常見磁性聯軸器及應用

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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，被應用在不同的領域。　
　 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構有兩種：平面性傳動器和同軸（或圓筒）型傳動器。

　　 聯軸器（coupling），是機械傳動中重要的部件。除了常見的機械式剛性和柔性聯軸器外，還有一類靠磁場傳動的聯軸器，即磁力聯軸器。
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構：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磁體兩側的N極，從而保證在一定力矩范圍內，從動軸與主動軸保持同步轉動。如圖：

圖中，A為氣隙。
　　實際工作中，真正NS相對的狀態，只存在于無力矩輸出的狀態下。只要有力矩產生，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，然后傳動器發生“打滑”， 兩個轉盤旋轉錯動，跳向下一對耦合狀態。 由于上述特性，磁力傳動雖然可以做到同步，但是不能實現精密的同步傳動。 這種平面性傳動器，結構簡單，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。另外，由于傳遞的扭矩大小與圓盤面積有關，因此，這種傳動器的扭矩不能做的太大，否則會導致尺寸過大，安裝困難。 結構簡單，成本低廉，是平面型傳動器的主要優點。因此在某些微型隔離傳動方面有成功應用。 目前，常用的簡單結構平面型傳動器，扭矩一般都在10Nm以下。
　　同軸型傳動器
　　同軸型傳動器，是目前應用最廣的同步傳動器。典型的應用，就是磁力泵。
　　如圖，是同軸型傳動器的結構

　　一般來說，同軸型傳動器包括如下幾個部分：外轉子， 內轉子， 隔離套，軸承系統。其中，隔離套和軸承系統主要用于磁力傳動密封的結構中。 在內轉子的外圓周部分，和外轉子的內圓周部分， 分別裝上磁體。磁體為偶數極，按照NS交叉方式圓周排列。將內外轉子的磁體工作面對齊，即自動耦合。 內外轉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，就是這種結構傳動器的工作半徑。因此，設計時，可以通過調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。當負載超過最大扭矩時，傳動器開始“打滑”，即磁體從當前的偶合狀態，圓周錯動跳轉到下一個耦合狀態。在這種打滑過程中，氣隙內的磁場迅速變化，內外轉子的磁體同時被對方充退磁，產生熱量。短時間內溫度即可迅速上升到100攝氏度以上，從而導致磁體退磁，傳動器報廢。因此，此類傳動器雖然可以起到過載保護的作用，但一般來說并不作為過載保護裝置來使用。 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。 在內外轉子之間，安裝一個隔離套，可以將內轉子或者外轉子封閉起來。扭矩仍然可以傳遞。這就是利用磁力傳動進行密封的原理。 磁力傳動結構，將動密封，轉變成為靜密封，這也是磁力傳動的最大優點。 隔離套，出于強度的考慮，一般由金屬材料制成。由于隔離套在高速交變磁場中工作，因此產生嚴重的“發電”效應，即渦流損失。材料的導電性能越好，截面積越大，轉速越高，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15%-20%。哈氏合金電阻率高，強度高，可有效降低渦流損失。但是材料成本過高，限制了應用。 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，耐機械沖擊和熱沖擊性能不好，加工復雜，價格高，裝配困難，因此并未得到廣泛應用。 限制磁力傳動應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到350攝氏度。 更高的溫度，可以采用內轉子非磁體的結構。一般使用導磁性能好的軟鐵。如超高真空設備上使用的磁力傳動系統。
以上兩種磁體，國內都有量產。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，主要應用于磁力泵，磁力攪拌釜等產品上，用于替代動密封，實現真正意義上得零泄漏。 在非密封傳動方面，可實現隔離主動和從動軸的震動等效果。 另外，通過合理的結構設計，磁力傳動也可實現直角、交叉傳動，實現類似斜齒齒輪、傘齒輪傳動等功能。 在傳遞轉動的同時，磁力傳動可同時實現軸向運動。此類結構可應用在真空室等領域。如，在真空室外，通過磁力傳動，控制真空室內的機械動作等。 與國外相比，目前國內市場，磁力傳動的應用并不廣泛，雖然，中國是磁性材料的生產大國。
　　磁滯傳動器
　　磁滯傳動，就是應用磁滯原理進行傳動的方式。
　　常見的磁滯傳動器，一般是類似同步傳動器的同軸結構。不同的地方是，內外轉子采用不同的磁性材料。一般來說，內轉子（主動軸）使用高矯頑力高剩磁的材料，如釹鐵硼。外轉子（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，根據按照NS極交叉排列。當負載不大于額定扭矩時，從動軸與主動軸同步旋轉；當負載超過額定值時，內外轉子打滑，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，也有可調扭矩型的。前者扭矩不可調，相當于帶過載保護的傳動器；后者扭矩可調，一般用在收放線結構里，用于控制收、放線過程中的漲緊力。 另外，在旋蓋機構中也可以見到這種磁滯傳動結構，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械結構。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掉，具有保養更簡單，無粉塵產生等優點。

　　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，更換成導電性能良好的非鐵磁性材料，如銅、鋁材料，都可以實現渦流傳動，雖然傳動效率不一定很高。
簡單的盤式渦流傳動結構如圖所示：

　　　　主動盤上，按照NS交叉的方式安裝高性能磁體。從動盤由導電性能良好的銅材制成。 磁力線穿過銅盤。主動盤旋轉，渦流帶動從動銅盤跟隨轉動。 渦流傳動，可以是同步或非同步兩種狀態。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，典型的應用是收放線的漲緊力控制系統。 通過特殊的控制，可以通過渦流傳動實現一定范圍內的調速功能。推薦范圍為80%-100%之間的速度控制，用以替代變頻調速。特別是這個變速范圍內的大功率電機調速，成本要低于變頻調速的方式。 這種可調轉速的傳動器，最大扭矩可達到6000Nm。這種大扭矩的傳動器，可以簡單實現軟啟動，這也是其重要特點之一。