永磁带轮式金属带传动原理及力学模型

t ran sm ission, in w h ich m agnet ic field can be p roduced by the p erm anen t m agnet in sta lled in m agnet ic p u lley. T he m agnet can a t t ract the m eta l belt and increa se the frict ion fo rce betw een m eta l belt and m agnet ic p u lley. T he st ructu re and p rincip le of M BD PM w a s in t roduced and it s m echan ica l m odel w a s estab lished. F ina lly, som e m a in facto rs influenced t ran sm ission p erfo rm ance of M BD PM w a s ana lyzed. T he resu lt s show ed tha t in it ia l ten sion and m agnet ic a t t ract ion p roduced the effect ive ten sion together. So , th is d rive po ssessed m any advan tages, such a s g rea t t ran sm ission pow er and t ran sm ission ra t io and h igh efficiency. Key words B elt d rive, M eta l belt, Perm anen t m agnet, M agnet ic p u lley, T ran sm ission p erfo rm ance belt d rive w ith p erm anen t m agnet, 简称 M BD PM )
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农 业 机 械 学 报
2 0 0 5 年
Λ——动摩擦因数 v ——带速 1 ——金属带的线质量 Θ
k ——引力系数 B ——磁感应强度 b ——带宽 r1 ——小带轮半径
时, 所需有效张力大, 要求金属带的强度高。 图 5 为 M BD PM 的有效张力 F e 随磁感应强度 , 初张力 F 0 = B 而变化的规律 ( 图中, 包角 Α 1 = 150 ° 1 200 N ) 。 由图可知, 有效张力随磁感应强度的增大 而增大, 呈二次曲线变化关系。 以 B = 016 ～ 112T 为 例, F 0 可达 1 000 ～ 2 500 N 。 图 6 为M BD PM 和普通带传动的传动比 i 随包 角 Α 1 而 变 化 的 规 律。 由 图 可 知, 包 角 相 同 时, M BD PM 的传动比仅略大于普通带传动。但由于磁 力的作用,M BD PM 的小带轮直径及包角较普通带 传动均可取相对较小的值, 因而传动比更大。 例如, 当 M BD PM 的包角取 120° , 普通带传动取 160° 时, M BD PM 的传动比约为普通带传动的 3 倍。
图 5 有效张力随磁感应 强度而变化的规律
F ig. 5 L aw of effective ten sion chang ing w ith m agnetic flux den sity
图 6 传动比随包角 而变化的规律
F ig. 6 L aw of tran sm ission ratio changing w ith angle of con tact
图 1 M BD PM 的工作原理
F ig. 1 W o rk ing p rincip le of M BD PM
1、 4. 主、 从动磁力带轮 2. 稀土永磁体 3. 金属带
图 2 即为主动磁力带 轮的结构示意图, 它主要 由轮缘 1、 导磁体 2、 隔磁 体 3、 稀土永磁体 5 及轮毂
Fe =
2 ΛΑ 2 (F 0 - Θ 1) 1v ) (e 1 ΛΑ 1 e + 1
( 10)
比较式 ( 9) 及式 ( 10) 可知, 在 M BD PM 中, 有效 张力的产生已不再是初张力单独作用的结果, 而是 磁力吸引力与初张力共同作用的产物。 显然, 这对提 高其传载能力、 增大传动比及改善传动性能等具有 重要意义。
取一微段金属带 d l 为研究对象, 设 F 为金属带 的张力, 根据水平方向和垂直方向力的平衡可知 dΑ ( F + d F - F ) co s - Λd F n = 0 ( 1) 2
(F + d F + F ) sin dΑ + F m - F c- dF n = 0 2 ( 2)
式 ( 1) 简化后可得
收稿日期: 2005 06 16 3 国家自然科学基金资助项目 ( 项目编号: 50205023) 和湖南省教育厅青年基金资助项目 ( 项目编号: 03B 045) 诸世敏 湖南科技大学机电工程学院 副教授, 411201 湘潭市 罗善明 湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室 教授 博士 余以道 湖南科技大学机电工程学院 副教授
引言 带传动用于传递动力和运动, 是机械传动中重 要的传动形式, 已得到越来越广泛的应用。 近年来, 特别是在汽车工业、 家用电器办公机械以及各种新 型机械装备中使用相当普遍[ 1～ 8 ]。 稀土永磁材料在齿轮传动中已有成功应用的实 例, 它是由日本学者 T su runo to K 于 20 世纪 80 年 代首先提出的 [ 9, 10 ]。 但在带传动领域的研究与应用 还未见报道。 稀土永磁带轮式金属带传动 (m eta l
6 等组成。 其中轮毂 6 由
图 4 M BD PM 的力学模型
F ig. 4 M echan ica l m odel of M BD PM
绝磁体材料铸造而成, 环 状轮缘 1 由多片导磁体 2 和隔磁体 3 相间焊接而 成, 并被切割成两个半圆 环, 以便组装在轮毂 6 上。 图 2 永磁带轮的结构 F ig. 2 Structu re of p u lley 稀土永磁体 5 均布在轮缘 w ith p erm anen t m agnet 环形槽的圆周内, 其 N 、 S 1. 轮缘 2. 导磁体 3. 隔磁 极分别与轮缘环形槽两侧 体 4. 金属带 5, 稀土永磁 导磁体 2 紧贴。 当挠性金 体 6. 轮毂 属带 4 覆盖在轮缘外圆周 上时, 由稀土永磁体 5、 环形槽两侧的导磁体 2 及金 属带 4 形成多个磁力线闭合回路, 以产生轮缘对金 属带的磁场吸引力。 为降低 M BD PM 工作时金属带的弯曲应力, 提 高其使用寿命以及导磁能力, 金属带可采用磁性复 合结构, 如图 3 所示。 其中钢丝绳由直径为 011～ 013 mm 左右的钢丝编制而成, 表面镀烙或镀锌。橡 胶套的作用是固定钢丝绳, 同时也可起到一定的隔 磁 作用。 磁性橡胶的磁粉材料为铷铁硼 ( SH 35～ 38 ) , 磁粉比例为 30%～ 50% 。磁性橡胶只需填满钢 丝绳的缝隙, 并与钢丝绳外圆面平齐。
F2
( 6)
联立求解式 ( 5) 和式 ( 6) , 得
F1 = F2 =
e
ΛΑ 1
- 1
2 2 + Θ kB r1 b 1v -
2 力学模型
M BD PM 运行过程中, 金属带主要承受下列作
e ΛΑ1 - 1
Fe
( 7)
2 2 + Θ kB r1 b 1v -
式中 Α 1 ——金属带在小带轮上的包角
第 12 期
诸世敏 等: 永磁带轮式金属带传动原理及力学模型
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1 结构及原理
M BD PM 的结构及工作原理如图 1 所示, 它主
要由大、 小磁力带轮、 稀土永磁体及金属带组成。 其 主要特点是: 安装在大、 小磁力带轮上的稀土永磁体 可产生磁场并吸引金属带, 从而大幅度地提高金属 带与磁力带轮间的正压力和摩擦力, 进而传递运动 和动力。
Study on Pr inc iple and M echan ica l M odel of M eta l Belt D r ive w ith Permanen t M agnet
Zhu Sh i m in L uo Shanm ing Yu Y idao (H u ’nan U n iv ersity of S cience and T echnology ) Abstract M eta l belt d rive w ith p erm anen t m agnet (M BD PM ) is a new typ e of m echan ica l
是最近研制开发出的新型传动方式, 同电磁带轮式 金属带传动 (m eta l belt d rive w ith elect ric m agnet, 简称M BD EM ) 相比 [ 1, 2 ] , 它具有结构简单、 磁场分布 均匀、 承载能力大、 传动效率高等特点。 本文首先介 绍 M BD PM 的结构和工作原理, 并在此基础上建立 其力学模型, 推导出有效张力的数学表达式, 最后对 影响其传动特性的主要因素进行探讨和分析, 从而 为改善传动性能、 完善结构设计等提供理论依据。
3 特性分析
由式 ( 9 ) 可知, 影响 M BD PM 传动性能的因素 主要有初张力 F 0、 磁感应强度 B 、 包角 Α 带速 v 及 1、 小带轮直径 d 1 等。 ( 1) 初张力 F 0。 保持适当的初张力是 M BD PM 正常工作的首要条件。 初张力不足, 会出现打滑, 降 低传载能力; 初张力越大, 牵引力 F e 越大, 承载能力 越高。 但初张力过大, 将增大轴和轴承上的压力, 并 降低金属带的寿命。 ( 2) 磁感应强度 B 。 磁感应强度是影响M BD PM 传动性能的最主要的因素。 增大磁感应强度, 初张力 可相应减小, 有效张力却可得到大幅度增加, 这对提 高其承载能力、 改善传动性能是十分有利的。 ( 3) 包角 Α 1。小带轮包角越大, 金属带与磁力带 轮间的接触弧可产生的摩擦力也越大, 则传载能力 越大。 ( 4 ) 小 带 轮 直 径 d 1。 小 带 轮 直 径 是 影 响 M BD PM 传动性能的主要因素之一, 它主要受传动 空间和弯曲应力的影响。 若 d 1 减小, 传动所占空间 就小, 结构紧凑; 但弯曲应力也相应增大, 传载能力 和使用寿命降低。 ( 5) 带速 v。带速太高时, 离心拉应力大, 金属带 与磁力带轮间的压力减小, 传递功率降低; 带速太低