常見磁性聯軸器及應用


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聯軸器    


 

 

 

 

 

 

 

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。

 

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