磁性聯(lián)軸器及應(yīng)用

聯(lián)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(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。+ X3 V% U0 f( k7 ~

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。( V5 X6 n, x. }

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(yīng)用在不同的領(lǐng)域。
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同步傳動器0 O; C6 ^" ?0 x6 q
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。/ B! h+ I* q/ @0 u/ H
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    平面型同步傳動器2 b# g& }9 h* }, m5 y' G) Z
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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：

實際工作中，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。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。, ^; x( a3 a6 I0 G

! 結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，是平面型傳動器的主要優(yōu)點。因此在某些微型隔離傳動方面有成功應(yīng)用。3 `( o) {  e6 O# e" G5 H
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。
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同軸型傳動器; x$ `2 |, R  Y- U* w
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。"  h. s, d5 F' D) l

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。#m4 Z/ t
: Z& b7 K1 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$ g7 }# W! A) G# Y, C7 R! z
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o7 a8 w1 S
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。8
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。3 i" }& u, {1 W5 R

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(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。$ T/ S% h% \5 c

 E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(yīng)用。 X" l8 h0 T
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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(fù)雜，價格高，裝配困難，因此并未得到廣泛應(yīng)用。
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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。( R- p7 }# ^) N2 V& w) 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到350攝氏度。
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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，實現(xiàn)真正意義上得零泄漏。

在非密封傳動方面，可實現(xiàn)隔離主動和從動軸的震動等效果。5 v! n7 o3 _( Z# D+ |( r! w
另外，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，磁力傳動也可實現(xiàn)直角、交叉?zhèn)鲃?，實現(xiàn)類似斜齒齒輪、傘齒輪傳動等功能。

在傳遞轉(zhuǎn)動的同時，磁力傳動可同時實現(xiàn)軸向運動。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)的機械動作等。
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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。