磁力联轴器

第三代稀土永磁钕铁硼（NdFeB）是当代磁体中性能最强的永磁体，它不仅具有高剩磁，高矫顽力、高磁能积、高性能价格比等特性，而且容易加工成各种尺寸，现已广泛应用于航空、航天、电子、电声、机电、仪器、仪表、天线等，医疗技术及其它需用永磁场的装置的设备中，特别适用于研制高性能、小型化、轻型化的各种换代产品。工作温度80℃～240℃。

钕铁硼（NdFeB）是金属钕、铁、硼和其他微量金属元素构成的合金磁体，是目前磁性最强的稀土永磁，有着高的磁能积（8MGOe-55MGOe）和良好的矫顽力。制造工艺成熟，有严格的质量保证、完善的技术服务以及十分优良的性能价格比。

永磁性化工联轴器·利用高性能永磁铁的磁性来传递力矩，无接触传递扭矩·主动端和从动端在密封隔离状态下传递动力·在泵和搅拌器的传动中防止有害物质泄漏·保护环境和生产安全·应用实例：塑料泵应用、制药和食品行业应用、化工工业应用

磁性联轴器。永磁联轴器是通过永磁体的磁力将原动机与工作机联接起来的一种新型联轴器，它无需直接的机械联接，而是利用稀土永磁体之间的相互作用，利用磁场可穿透一定的空间距离和物质材料的特性，进行机械能量的传送。磁力联轴器的出现，彻底解决了某些机械装置中动密封存在的泄漏问题。这种产品广泛应用于化工、电镀、造纸、制药、食品、真空等行业的密封传动机械上。

磁性联轴器主要由外转子、内转子和隔离套组成。

常见磁性联轴器及应用

联轴器（coupling），是机械传动中重要的部件。除了常见的机械式刚性和柔性联轴器外，还有一类靠磁场传动的联轴器，即磁力联轴器。

磁力传动，就是通过磁场NS极耦合相互作用传递动力的方式。

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。

磁性联轴器设计特点

1．与工况的关系

磁性联轴器的磁转矩Tc与回转半径R和磁钢体积V（或面积S）成正比。当增大回转半径R时，磁钢体积V也同时增大，此时，可适当减小磁钢体积V，来保证达到设计磁转矩Tc值。但涡流热又与回转半径R3成正比，所以，回转半径R的增大，有可能导致涡流热增大而恶化工作状态。因此一般的设计原则是：

1）选用钕铁硼磁钢，在工况温度≤80℃，转速≤1000rpm，压力≤0.5MPa时，或选用钐钴磁钢，在工况温度≤200℃，转速≤1000rpm时，尽量采取大回转半径R，力求减小外转子悬臂长度，节省磁钢材料；反之，则只能采取尽量小的回转半径R，靠单一的增加转子轴向长度即增加磁钢体积的办法来保证设计磁转矩值。

2）若工况属于高温、中高压、高转速情况，如300℃、3000rpm、5MPa，则设计时，必须先考虑采取何种冷却措施，然后在保证设计磁转矩的前提下，优化结构设计至最佳长径比。

3）冷却方式一般采用强制风冷、双层隔离罩水循环冷却两种方式。

其中强制风冷，一般在中、高压工况时，涡流热不大但又不能忽略且无法采用双层隔离罩的情况下采用；其特点是，不额外增加磁钢用量，对大磁矩设计结构，一般为细长型结构，冷却装置的外设辅助零部件较多，要求设备周边环境通风条件良好。

双层隔离罩水循环冷却，一般是通过增大磁钢气隙tg，以求保证隔离罩夹层的流导足够截面积，为保证设计磁矩，此时要增大磁钢体如厚度和长度等，但因有可靠的冷却措施，涡流热可忽略不考虑，因此，可按照大回转半径R进行设计，相对来讲又可减少磁钢用量。

2．设计特点

综上所述，磁性联轴器的设计过程，是一个综合考虑、反复计算、优化结构的设计过程，其最终目的是，以最少的磁钢用量达到额定磁矩设计值，这是衡量磁性联轴器效率的一项重要指标。同时也是能否降低制造成本的关键所在！另外，设计中还要考虑如何确保与用户设备联结精度的可靠性、和简练性——这与磁性联轴器的使用性能、可靠性及使用寿命密切相关！

3．设计最大静态磁矩的设定

最大磁矩应以设备的轴功率为依据设定，但多数用户无法提供准确的轴功率值，所能提供的一般是配用电机功率和工作转速。

在没有减速机环节的工况下，配用电机的输出转矩与转速成反比，但配用电机功率一旦确定，其最大输出转矩就是一个确定的值，此时，设计最大磁转矩值的设定，一般等于或小于该值。如：选用18.5kw-4级电机，其同步转速为1500rpm，

则额定输出转矩为：Te=18.5x9550/1500=117.78Nm

则该电机的最大转矩为Tmax=2.2Te=259.11 Nm

设计最大静磁转矩Tc≤Tmax=259.11 Nm

这种设计主要是从保护电机方面考虑

以上是从设计最大磁转矩的上限值设定作了解释，至于下限的设定，则必须与驱动器的总体结构结合起来综合考虑，并通过反复优化设计、计算后确定，在以后的文章中逐渐向用户介绍，在此不做赘述。

4．关于电机特性简介

我们知道，变频器对电机可实施任意转速的调节，但那只是对电机在启动过程中而言，在工作状态下，其最低转速不应低于其额定转速的60%左右，否则，电机的输出转矩将随着外载的增大而迅速减小，致使将电机“闷死”。如有的客户设计一台磁力反应釜，其工作转速外150rpm，选用同步转速为 1000rpm的电机，他想不加减速机而用变频器直接调节到150rpm的转速进行工作，这显然是不可能实现的，在此情况下，一旦负荷波动，电机转速就要迅速降低，此时就有烧毁电机的危险！