磁性藕合器的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、 磁力耦合器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用概要: 磁力耦合器也稱磁力聯(lián)軸器、永磁傳動(dòng)裝置。永磁渦流傳動(dòng)裝置主要由銅轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三個(gè)部分組成。一般，銅轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸連接，永磁轉(zhuǎn)子與工作機(jī)的軸連接，銅轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有空氣間隙（稱為氣隙），沒(méi)有傳遞扭矩的機(jī)械連接。這樣，電機(jī)和工作機(jī)之間形成了軟（磁）連接，通過(guò)調(diào)節(jié)氣隙來(lái)實(shí)現(xiàn)工作機(jī)軸扭矩、轉(zhuǎn)速的變化。因氣隙調(diào)節(jié)方式的不同，永磁渦流傳動(dòng)裝置分為標(biāo)準(zhǔn)型、延遲型、限矩型、調(diào)速型等不同類型。磁力耦合器在超高真空實(shí)驗(yàn)設(shè)備滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)上的具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)；并結(jié)合應(yīng)用扼要介紹了磁力耦合器的工作理、主要功能、磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、磁路的排列形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，以及在制造

2、中需要注意的工藝問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)有關(guān)物理量測(cè)定設(shè)備的性能要求越來(lái)越高，對(duì)測(cè)試結(jié)果要求更加精確和準(zhǔn)確；從而得出的數(shù)據(jù)更加真實(shí)和有效，這極大地促進(jìn)了科研事業(yè)的迅速發(fā)展，同時(shí)也為工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的騰飛發(fā)揮著巨大推動(dòng)作用，充分體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力；我們?cè)O(shè)計(jì)制造的磁力耦合器應(yīng)用到超高真空設(shè)備滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)上。由于磁力耦合器在傳動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，能夠徹底解決設(shè)備的全密封問(wèn)題；滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)在分子泵連續(xù)抽真空48h 后，測(cè)量室的真空度達(dá)到10-6Pa 以上，滿足了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試要求；足見(jiàn)其全密封的有效性和可靠性；這為科學(xué)研究提供了設(shè)備保障，為科研事業(yè)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

3、1、磁力耦合器的工作原理和主要功能1.1、工作原理根據(jù)磁體磁極的異性相吸、同性相斥原理及其磁力線能夠穿過(guò)非鐵磁性物質(zhì)的特性；當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)磁力作用，外磁轉(zhuǎn)子帶動(dòng)密封套內(nèi)的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的非直接接觸傳動(dòng)；同時(shí)，通過(guò)密封套實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)軸端的靜態(tài)全密封，把傳統(tǒng)軸端的動(dòng)態(tài)密封變?yōu)榘踩⒖煽康撵o態(tài)密封，從根本上解決了動(dòng)態(tài)軸封“跑、冒、滴、漏”的技術(shù)難題。其原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。1.2、主要功能磁力耦合器的主要功能是傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，把軸端傳統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)密封變?yōu)榘踩⒖煽康撵o密封；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)磁力耦合器的最大傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，磁力耦合器內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子會(huì)自動(dòng)脫開耦合狀態(tài)，起到過(guò)載

4、保護(hù)的作用；由于磁力耦合傳動(dòng)屬于非直接接觸的軟連接，隔振、減振作用明顯。圖1 磁力耦合器原理結(jié)構(gòu)1. 法蘭2. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子3. 外磁轉(zhuǎn)子4. 隔離套5. 電機(jī)軸6. 負(fù)載軸2、磁力耦合器的設(shè)計(jì)2.1、滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)工作參數(shù)工作轉(zhuǎn)矩：2 60Nm；使用溫度 120；轉(zhuǎn)速：200 6000r /min；工作環(huán)境：真空( 真空度10-6Pa 以上) ；連接法蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的真空法蘭；外形尺寸范圍：在150mm 200mm 的空間范圍。2.2、磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算根據(jù)用戶提出的工作參數(shù)要求和多年應(yīng)用設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，確定磁力耦合器的基本結(jié)構(gòu)及其幾何尺寸，并計(jì)算出滿足用戶工作要求的磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這是磁力耦合器

5、設(shè)計(jì)的核心所在。由磁力計(jì)算公式：F = (B/4965) 2S ( 1)式中：F磁吸引力，kg；B氣隙磁密，Gs；S氣隙面積，cm2。根據(jù)力學(xué)中轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式T = F R( T 為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn) 為切向力，R 為作用半徑) ，同時(shí)結(jié)合靜磁能理論和多年設(shè)計(jì)應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行磁力耦合器磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)，其磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式是：式中：T磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Nm；M磁化強(qiáng)度，A/m；g重力加速度， 9. 8N/m2 ；h磁體厚度，m；n磁極數(shù)；S磁極面積，m2 ；R力的作用半徑，m；a位移角( 弧度) ；Lg磁隙，m；b磁極寬度，m；磁極厚度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)( 通常取值0. 7 0. 95) ；N磁極形狀系數(shù)

6、( 通常取值1. 05) ；k磁路類型系數(shù)( 對(duì)拉推磁路k =4 6. 4) 。在式(2) 中，當(dāng)sin( na /2) = 1 時(shí)，磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩T 有最大值，稱之為最大磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm；所以，最大磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩：為了使磁力耦合器設(shè)計(jì)的最大磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)的最大工作轉(zhuǎn)矩要求；最大磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算的準(zhǔn)確程度直接影響著磁力耦合器能否正常運(yùn)行。因此，希望最大磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的偏差越小越好。本磁力耦合器采用式(3)計(jì)算得到的最大磁力傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩值為72Nm；實(shí)測(cè)值為65. 5Nm；計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差僅為9%左右。實(shí)測(cè)值比設(shè)備的工作轉(zhuǎn)矩要求的最大值多出5. 5Nm，

7、這為滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)在最大工作轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上預(yù)留了10% 以上的轉(zhuǎn)矩余量，增加了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，完全滿足使用要求。2.3、磁路結(jié)構(gòu)形式和對(duì)磁體磁性能的基本要求2.3.1、磁路結(jié)構(gòu)形式磁力耦合器磁路結(jié)構(gòu)采用同軸型，磁路采用圓筒形周向組合拉推磁路，其拉推磁路結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2 所示。這種磁路的特點(diǎn)是：傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，傳動(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)，減振和過(guò)載保護(hù)作用顯著。2.3.2、永磁體性能要求永磁體材料采用第三代稀土永磁釹鐵硼( Nd- Fe - B) 合金，該永磁材料磁性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，性價(jià)比高；針對(duì)在磁力耦合器上的使用要求，對(duì)磁性能提出具體要求如下：圖2 磁路結(jié)構(gòu)剖視1. 外磁

8、轉(zhuǎn)子基體，2. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子基體，3. 隔離套，4. 外磁轉(zhuǎn)子永磁體，5. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子永磁體最大磁能積(BH) max263kJ /m3( 33MGsoe) ，內(nèi)稟矯頑力jHc1592kA/m( 20000oe) ，剩磁Br1. 17T( 11700Gs) ，使用溫度120；采用的永磁體產(chǎn)品牌號(hào)N35SH；永磁體表面進(jìn)行防銹蝕等的鍍鋅防腐處理。3、制造中的工藝要求先進(jìn)的設(shè)計(jì)在制造產(chǎn)品時(shí)，必須要有嚴(yán)格、合理的工藝保障措施；本磁力耦合器制造時(shí)，主要遵循的工藝要求如下。3.1、檢測(cè)與安裝在安裝永磁體時(shí)，要求逐一進(jìn)行磁性能和幾何尺寸的檢測(cè)，避免不合品混入被使用，影響磁力耦合器的性能和質(zhì)量。各零部件在安裝前應(yīng)

9、檢測(cè)和核對(duì)裝配尺寸，準(zhǔn)確無(wú)誤后，將其全部用煤油清洗干凈，晾干，再用丙酮等擦拭干凈，在烘箱中烘干；永磁體與其基體的固定采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘接，并在烘箱中進(jìn)行加溫( 溫度保持在60 以內(nèi)，6 10h) 固化，達(dá)到粘接強(qiáng)度。3.2、軸承的選型和潤(rùn)滑根據(jù)長(zhǎng)期設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，軸承選用滾動(dòng)軸承，并大膽使用了固體潤(rùn)滑材料進(jìn)行潤(rùn)滑，滿足了高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命的使用特點(diǎn)，同時(shí)，避免了因軸承潤(rùn)滑材料使用不當(dāng)給滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)真空室抽真空帶來(lái)的不利影響；由于油、脂等潤(rùn)滑劑在抽真空時(shí)易出氣，真空室中的真空度在實(shí)驗(yàn)要求的時(shí)間內(nèi)難已達(dá)到10-6Pa 以上。所以，采用固體潤(rùn)滑材料潤(rùn)滑軸承是合理的。3.3、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的焊接內(nèi)磁轉(zhuǎn)

10、子的焊接通常采用氬弧焊接，由于焊接溫度高達(dá)1500，極易導(dǎo)致永磁體在焊接時(shí)退磁；所以，在焊接時(shí)要采取嚴(yán)格的保護(hù)措施；具體保護(hù)措施是對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行磁屏蔽，然后，為便于焊接時(shí)焊點(diǎn)處的散熱，從而降低內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的整體溫度，避免內(nèi)磁轉(zhuǎn)子在焊接時(shí)永磁體退磁，可將內(nèi)磁轉(zhuǎn)子浸置在清涼水槽中，只須焊接的位置露出水面，便于焊接即可。3.4、探傷檢查內(nèi)磁轉(zhuǎn)子焊接完成后，進(jìn)行探傷檢查，如發(fā)現(xiàn)有漏焊的砂眼點(diǎn)，應(yīng)補(bǔ)焊完好；再次探傷，直到未發(fā)現(xiàn)任何砂眼點(diǎn)為止。這樣，可避免在抽真空過(guò)程中內(nèi)磁轉(zhuǎn)子中的永磁體嚴(yán)重出氣，從而降低內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)能力，同時(shí)也避免了由此而引起的給滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)真空室抽真空帶來(lái)的不利影響。當(dāng)用分子

11、泵抽真空時(shí)，僅用了24h，真空室的真空度就達(dá)到了10-6Pa 以上，達(dá)到了工作要求；節(jié)省了運(yùn)行時(shí)間，降低了實(shí)驗(yàn)電力成本。4、應(yīng)用實(shí)例根據(jù)上述原理、方法、工藝設(shè)計(jì)制造的磁力耦合器，應(yīng)用在中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)上，用以研究有關(guān)材料的摩擦特性，其研究成果可推廣應(yīng)用到真空、航空航天、化工、制藥、機(jī)電等行業(yè)和產(chǎn)品領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求是：真空度10-6Pa 以上，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩2 60Nm，轉(zhuǎn)速200 6000r /min；通過(guò)改變變頻器的頻率來(lái)控制滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變工作轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩滿足實(shí)驗(yàn)要求；再通過(guò)磁力耦合器帶動(dòng)摩擦負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作，然后，通過(guò)傳感器將摩擦測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立，對(duì)研究有關(guān)材料的摩擦等特性提供了實(shí)驗(yàn)條件和方法；在這種超高真空狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)，空氣阻力影響可以忽略不計(jì)；所以超高真空度能否保證就成了實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵；如何解決既要轉(zhuǎn)動(dòng)又要全密封的問(wèn)題，就成了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的難題；由于應(yīng)用了磁力耦合器技術(shù)產(chǎn)品，成功地將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞給滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，又保證了系統(tǒng)的全密封，滿足了實(shí)驗(yàn)要求；因此，磁力耦合器成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；既保證了實(shí)驗(yàn)工作的順利進(jìn)行，又確保了測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)做出了應(yīng)