第1篇　磁力耦合传动技术基础

第1章　绪论

1.1　概述

磁力耦合传动又称为磁力传动或磁力驱动。它是以现代磁学理论为基础，应用永磁材料或电磁铁的磁力作用，来实现力或扭矩（功率）无接触传递的一种新技术。实现这一技术的装置称为磁力耦合传动器，或称为磁力耦合器、磁力联轴器、磁力耦合传动装置等。磁力耦合传动装置与磁力耦合传动器的主要区别是在磁力耦合传动器的基础上增加了机械装置。

在目前的工业化大生产中，许多过程是在传输、反应、搅拌、加热、冷却、吸收、清洗、扩散、分离等运作下实现的，其输送、通断、控制、变换、调节等功能必须通过一定的传动控制装置来实现。这种传动控制装置应该既能随工作机件正常运转、自动调节位置和实现控制等功能，又能满足运转灵活、控制自如、全密封、不泄漏、不扩散等技术要求。这样的传动控制装置如果能在现代化工业生产设备上得到应用，必将带来明显的经济效益。此外，在机械传动中还有一些传动装置，如样品传递的输入与取出、载荷位移与运动以及一些高精度的力和扭矩的传递，在其传递过程中使传输结构可实现主、从动件分离并使运动方向或运动状态在同步或不同步条件下完成其各自的运动轨迹等方面的要求，对于这些具有特殊要求的传动形式，如果采用磁力耦合传动与机械传动相结合的综合传动方式取代单纯和复杂的机械传动形式，不仅可以简化传动装置，而且还可以提高装置运行的可靠性和传动效率。这里阐述的磁力耦合传动装置是一种完全可以实现上述要求的磁力耦合传动与机械传动相结合，并且在一定程度上还可以实现运动过程自动控制的一种全新的技术。

（1）磁力耦合传动技术的应用特点

①可将轴传递动力的动密封转化为静密封，实现动力的零泄漏传递。磁力耦合传动传递力或扭矩，是利用磁场力作用特性而实现的。磁力耦合传动并不需要两个永磁件相对接触或连接，因此，当主动件旋转时，在磁场力的作用下即可实现从动件同时进行旋转，而工作容器内外之间并不需要主动轴（或传动杆）穿过容器壁来达到工作目的，从而可实现动力传递过程的静密封状态，彻底做到零泄漏。

②可避免振动传递，实现工作机械的平稳运行。主动件与从动件相互间无接触，不存在刚性连接问题，主动件发生突变或振动时都不会直接传递到从动件上，从动件发生突变或振动时同样也不会影响主动件的工作状态，从而可避免振动或突变的传递，实现工作机械的平稳运行。

③可实现工作机械运行中的过载保护。在主动件与从动件无刚性连接的条件下，设计时可适当增加工作扭矩以增加安全运动感，但当从动件负载突然增加，超载过大时，两件之间可产生滑脱而结束扭矩的传递，从而避免了从动件在不能正常工作时（如主动轴抱死、扫膛等）容易被损坏的危险，同时也对电动机起到了保护作用。

④与刚性联轴器相比较，安装、拆卸、调试、维修均较方便。磁力耦合传动装置在结构上较为简便，主动件与从动件之间存在间隙，易于安装、拆卸和维修，既可减小设备维修的难度和劳动强度，又可提高设备的工作效率。

⑤磁力耦合传动传递动力的运动方式。磁力耦合传动传递动力时可做直线运动、旋转运动以及直线运动与旋转运动相结合的螺旋式复合运动；磁力耦合传动与不同机械结构设计相结合，可实现三维空间的有序运动、其他一些不同方式的运动或一定距离的位移及旋转任意角度的定向运动。

⑥可净化环境，消除污染，实现文明生产。环境保护是我国实现经济可持续发展的一项基本国策，在石油、化工、制药、海上油井作业、有色金属冶炼、湿法选矿、食品等行业的生产流程中，应用磁力耦合传动技术研制而成的泵可完全避免有毒、有害、易燃、易爆、强酸、强碱等腐蚀性介质的泄漏，既保护了操作者的安全，又防止了对环境的污染。

（2）磁力耦合传动技术在应用中存在的问题

①磁场的存在可干扰周围环境。磁场在某一空间的存在干扰了周围环境，使某些应避免磁场干扰的仪器与设备的使用受到了限制。

②磁力耦合传动器在启动过程中易产生滞后。在启动运转过程中，主动磁转子的磁转角与从动磁转子的磁转角存在着转角差并随时间变化而变化；在正常运转中，负载扭矩变化时磁场力扭矩也同样发生变化，从而可导致主、从动件之间产生错动。因此，磁力耦合传动器在要求精确的设备使用上受到了限制。

③磁力耦合传动器与接触式密封装置相比较，效率相对降低。这主要是因为采用金属材料作为隔离套，由于金属隔离套处于正弦交变磁场中，该磁场不但大小变化而且方向也发生变化，导致金属材料隔离套中在垂直于磁力线方向的截面上感应出涡流电流。这种涡流的产生，既能减弱工作磁场，降低传递扭矩，又能产生涡流损失并以焦耳热的形式释放出能量，从而消耗了主轴的一部分传递功率，降低了传递效率。

（3）磁力耦合传动装置的特点

磁力耦合传动装置除了具有常规的磁力耦合传动器所具有的可转化轴传递动力的动密封为静密封，实现工作平稳运行，避免振动传递，实现工作装置在运行中的过载保护，与刚性联轴器相比较易于安装调试、拆卸维修、净化环境、消除污染、实现文明生产等一系列特点外，它还具有传递动力方式较多、结构功能齐全等特点。

①把磁力耦合传动技术从简单的二维平面圆周运动变为四维空间螺旋式复合运动，很好地解决了最大转角与转动范围的控制技术，把复杂的螺旋式复合运动定域在有效空间。

②将磁路设计和机械结构设计有机结合成运动的整体，完成复杂的运动轨迹；突破了传动系统传统机械联动机制，很好地实现了动态下的静密封。

螺旋运动是在三维空间运行的，可以说它是在平面圆周运动的基础上叠加了轴向推进位移和时间因素，同时解决了转角与推进位移（二者皆为时间的函数）的数量关系；解决了转动力矩与轴向推进作用的矢量关系。

③把磁极的紧密型排列、对称性排列和非对称性排列进行合理配置，使耦合的两组分离部件做彼此相关、同步和不同步的双向异型相对运动。

④为任意条件和任意状态的运行摸索出普遍适用的规律。

（4）磁力耦合传动器的分类

磁力耦合传动器依据其不同的分类方法，有如下几种。

①依据磁力耦合传动器耦合原理　可分为同步式、涡流式和磁滞式三种。

a.若设主动件转速为n1，从动件转速为n2，传递的扭矩为T时，可传递的最大扭矩为Tmax，永磁体的内禀矫顽力为j，在主、从动两部件中均采用永磁体，两部件中的矫顽力均相等而又足够大时，在n1=n2，T<Tmax的条件下，则称磁力耦合传动器为同步式。

b.若主、从动两部件，主动件为导电体，且电导率σ不等于零时，从动件为永磁体，此时称磁力耦合传动器为涡流式。

c.若主动件为磁滞材料，内禀矫顽力为j，从动件为永磁体，内禀矫顽力为j时，j>j；T<Tmax，n1=n2时，则无能量损失（磁滞损失），此时磁力耦合传动器被称为磁滞式。

②依据磁力耦合传动器传递运动的方式　可分为直线运动、旋转运动、复合运动以及其他一些特殊运动等。

a.直线运动式磁力耦合传动器。其结构示意如图1-1所示。当主动件做直线运动时，从动件也做直线运动。主动件为环状设置在隔离套外侧，通常由外磁体、磁屏蔽、外罩、传动件等零件组成。从动件也是环形，由内磁体、隔离套、磁回路、紧固件、传动件等零件所组成。

图1-1　直线运动式磁力耦合传动器结构示意

1—外磁体；2—内磁体；3—隔离套；4—传动件

b.旋转运动式磁力耦合传动器。其结构如图1-2所示。当外磁转子3通过电动机做旋转运动时，内磁转子7也随之做旋转运动，这种磁力耦合传动器的主动件与从动件均由转轴、永磁体、隔离套、磁回路、轴承、轴承座等部件所组成。

图1-2　旋转运动式磁力耦合传动器结构示意

1—从动轴；2—隔离套；3—外磁转子；4—外磁转子用永磁体；5—内磁转子用永磁体；6—工作气隙；7—内磁转子；8—主动轴

c.复合运动式磁力耦合传动器。其结构较复杂，但外形基本上与直线运动式磁力耦合传动器接近。复合运动式磁力耦合传动器主动件做直线加旋转的复合运动时，从动件同时也随之做复合运动。

采用永磁体进行复合式驱动的磁力耦合传动器，如图1-3所示。这种结构既能分别传递直线运动和转动，又能传递两种运动组合的运动，如螺旋运动、装卡运动，其结构及磁极的排列要比单一运动的磁力耦合传动装置复杂些，外形与直线传动机构相近。因为外磁极既要推动内磁极做直线运动又要做转动运动，而且传动杆仍然要在滚珠轴承导轨上做直线运动，所以应在传动杆中心装一转轴来完成转动动作。样品托可以固定在转轴的一端，在转动时随转轴一起旋转，传动杆不动；直线运动时，则和转轴一起随传动杆移动。传动杆可用滚轮调节其运动中心线和管道中心线的同轴度和平行度，导轨架同法兰做成一体，便于整体拆装。密封管一端焊在法兰上，密封管外装有一根标尺，可以显示移动距离，外磁极上装有防尘垫和转角限位器，不需要转动时，限位器夹住标尺，外磁极就不会转动，如果限位器上有角度刻度，就可以测量转角的大小；将限位器松开，磁极可以任意旋转角度，如果标尺上装有定位夹，也可以固定传动杆往复运动的行程。密封管的另一端焊有堵头，堵头上可装支架，托住密封管，避免密封管成为悬臂梁。