第1篇　磁力耦合傳動技術基礎

第1章　緒論

1.1　概述

磁力耦合傳動又稱為磁力傳動或磁力驅動。它是以現代磁學理論為基礎，應用永磁材料或電磁鐵的磁力作用，來實現力或扭矩（功率）無接觸傳遞的一種新技術。實現這一技術的裝置稱為磁力耦合傳動器，或稱為磁力耦合器、磁力聯軸器、磁力耦合傳動裝置等。磁力耦合傳動裝置與磁力耦合傳動器的主要區別是在磁力耦合傳動器的基礎上增加了機械裝置。

在目前的工業化大生產中，許多過程是在傳輸、反應、攪拌、加熱、冷卻、吸收、清洗、擴散、分離等運作下實現的，其輸送、通斷、控制、變換、調節等功能必須通過一定的傳動控制裝置來實現。這種傳動控制裝置應該既能隨工作機件正常運轉、自動調節位置和實現控制等功能，又能滿足運轉靈活、控制自如、全密封、不泄漏、不擴散等技術要求。這樣的傳動控制裝置如果能在現代化工業生產設備上得到應用，必將帶來明顯的經濟效益。此外，在機械傳動中還有一些傳動裝置，如樣品傳遞的輸入與取出、載荷位移與運動以及一些高精度的力和扭矩的傳遞，在其傳遞過程中使傳輸結構可實現主、從動件分離并使運動方向或運動狀態在同步或不同步條件下完成其各自的運動軌跡等方面的要求，對于這些具有特殊要求的傳動形式，如果采用磁力耦合傳動與機械傳動相結合的綜合傳動方式取代單純和復雜的機械傳動形式，不僅可以簡化傳動裝置，而且還可以提高裝置運行的可靠性和傳動效率。這里闡述的磁力耦合傳動裝置是一種完全可以實現上述要求的磁力耦合傳動與機械傳動相結合，并且在一定程度上還可以實現運動過程自動控制的一種全新的技術。

（1）磁力耦合傳動技術的應用特點

①可將軸傳遞動力的動密封轉化為靜密封，實現動力的零泄漏傳遞。磁力耦合傳動傳遞力或扭矩，是利用磁場力作用特性而實現的。磁力耦合傳動并不需要兩個永磁件相對接觸或連接，因此，當主動件旋轉時，在磁場力的作用下即可實現從動件同時進行旋轉，而工作容器內外之間并不需要主動軸（或傳動桿）穿過容器壁來達到工作目的，從而可實現動力傳遞過程的靜密封狀態，徹底做到零泄漏。

②可避免振動傳遞，實現工作機械的平穩運行。主動件與從動件相互間無接觸，不存在剛性連接問題，主動件發生突變或振動時都不會直接傳遞到從動件上，從動件發生突變或振動時同樣也不會影響主動件的工作狀態，從而可避免振動或突變的傳遞，實現工作機械的平穩運行。

③可實現工作機械運行中的過載保護。在主動件與從動件無剛性連接的條件下，設計時可適當增加工作扭矩以增加安全運動感，但當從動件負載突然增加，超載過大時，兩件之間可產生滑脫而結束扭矩的傳遞，從而避免了從動件在不能正常工作時（如主動軸抱死、掃膛等）容易被損壞的危險，同時也對電動機起到了保護作用。

④與剛性聯軸器相比較，安裝、拆卸、調試、維修均較方便。磁力耦合傳動裝置在結構上較為簡便，主動件與從動件之間存在間隙，易于安裝、拆卸和維修，既可減小設備維修的難度和勞動強度，又可提高設備的工作效率。

⑤磁力耦合傳動傳遞動力的運動方式。磁力耦合傳動傳遞動力時可做直線運動、旋轉運動以及直線運動與旋轉運動相結合的螺旋式復合運動；磁力耦合傳動與不同機械結構設計相結合，可實現三維空間的有序運動、其他一些不同方式的運動或一定距離的位移及旋轉任意角度的定向運動。

⑥可凈化環境，消除污染，實現文明生產。環境保護是我國實現經濟可持續發展的一項基本國策，在石油、化工、制藥、海上油井作業、有色金屬冶煉、濕法選礦、食品等行業的生產流程中，應用磁力耦合傳動技術研制而成的泵可完全避免有毒、有害、易燃、易爆、強酸、強堿等腐蝕性介質的泄漏，既保護了操作者的安全，又防止了對環境的污染。

（2）磁力耦合傳動技術在應用中存在的問題

①磁場的存在可干擾周圍環境。磁場在某一空間的存在干擾了周圍環境，使某些應避免磁場干擾的儀器與設備的使用受到了限制。

②磁力耦合傳動器在啟動過程中易產生滯后。在啟動運轉過程中，主動磁轉子的磁轉角與從動磁轉子的磁轉角存在著轉角差并隨時間變化而變化；在正常運轉中，負載扭矩變化時磁場力扭矩也同樣發生變化，從而可導致主、從動件之間產生錯動。因此，磁力耦合傳動器在要求精確的設備使用上受到了限制。

③磁力耦合傳動器與接觸式密封裝置相比較，效率相對降低。這主要是因為采用金屬材料作為隔離套，由于金屬隔離套處于正弦交變磁場中，該磁場不但大小變化而且方向也發生變化，導致金屬材料隔離套中在垂直于磁力線方向的截面上感應出渦流電流。這種渦流的產生，既能減弱工作磁場，降低傳遞扭矩，又能產生渦流損失并以焦耳熱的形式釋放出能量，從而消耗了主軸的一部分傳遞功率，降低了傳遞效率。

（3）磁力耦合傳動裝置的特點

磁力耦合傳動裝置除了具有常規的磁力耦合傳動器所具有的可轉化軸傳遞動力的動密封為靜密封，實現工作平穩運行，避免振動傳遞，實現工作裝置在運行中的過載保護，與剛性聯軸器相比較易于安裝調試、拆卸維修、凈化環境、消除污染、實現文明生產等一系列特點外，它還具有傳遞動力方式較多、結構功能齊全等特點。

①把磁力耦合傳動技術從簡單的二維平面圓周運動變為四維空間螺旋式復合運動，很好地解決了最大轉角與轉動范圍的控制技術，把復雜的螺旋式復合運動定域在有效空間。

②將磁路設計和機械結構設計有機結合成運動的整體，完成復雜的運動軌跡；突破了傳動系統傳統機械聯動機制，很好地實現了動態下的靜密封。

螺旋運動是在三維空間運行的，可以說它是在平面圓周運動的基礎上疊加了軸向推進位移和時間因素，同時解決了轉角與推進位移（二者皆為時間的函數）的數量關系；解決了轉動力矩與軸向推進作用的矢量關系。

③把磁極的緊密型排列、對稱性排列和非對稱性排列進行合理配置，使耦合的兩組分離部件做彼此相關、同步和不同步的雙向異型相對運動。

④為任意條件和任意狀態的運行摸索出普遍適用的規律。

（4）磁力耦合傳動器的分類

磁力耦合傳動器依據其不同的分類方法，有如下幾種。

①依據磁力耦合傳動器耦合原理　可分為同步式、渦流式和磁滯式三種。

a.若設主動件轉速為n1，從動件轉速為n2，傳遞的扭矩為T時，可傳遞的最大扭矩為Tmax，永磁體的內稟矯頑力為j，在主、從動兩部件中均采用永磁體，兩部件中的矯頑力均相等而又足夠大時，在n1=n2，T<Tmax的條件下，則稱磁力耦合傳動器為同步式。

b.若主、從動兩部件，主動件為導電體，且電導率σ不等于零時，從動件為永磁體，此時稱磁力耦合傳動器為渦流式。

c.若主動件為磁滯材料，內稟矯頑力為j，從動件為永磁體，內稟矯頑力為j時，j>j；T<Tmax，n1=n2時，則無能量損失（磁滯損失），此時磁力耦合傳動器被稱為磁滯式。

②依據磁力耦合傳動器傳遞運動的方式　可分為直線運動、旋轉運動、復合運動以及其他一些特殊運動等。

a.直線運動式磁力耦合傳動器。其結構示意如圖1-1所示。當主動件做直線運動時，從動件也做直線運動。主動件為環狀設置在隔離套外側，通常由外磁體、磁屏蔽、外罩、傳動件等零件組成。從動件也是環形，由內磁體、隔離套、磁回路、緊固件、傳動件等零件所組成。

圖1-1　直線運動式磁力耦合傳動器結構示意

1—外磁體；2—內磁體；3—隔離套；4—傳動件

b.旋轉運動式磁力耦合傳動器。其結構如圖1-2所示。當外磁轉子3通過電動機做旋轉運動時，內磁轉子7也隨之做旋轉運動，這種磁力耦合傳動器的主動件與從動件均由轉軸、永磁體、隔離套、磁回路、軸承、軸承座等部件所組成。

圖1-2　旋轉運動式磁力耦合傳動器結構示意

1—從動軸；2—隔離套；3—外磁轉子；4—外磁轉子用永磁體；5—內磁轉子用永磁體；6—工作氣隙；7—內磁轉子；8—主動軸

c.復合運動式磁力耦合傳動器。其結構較復雜，但外形基本上與直線運動式磁力耦合傳動器接近。復合運動式磁力耦合傳動器主動件做直線加旋轉的復合運動時，從動件同時也隨之做復合運動。

采用永磁體進行復合式驅動的磁力耦合傳動器，如圖1-3所示。這種結構既能分別傳遞直線運動和轉動，又能傳遞兩種運動組合的運動，如螺旋運動、裝卡運動，其結構及磁極的排列要比單一運動的磁力耦合傳動裝置復雜些，外形與直線傳動機構相近。因為外磁極既要推動內磁極做直線運動又要做轉動運動，而且傳動桿仍然要在滾珠軸承導軌上做直線運動，所以應在傳動桿中心裝一轉軸來完成轉動動作。樣品托可以固定在轉軸的一端，在轉動時隨轉軸一起旋轉，傳動桿不動；直線運動時，則和轉軸一起隨傳動桿移動。傳動桿可用滾輪調節其運動中心線和管道中心線的同軸度和平行度，導軌架同法蘭做成一體，便于整體拆裝。密封管一端焊在法蘭上，密封管外裝有一根標尺，可以顯示移動距離，外磁極上裝有防塵墊和轉角限位器，不需要轉動時，限位器夾住標尺，外磁極就不會轉動，如果限位器上有角度刻度，就可以測量轉角的大??；將限位器松開，磁極可以任意旋轉角度，如果標尺上裝有定位夾，也可以固定傳動桿往復運動的行程。密封管的另一端焊有堵頭，堵頭上可裝支架，托住密封管，避免密封管成為懸臂梁。