電磁離合器承載能力分析

徐奎利

牡丹江富通汽車空調(diào)有限公司技術(shù)部，黑龍江 牡丹江 157003

1 電磁離合器的結(jié)構(gòu)原理

壓縮機(jī)使用兩種電磁離合器：4極和6極，除極數(shù)不同外其結(jié)構(gòu)相似，都由線圈、皮帶輪、驅(qū)動(dòng)盤(pán)組成。線圈壓裝在前蓋軸徑上，皮帶輪通過(guò)雙列角接觸球軸承坐在前蓋上，驅(qū)動(dòng)盤(pán)壓裝在主軸上。線圈通電后產(chǎn)生電磁力將驅(qū)動(dòng)盤(pán)與皮帶輪吸合并帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)工作，線圈斷電后驅(qū)動(dòng)盤(pán)與皮帶輪脫開(kāi)，皮帶輪空轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)不工作。

1.1 磁極

電磁鐵有南（S）北（N）兩極，同極相斥異極相吸，相吸的兩個(gè)磁極產(chǎn)生一個(gè)吸力，叫一對(duì)磁極。壓縮機(jī)使用兩種離合器---4極、6極離合器，4極有4對(duì)磁極，6極 有6對(duì)磁極。根據(jù)電磁理論，線圈通電后產(chǎn)生磁通，我們用磁力線表示，磁力線在磁路材料中沿最小磁阻路線形成封閉回路。皮帶輪端面和驅(qū)動(dòng)盤(pán)端面有環(huán)形隔磁環(huán)，所以6極皮帶輪磁力線有6次進(jìn)入驅(qū)動(dòng)盤(pán)和6次由驅(qū)動(dòng)盤(pán)進(jìn)入皮帶輪，4極皮帶輪磁力線有4次進(jìn)入驅(qū)動(dòng)盤(pán)和4次 由驅(qū)動(dòng)盤(pán)進(jìn)入皮帶輪。

1.2 氣隙

離合器有3種氣隙：吸合氣隙Δ0----皮帶輪與驅(qū)動(dòng)盤(pán)端面之間的氣隙，Δ0=0.3---0.7，其功用是防止皮帶輪與驅(qū)動(dòng)盤(pán)摩擦，值大，吸合時(shí)克服彈簧力較大，降低驅(qū)動(dòng)扭距，值小，則要提高加工精度。外環(huán)隙Δ1----線圈外徑與皮帶輪內(nèi)壁之間的徑向（單邊）間隙。內(nèi)環(huán)隙Δ2----皮帶輪孔座與線圈殼間的間隙。理論分析和計(jì)算結(jié)果證明，80%的磁壓降消耗在內(nèi)外環(huán)隙中，所以要降低內(nèi)外環(huán)隙，通常取Δ1、Δ2≤0.5。

2 影響離合器乘載能力的關(guān)鍵因素——皮帶輪、驅(qū)動(dòng)盤(pán)端面的平面度

電磁離合器是摩擦力傳遞扭距的，因而皮帶輪端面與驅(qū)動(dòng)盤(pán)端面是否貼合良好，對(duì)離合器乘載能力影響重大。筆者做了4組不同組合平面的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件雖然簡(jiǎn)單，但平面狀況的影響是明響的，一組皮帶輪端面中凸0.04與驅(qū)動(dòng)盤(pán)端面中凹0.045，乘載能力最高。因?yàn)槠л喍嗣媾c驅(qū)動(dòng)盤(pán)端面構(gòu)成一對(duì)良好的貼合面，二組正好相反，是中凸對(duì)中凸，形成小面積接觸，乘載能力最小，三與四組為中凸0.01對(duì)中凸凹0.02乘載能力一般。在設(shè)計(jì)上，要求皮帶輪和驅(qū)動(dòng)盤(pán)工作端面的平面度小于0.05，對(duì)皮帶輪一般為凹0.01～0.03。問(wèn)題較多的是驅(qū)動(dòng)盤(pán)，它剛性差，有鉚接應(yīng)力，鉚合后有變形，鉚釘處低，兩鉚釘連線的中點(diǎn)處凸起，整個(gè)平面形成3個(gè)突起的復(fù)雜曲面，這對(duì)傳遞扭距是很不利的。

為提高平面度，采取如下措施：

1）增加驅(qū)動(dòng)盤(pán)厚度：如果厚度增為4.9±0.1則驅(qū)動(dòng)盤(pán)剛度可增加6級(jí)40%、4級(jí)17%。

2）控制彈黃片、驅(qū)動(dòng)盤(pán)和傳動(dòng)盤(pán)孔距和孔徑精度，減少鉚合變形。

3）減少裝配、搬運(yùn)、安裝、維修過(guò)程中因外力引起的驅(qū)動(dòng)盤(pán)變形，變形對(duì)乘載能力影響重大，常見(jiàn)變形有兩種：

（1）驅(qū)動(dòng)盤(pán)扭曲，驅(qū)動(dòng)盤(pán)與皮帶輪端面只有個(gè)別點(diǎn)或小面積接觸，不能傳遞扭距。

（2）偏擺或縮入，驅(qū)動(dòng)盤(pán)與皮帶輪端面空轉(zhuǎn)時(shí)接觸，驅(qū)動(dòng)盤(pán)被磨去一角，通電后驅(qū)動(dòng)盤(pán)與皮帶輪接觸不良，無(wú)法工作。

3 安匝數(shù)的影響

線圈匝數(shù)n與電流A的乘積叫安匝數(shù)，在相同條件下，離合器乘載能力與安匝數(shù)的平方成正比，通常電壓是給定的，要增加安匝數(shù)只能增加漆包線直徑，如果漆包線直徑不增加，只增加匝數(shù)是不能增加安匝數(shù)的，因?yàn)樵褦?shù)增加，線圈電阻也同比例增加，安匝數(shù)不變。

4 驅(qū)動(dòng)盤(pán)大小的影響

驅(qū)動(dòng)盤(pán)大，則磁極面積大，力臂也大，因而能傳遞很大扭距。

5 氣隙大小的影響

前面定性地分析氣隙大小對(duì)承載能力的影響，如何計(jì)算這種影響呢，下面舉電工學(xué)中實(shí)例。已知磁通φ=3×10-3Wb，鐵心材

料D21，銜鐵材料鑄鐵，求安匝數(shù)及吸力。這是已知磁通求安匝數(shù)和吸力，是順解，解法為。吸力：F=0.5B2S/μ0 N

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（Wb/m2） ；S為磁極面積（m2）；μ0為空氣磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入得2F=0.8B2S×106=0.8×12×3×10-3×106=2400 N

綜上述，可以寫(xiě)出離合器乘載能力公式；M=0.4B2SnfR×106 N.m

式中：n為離合器極對(duì)數(shù)，4極n=4，6極n=6；f為摩擦系數(shù)，f=0.3 見(jiàn)‘機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)’上冊(cè)第一分冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社；R為驅(qū)動(dòng)盤(pán)平均半徑（m）。氣隙中磁壓降很大，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，因而乘載能力迅速下降，計(jì)算結(jié)果證明了這一點(diǎn)：內(nèi)外氣隙均為0.45mm時(shí)，扭距為44N.m，內(nèi)外氣隙均為0.55mm時(shí)，扭距為32N.m，下降27%，內(nèi)外氣隙均為0.65mm，扭距為25N.m，下降43%。

6 低電壓、高溫的影響

在正常況下，離合器的設(shè)計(jì)能力可以滿足要求，但下列清況可能例外。

1）電壓不足，假設(shè)線圈額定電壓12V，實(shí)際電壓為10V，根據(jù)歐姆定律，線圈電流下降為10/12=0.83，磁感應(yīng)強(qiáng)度下降為0.832=0.69，設(shè)額定扭距M0=40N.m，電壓10V時(shí)M=0.69M0=27.6N.m；

2）高溫，若室溫電阻3.06Ω，1150C時(shí)為4.24Ω，假定線圈實(shí)際工作溫度1000C，則電阻為3.06+（4.24—3.06）×100/115=4.09Ω，由于電阻增加，電流減少至3.06/4.09=75%，可以近似地認(rèn)為扭距降為0.752M0=22.4N.m。