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常见磁性连轴器及应用
发布者:admin     发布时间:2010-5-4 22:54:47    阅读:15

常见磁性连轴器及应用

 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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