3.3　磁力耦合傳動器的磁路設計

在磁力耦合傳動器的磁路設計中，結合研制真空度為10-6Pa真空系統的磁傳動元件，對稀土鈷磁傳動的原理進行探討。根據磁力耦合傳動的靜磁能模型，采用具有獨創性的組合型磁路，可提高磁力耦合傳動器組合系數，達到磁力耦合傳動器小型化和高傳遞扭矩的效果。在結構設計上，則是將以瑞伯公司為代表的分散布置的工作磁路改變為緊密排列的工作磁路。之所以能夠做出這一重大改進和發展，是由于我國永磁工作者近年來通過大量的研究與試驗已掌握了高磁能積、高矯頑力的新型稀土永磁材料的性能以及其在退磁場影響下不易退磁的特性。

3.3.1　靜磁能與傳動力

當條形磁體處于磁場中，即可受到磁場對它的作用而產生一個力矩，如圖3-9所示。圖中（a）表示磁場作用在條形磁體上的力；圖中（b）表示磁化物體處在磁場中時所受到的力。可見，在磁化方向上，力H1對條形磁體不產生扭矩，只有力H2對條形磁體產生扭矩。其扭矩T可用下式表示：

T=HJsinθ（N·m）　　 （3-1）

式中　H——磁場強度，A/m；

J——磁體的磁偶扭矩，Wb·m；

θ——兩作用磁極的相對位移轉角，（°）。

要使磁體在磁場中轉動就需要反抗力矩做功，并以靜磁能的形式儲存。將力矩對θ積分，可得到靜磁能的一般表達式：

E'H=-HJcosθ（J）　　 （3-2）

當θ=0°時，E'H=-jH，此時靜磁能最小；

θ=90°時，E'H=0；

θ=180°時，E'H=jH，此時靜磁能最大。

圖3-10所示為磁化物體處在外磁場中的靜磁能曲線。

當磁力耦合傳動器為多級時，外磁場方向改變一次，靜磁能即從-jH變為jH，若磁力耦合傳動器的轉角差為?，磁極對數為m，則式（3-2）中的θ可表示為

　　 （3-3）

對于某一單個磁極產生的作用力，可從靜磁能的變化中求得

fdg=-dw　　 （3-4）

式中　f——作用于磁極上的力，N；

dg——位移增量， m；

dw——磁能變化量，J。

依靜磁能原理可知，在磁隙中則有

　　 （3-5）

式中　Ag——磁極面積，m2；

Bg——磁隙中的磁感應強度，為dg的函數，T；

tg——磁隙，為dg的函數，m。

從而得

　　 （3-6）

從式（3-6）中可以看出，磁傳動力f與磁感應強度Bg和磁極面積Ag成正比，與磁極位移量dg成反比。

3.3.2　磁路形式與選擇

根據永磁體排列形式的不同，磁路的形式可分別排列成間隙分散式和組合拉推式兩種。前者兩永磁體之間按一定間隔距離進行排列，后者兩永磁體之間靠緊排列。圖3-11（a）與圖3-11（b）分別給出了直線型磁力耦合傳動器兩種不同排列形式的磁路對比，其能量曲線如圖所示。

從圖中不難看出，在相同體積下的磁力耦合傳動器，圖3-11（b）的排列形式與圖3-11（a）的排列形式相比，能夠排列出較多的永磁體，相對來說傳遞力矩較大或可以減小外形尺寸。可以看出，在圖3-11（a）所示磁路中，當位移增量dg=2b時，靜磁能從-jH增大到jH，而圖3-11（b）的磁路中，當位移增量dg=b時靜磁能即可從-jH增大到jH。可見，組合拉推式磁路所傳遞的扭矩明顯大于間隙分散式磁路傳遞的扭矩。這一結論同樣適合于圓筒式磁力耦合傳動器。圖3-12是旋轉圓盤式兩種不同磁路形式的對比。

圖3-12（a）是采用間隙分散式磁路的軸向磁力耦合傳動器，圖3-12（b）是采用緊密組合拉推式磁路的軸向磁力耦合傳動器。圖3-13所示為組合拉推式磁路傳遞扭矩的原理。

分析表明：當從動磁轉子的磁極S位于主動磁轉子N、S兩個極的中間位置時扭矩最大（此時θ=90°）。根據同性相斥異性相吸的原理，相鄰兩磁極對從動磁極的作用力在旋轉方向上是疊加的，這有助于獲得高傳動力矩。同時，由圖3-13還可見到，通過磁場力的作用，可以減輕甚至抵消軸向作用力，對支撐軸承的壽命有利。分析認為，這種磁路的磁力耦合傳動密封裝置，在兩磁極間有非磁性的金屬隔離套，由于靠得很近的兩磁極產生的軸向磁場互相抵消，可有效地控制或減小在隔離套壁厚內的渦流損失，也有效地控制或減少了因渦流引起的隔離套發熱。所以，這種組合型磁路的磁力耦合傳動器具有較好的磁場透過器壁傳遞能量的效果，不僅適用于力或扭矩的傳遞器件，還適用于磁力耦合傳動密封結構的裝置。

3.3.3　組合拉推式磁路的扭矩方程

磁力耦合傳動主要應計算出傳動扭矩的大小，借以判斷所設計的磁力耦合傳動器是否能夠滿足工程應用的要求。計算磁扭矩的有關公式除之前章節已介紹的一些方法外，在工程設計中常采用式（2-13）進行，這里不再介紹。

式（2-13）中磁路系數K取決于不同磁場排布。各種不同磁路的K值及傳動扭矩的對比見表3-1。

表3-1中的部分數據是根據各種報道資料中的圖形尺寸、性能參數等數據進行選樣推算得到的。

在工程設計中，由計算得到式（2-13）中的T值后，還應根據實用功率以及實際應用狀態的不同進行功率匹配計算或修正處理。

（1）功率匹配計算或修正處理的基本思路

永磁磁力耦合傳動傳遞力或扭矩的過程是一個恒力或恒扭矩的傳遞過程，它的最大傳遞力或扭矩是一恒定值。因此，考慮到工程中可能存在的復雜情況，應根據實際應用情況進行功率匹配計算或修正處理。如在磁力耦合傳動應用過程中，存在著啟動過程中啟動扭矩與額定扭矩的功率匹配或修正；應用于大功率的電動機啟動過程和小功率的電動機啟動過程中不同啟動扭矩系數的功率匹配或修正；啟動過程中采用延時啟動和正常啟動的扭矩匹配或修正等。又如在使用過程中不同負載狀態對力或扭矩的匹配或修正問題，分為輕負荷啟動過程中力或扭矩的匹配或修正；重負荷啟動過程中力或扭矩的匹配或修正；額定扭矩啟動過程中力或扭矩的匹配或修正等。由于使用狀態不同，需要對T值作具體的匹配或修正。因為T值是恒定的，若在應用中設計選配過大，會造成使用原材料多、成本高，而且還會因大磁場引起或造成一些不必要的麻煩或浪費；設計選配小了，使得設備在使用過程中不正常，影響正常工作。

（2） 匹配計算或修正處理的幾個主要因素

通過設計計算、試驗測試以及實際應用驗證，對使用過程的幾個主要因素作了分析歸納。

①在直線運動、螺旋運動以及低轉速運動中，采用直接啟動，啟動過程的啟動時間長、加速度較小、運動平穩，啟動力或扭矩與額定運動的差值小。

②如果小電動機等空載直接啟動，啟動過程的時間較短、加速度較大、啟動力或扭矩與額定運動的差值較大。

③在輕負荷狀態下直接啟動，啟動時間較短、加速度較大、啟動力或扭矩與額定運動的差值較大。

④在重負荷狀態下直接啟動，啟動時間短、加速度大、啟動力或扭矩與額定運動的差值大。

因此，在運行啟動過程中，根據不同的運動狀態和負載狀態，采用不同的啟動方式，必要時可采用延時啟動的方法，控制或減小啟動過程的加速度值，有效地控制啟動力或扭矩，減小啟動力或扭矩與額定運動的差值。

（3）匹配與修正的計算方法

作為運動機構特別是旋轉運動機構，它的啟動過程力或扭矩的變化大，過程較復雜。磁力耦合傳動用于機械運動機構，應適應于運動機構的變化，與運動機械相匹配。因此，在磁力耦合傳動的力或扭矩的設計計算中可采用下述幾種匹配或修正的計算方法，對啟動扭矩加以修正。

①輕載啟動（硬啟動過程）。在輕載啟動過程中，啟動扭矩Tq為

Tq=α10T　　 （3-7）

式中　Tq——啟動扭矩，kgf·cm；

T——設計扭矩， kgf·cm，參見式（2-13）；

α10——啟動系數，與Te/T值有關（Te為額定運轉扭矩，kgf·cm）。

當=0.88～0.95時， Te與a10的關系見表3-2。

在實際應用中，扭矩大于1200kgf·cm的旋轉機械（如泵等設備），除個別特殊情況外，均采用了延時啟動的方法，電網設備簡便，運行、操作安全可靠。

②延時啟動（軟啟動過程）。在延時啟動過程中，啟動扭矩Tq為

Tq=α11T（kgf·cm）　　 （3-8）

當=0.88～0.95時： Te與α11的關系見表3-3。

③載荷啟動。在載荷狀態下啟動時有兩種情況：一種情況是軟特性啟動，雖然是在滿載荷情況下啟動，啟動扭矩高于輕載啟動，但啟動扭矩并不是遠高于輕載啟動扭矩，啟動慣性相對穩定；另一種情況是硬特性啟動，這種情況下啟動扭矩很大，慣性大，無特殊情況，一般不采用磁力耦合傳動的傳遞方式。

3.3.4　組合拉推式磁路的應用實例

（1）大磁間隙磁力耦合傳動器

圖3-14是測試扭矩為200kgf·cm的精密軸承用的磁力耦合傳動器。磁極共18極，每極磁體體積為2.4cm3。磁體緊密排列，平均半徑為8.6cm。在內外磁體的背部具有軟磁回路，而且不飽和。

該磁力耦合傳動器連續運轉性能良好，運轉平穩、振動小、轉速穩定、結構簡單、體積小，能符合超高真空密封性能的要求，無漏氣現象。負載運動一直運轉穩定、正常，測量得到的數據可靠。其中的兩臺還在磁間隙為28～25mm的條件下運轉，由此可見，稀土鈷磁力耦合傳動可以進行高壓差系統的密封傳動。

（2）高壓差扭矩磁力耦合傳動器

圖3-15所示為磁力耦合傳動式氦壓縮機，共4個磁極，磁體總重0.36kg（包括軟磁回路），帶動一臺小型氦壓縮機，壓差為50大氣壓，分別在630r/min、800r/min下進行試驗后，不僅具有良好的保護整機的作用，而且其體積也比封閉電動機小得多。用于灌注氦氣，進行密封性檢驗，其密封性能良好。

（3）直線傳動器

圖3-16所示為用于真空系統傳遞直線運動的一種磁力耦合傳動器，行程為250mm，?42×20mm2的磁環，由軸向組合拉推磁路組成，可帶動1.5kg的樣品進行傳遞。

（4）磁力轉動傳動復合式傳動器

圖3-17是采用徑向及軸向兩種組合時所得到的既能轉動又能傳動的復合傳遞磁力耦合傳動器，它用于高精度的分子束外延等儀器上的磁力轉動和傳動。

從上述敘述中可以看出：以高性能、高穩定性的稀土鈷永磁材料所組合的拉推磁路研制成功的磁傳動密封器件，具有體積小、重量輕、壽命長、間隔板薄、渦流小、密封性能可靠以及轉動慣量小、功耗小等優點。雖然在無負載時有軸向力，但在有負載時軸向力摩擦力也會減小，從而能延長軸承使用壽命，還具有傳動平穩、漏磁小、受外磁場的影響小等優點。磁力耦合傳動不但可以進行任何角度的轉動和較長的直線平動以及轉動平動等各種運動的傳遞，而且當負載過大卡住時，磁力耦合傳動器能自動滑脫，起到保護電動機和整機的作用。因為電動機的振動傳遞小，有減振的作用，也可對高壓容器進行密封傳動，所以，磁力耦合傳動器既具有傳動密封作用，又具有保護和減振作用，兼有密封裝置傳動器、保護器、減振器的三大作用。我國稀土資源富有，大力推廣應用稀土鈷磁力耦合傳動技術將使其顯示出更多優越性。

3.3.5　大磁隙磁路設計方法的修正

常規的磁路設計主要是依據磁場分布、聚集、離散等理論分析，永磁材料構成的磁路設計雖然有較多的文獻報道，但卻有一定的局限性，特別是稀土永磁材料的應用，為大磁隙磁路的設計創造了條件。仍然采用常規方法進行磁路設計的計算結果誤差較大，因此，對原有的設計公式或公式中相關參數進行適當的修正是必要的。

試驗驗證和研究分析表明，對磁路設計公式進行修正的方法基本上可分為兩種：一種是對公式的設計計算結果用隱函數系數進行修正，即系數修正法；另一種是對設計公式中的相關參數進行修正處理，即參數修正法。在磁路設計中，分析與對比表明，采用第二種方法較為簡便，采用這種方法對設計公式中的部分參數進行修正處理后，設計了多種磁路，這些磁路通過多次實驗研究、分析以及實用中的考核表明，對大磁隙磁路的設計采用參數修正法是較為適用的。

理想狀態的磁路設計是盡可能少地使用永磁材料來獲得較高的磁場強度。也就是說在永磁材料性能參數確定后，進行合理的最佳的磁路設計，能夠得到較大的磁場力即磁傳遞力或扭矩。現就修正的幾個主要參數分述如下。

（1）磁體厚度h的修正

為確保大磁間隙磁路設計的準確性，在實際磁路設計中，改變磁體厚度h的方法經實驗所得如下：

①當磁隙為6mm時，磁體厚度可確立為5.5mm，此6mm磁隙的數值可確認為是設計的特征尺寸參數。

②磁隙在6mm的基礎上遞增時，磁隙每增加1mm，磁體厚度應在5.5mm的基礎上以8.5%的遞增率疊加。

③磁隙在6mm的基礎上遞減時，磁體厚度h可不進行修正，這是因為磁間隙小于6mm時，即可視為小間隙磁路，這時磁體厚度根據技術要求按常規方法設計即可。

通過上述方法給出的磁隙大于6mm 時，磁體厚度h遞增的經驗計算方法為

h=5.5×（1+8.5%）x=5.5×1.085x　　 （3-9）

式中，x為磁隙增大的距離，mm。

（2）平面運動磁場磁極寬度b的修正

在平面運動磁場的大間隙磁路設計中，在修正磁體厚度h的同時對磁極寬度b也應進行必要的修正，其方法是：

①磁隙為6mm時，磁極寬度b為11mm，磁隙每增加1mm，磁極寬度以13.6%的遞增率遞增。即b值的遞增率為：

b=11×（1+13.6%）x=11×1.136x　　 （3-10）

式中，x為磁隙增大的距離，mm。

②磁隙小于6mm時，視為小間隙磁路，b值可不做修正。

（3）旋轉運動磁場磁極角θ的修正

一對耦合磁場做旋轉運動時，主、從動磁極相互作用的作用力大小可通過儀器進行監測，也可通過耦合磁極在外力作用下產生的主、從動磁極相對滯后角（轉角差）?計算出來。如圖3-18所示，圖中（a）為耦合磁場無外力作用靜止時滯后角?為零，這時瓦形磁極的磁極角θ等于磁力耦合角θ'。圖中（b）是外力作用下使耦合磁場的主、從動磁極產生滯后角（轉角差）?，當外力增大時，?值也隨之增大，當?角增大到最大值?max時，?max==θ'，此時磁場做功最大，但是此點也是磁力耦合態滑脫與耦合的不穩定點。

大磁隙磁路設計中對θ的修正，通過實驗驗證顯得更為重要。通過修正θ角，不僅使磁場扭矩計算差異小，還可以控制磁力耦合傳動的耦合極數。

θ'角的修正比較復雜，它與磁力耦合傳動系統的啟動特性、磁力耦合傳動器的運轉半徑、系統的運轉慣性以及磁隙的變化量等有關，不能確切地給出經驗驗算方法。表3-4給出了一組通過實驗整理的不同功率下的經驗數據，供設計磁力耦合傳動時參考。