常见磁性联轴器及应用

常见磁性联轴器及应用
联轴器（coupling），是机械传动中重要的部件。

除了常见的机械式刚性和柔性联轴器外，还有一类靠磁场传动的联轴器，即磁力联轴器。

磁力传动，就是通过磁场NS极耦合相互作用传递动力的方式。

常见的磁力传动，包括同步传动，磁滞传动和涡流传动三种类型。

由于其各自特点，被应用在不同的领域。

同步传动器
同步传动器，顾名思义，就是输出与输入同步。

常见的同步传动器结构有两种：平面性传动器和同轴（或圆筒）型传动器。

平面型同步传动器
平面型传动器的基本结构：在两个相同直径的圆盘上，按照NS极交叉的方式安装磁铁。

使用时，把两个圆盘分别安装到主动轴和从动轴上，中间留有一定气隙。

由于A磁体的N极吸引对面B磁体的S极，同时排斥B磁体两侧的N极，从而保证在一定力矩范围内，从动轴与主动轴保持同步转动。

如图：
图中，A为气隙。

实际工作中，真正NS相对的状态，只存在于无力矩输出的状态下。

只要有力矩产生，从动盘就会与主动盘存在一定的相位夹角。

这种角向的错动，一直保持并增加到力矩足够大到N极与对面的N极相对，然后传动器发生“打滑”，两个转盘旋转错动，跳向下一对耦合状态。

由于上述特性，磁力传动虽然可以做到同步，但是不能实现精密的同步传动。

这种平面性传动器，结构简单，安装时对两个轴的同轴度要求不高。

由于是采用平面相吸的原理，因此气隙越小，扭矩越大。

但同时，在磁场的作用下，轴向力（互相吸引）也成正比变化。

轴向力是这种平面型传动器的主要缺点。

另外，由于传递的扭矩大小与圆盘面积有关，因此，这种传动器的扭矩不能做的太大，否则会导致尺寸过大，安装困难。

结构简单，成本低廉，是平面型传动器的主要优点。

因此在某些微型隔离传动方面有成功应
用。

目前，常用的简单结构平面型传动器，扭矩一般都在10Nm以下。

同轴型传动器
同轴型传动器，是目前应用最广的同步传动器。

典型的应用，就是磁力泵。

如图，是同轴型传动器的结构
一般来说，同轴型传动器包括如下几个部分：外转子，内转子，隔离套，轴承系统。

其中，隔离套和轴承系统主要用于磁力传动密封的结构中。

在内转子的外圆周部分，和外转子的内圆周部分，分别装上磁体。

磁体为偶数极，按照NS交叉方式圆周排列。

将内外转子的磁体工作面对齐，即自动耦合。

内外转子之间有一定的气隙，用于隔离主动和从动部件。

气隙的大小多在2mm-8mm 之间。

气隙越小，磁体的有效利用越高，同时隔离也越困难；气隙越大，越方便隔离，但是磁体磁场的有效利用越差。

气隙所处的半径位置，就是这种结构传动器的工作半径。

因此，设计时，可以通过调整气隙的半径的大小，来得到所需传动器的扭矩。

气隙不变的情况下，增加耦合磁体的轴向长度（即偶合面积），也可以近似等比增加扭矩。

一般来说，此类传动器的工作扭矩为传动器最大扭矩的60%左右。

当负载超过最大扭矩时，传动器开始“打滑”，即磁体从当前的偶合状态，圆周错动跳转到下一个耦合状态。

在这种打滑过程中，气隙内的磁场迅速变化，内外转子的磁体同时被对方充退磁，产生热量。

短时间内温度即可迅速上升到100摄氏度以上，从而导致磁体退磁，传动器报废。

因此，此类传动器虽然可以起到过载保护的作用，但一般来说并不作为过载保护装置来使用。

目前，同轴型磁力传动的扭矩范围，大都在3Nm-500Nm之间，比较大的，可以做到2000Nm，本人知道的，最大的可以做到6000Nm。

在内外转子之间，安装一个隔离套，可以将内转子或者外转子封闭起来。

扭矩仍然可以传递。

这就是利用磁力传动进行密封的原理。

磁力传动结构，将动密封，转变成为静密封，这也是磁力传动的最大优点。

隔离套，出于强度的考虑，一般由金属材料制成。

由于隔离套在高速交变磁场中工作，因此产生严重的“发电”效应，即涡流损失。

材料的导电性能越好，截面积越大，转速越高，涡流损失就越大。

因此，隔离套尽量
选择非铁磁性的电阻率比较高的材料。

常用的金属材料有奥氏体不锈钢，钛合金，哈氏合金等。

以不锈钢为例，在离心泵1900rpm工况下，涡流损失高达15%-20%。

哈氏合金电阻率高，强度高，可有效降低涡流损失。

但是材料成本过高，限制了应用。

非金属材料可以减小甚至完全避免涡流损失。

如果工作压力不高，可以选用高强度的工程塑料。

国外有采用陶瓷材料制造隔离套，涡流损失为零。

但陶瓷材料易碎，耐机械冲击和热冲击性能不好，加工复杂，价格高，装配困难，因此并未得到广泛应用。

限制磁力传动应用的另一个问题是温度。

所有的磁性材料，都有高温退磁的问题。

目前，应用最广泛的钕铁硼磁体制成的传动器，工作温度一般不超过140摄氏度。

钐钴磁体传动器，一般不超过300摄氏度。

特殊工艺配方的钐钴磁体，最高工作温度可以达到350摄氏度。

更高的温度，可以采用内转子非磁体的结构。

一般使用导磁性能好的软铁。

如超高真空设备上使用的磁力传动系统。

以上两种磁体，国内都有量产。

磁力传动，属于柔性非接触式传动。

传动过程中，输入与输出没有直接接触，而是靠磁场传递力矩。

目前，同步磁力传动，主要应用于磁力泵，磁力搅拌釜等产品上，用于替代动密封，实现真正意义上得零泄漏。

在非密封传动方面，可实现隔离主动和从动轴的震动等效果。

另外，通过合理的结构设计，磁力传动也可实现直角、交叉传动，实现类似斜齿齿轮、伞齿轮传动等功能。

在传递转动的同时，磁力传动可同时实现轴向运动。

此类结构可应用在真空室等领域。

如，在真空室外，通过磁力传动，控制真空室内的机械动作等。

与国外相比，目前国内市场，磁力传动的应用并不广泛，虽然，中国是磁性材料的生产大国。

磁滞传动器
磁滞传动，就是应用磁滞原理进行传动的方式。

常见的磁滞传动器，一般是类似同步传动器的同轴结构。

不同的地方是，内外转子采用不同的磁性材料。

一般来说，内转子（主动轴）使用高矫顽力高剩磁的材料，如钕铁硼。

外转子（从动轴）采用低矫顽力的磁性材料，如铝镍钴。

主动轴上的磁铁，根据按照NS极交叉排列。

当负载不大于额定扭矩时，从动轴与主动轴同步旋转；当负载超过额定值时，内外转子打滑，只有额定的扭矩被传递到从动轴上。

多余的能量，以热的方式，在内磁体对外磁体的充退磁过程中释放掉。

磁滞传动器有固定扭矩型的，也有可调扭矩型的。

前者扭矩不可调，相当于带过载保护的传动器；后者扭矩可调，一般用在收放线结构里，用于控制收、放线过程中的涨紧力。

另外，在旋盖机构中也可以见到这种磁滞传动结构，即磁力旋盖器，以保证瓶盖得到足够的拧紧力，同时又不至损坏瓶盖或其他机械结构。

相同功能可以采用弹簧加摩擦片的方式得到。

不过相对来说，磁滞传动部件中没有直接摩擦，多余能量以热的方式散发掉，具有保养更简单，无粉尘产生等优点。

涡流传动器
把上述的任意一种传动器的从动部分的永磁材料，更换成导电性能良好的非铁磁性材料，如铜、铝材料，都可以实现涡流传动，虽然传动效率不一定很高。

简单的盘式涡流传动结构如图所示：
主动盘上，按照NS交叉的方式安装高性能磁体。

从动盘由导电性能良好的铜材制成。

磁力线穿过铜盘。

主动盘旋转，涡流带动从动铜盘跟随转动。

涡流传动，可以是同步或非同步两种状态。

确切地说，同步的涡流传动，一般存在少量（5%）的不同步。

如，输入1000rpm，输出950rpm。

这种不同步，可以被接受为是传动损失。

非同步的涡流传动，典型的应用是收放线的涨紧力控制系统。

通过特殊的控制，可以通过涡流传动实现一定范围内的调速功能。

推荐范围为80%-100%之间的速度控制，用以替代变频调速。

特别是这个变速范围内的大功率电机调速，成本要低于变频调速的方式。

这种可调转速的传动器，最大扭矩可达到6000Nm。

这种大扭矩的传动器，可以简单实现软启动，这也是其重要特点之一。

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