛的釹鐵硼磁體制成的傳動(dòng)器，工作溫度一般不超過(guò)140攝氏度。釤鈷磁體傳動(dòng)器，一般不超過(guò)300攝氏度。特殊工藝配方的釤鈷磁體，*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(guó)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(guò)程中，輸入與輸出沒(méi)有直接接觸，而是靠磁場(chǎng)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(guò)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(guò)磁力傳動(dòng)，控制真空室內(nèi)的機(jī)械動(dòng)作等。 與國(guó)外相比，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，磁力傳動(dòng)的應(yīng)用并不廣泛，雖然，中國(guó)是磁性材料的生產(chǎn)大國(guó)。
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(jiàn)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(duì)外磁體的充退磁過(guò)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(guò)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(guò)程中的漲緊力。 另外，在旋蓋機(jī)構(gòu)中也可以見(jiàn)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(guò)相對(duì)來(lái)說(shuō)，磁滯傳動(dòng)部件中沒(méi)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(jiǎn)單，無(wú)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(jiǎn)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(guò)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(shuō)，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(guò)特殊的控制，可以通過(guò)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，*大扭矩可達(dá)到6000Nm。這種大扭矩的傳動(dòng)器，可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，這也是其重要特點(diǎn)之一

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