同軸型磁性聯(lián)軸器最大靜磁力矩影響因素分析

余法松

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 同軸型磁性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

同軸型聯(lián)軸器，用靜密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)動密封，可實(shí)現(xiàn)零泄漏，因此，它廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、石油化工、核動力、電鍍等對泄漏有特殊要求的行業(yè)。

通常，同軸型聯(lián)軸器主要由外磁體、內(nèi)磁體、隔離套、軸承系統(tǒng)四部分組成。內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間存在一定的氣隙，用于隔離主動和從動部件。在內(nèi)轉(zhuǎn)子的外徑圓和外轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑圓部分，分別鑲嵌有內(nèi)外磁體。磁體個數(shù)為偶數(shù)，磁體以徑向充磁，耦合磁極為徑向排列，按照內(nèi)磁體的N極（S極）、外磁體的S極（N極）沿圓周方向交叉方式排列。靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)內(nèi)外磁體的N極、S極的工作面相互對齊時，即為自動耦合。當(dāng)主動軸的外磁體轉(zhuǎn)動時，內(nèi)、外磁體工作面形成角度偏移，外磁體S極對內(nèi)磁體的N極形成一個拉動力，同時，對內(nèi)磁體的前一極N極形成一個推動力，使得內(nèi)磁體有跟著轉(zhuǎn)動的趨勢，通過內(nèi)外磁體N極、S極循環(huán)的耦合作用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和扭矩的傳送。隔離套屬于非鐵磁物質(zhì)，一般采用奧氏體不銹鋼，它可以有效地將內(nèi)外磁體隔離開，而又不影響或者很少影響磁性的大小，實(shí)現(xiàn)無接觸地透過隔離套進(jìn)行動力傳輸。所以，隔離套和軸承系統(tǒng)主要用于磁性傳動密封的結(jié)構(gòu)中。

同軸型磁性聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個方面：

（1）同軸型聯(lián)軸器傳遞磁力扭矩的范圍非常廣泛，一般傳遞扭矩在3～500Nm比較常見，也有高扭矩傳遞，可達(dá)2000Nm，最大的在6000Nm。

（2）聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理時，磁力扭矩的傳遞可實(shí)現(xiàn)交叉、直角傳遞，與傘齒輪、斜齒齒輪機(jī)械傳動等功能相似。磁力傳動不僅可以傳遞轉(zhuǎn)動，還可以傳遞軸向運(yùn)動。

（3）同軸型聯(lián)軸器扭矩傳動比較穩(wěn)定，與撓性軸承適配性較好。電動機(jī)端和工作機(jī)端任何一端軸產(chǎn)生振動，對另一部分的運(yùn)轉(zhuǎn)沒有任何影響，該聯(lián)軸器聯(lián)接可用于振動隔離、撓性聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)對中軸的傳動。

（4）同軸型聯(lián)軸器的額定扭矩約為最大扭矩的60%。當(dāng)輸出端負(fù)載超過聯(lián)軸器的最大扭矩時，聯(lián)軸器將會出現(xiàn)過載保護(hù)——“打滑”，此時，磁體從當(dāng)前N、S極的耦合狀態(tài)，圓周錯動跳轉(zhuǎn)到下一個耦合狀態(tài)。當(dāng)聯(lián)軸器出現(xiàn)打滑時，磁體間隙內(nèi)的磁場迅速變化，內(nèi)外磁體同時出現(xiàn)相互沖退磁現(xiàn)象，磁體間產(chǎn)生大量熱量。磁體溫度短時間內(nèi)迅速上升到100℃以上，磁體因高溫永久退磁，使得聯(lián)軸器報廢。因此，磁性聯(lián)軸器雖然能起到過載保護(hù)的作用，但一般不可作為過載保護(hù)裝置使用。

（5）該聯(lián)軸器的內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間，安裝一個隔離套，可以將內(nèi)轉(zhuǎn)子或者外轉(zhuǎn)子封閉起來，將動密封轉(zhuǎn)變成為靜密封，但仍然可以傳遞扭矩。因此，磁性聯(lián)軸器有效地解決了動密封存在的泄漏問題，實(shí)現(xiàn)零泄漏，可用于對泄漏有特殊要求的場合。

同軸型磁性聯(lián)軸器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多不足。例如，由于隔離套由金屬材料制成，在高速交變磁場中工作，隔離套會產(chǎn)生嚴(yán)重的“發(fā)電”效應(yīng)，造成渦流損失；材料成本過高，限制了磁性聯(lián)軸器的應(yīng)用；由于所有的磁性材料遇高溫退磁，所以限制磁性聯(lián)軸器應(yīng)用的另一個問題是溫度。

2 同軸型磁性聯(lián)軸器最大靜扭矩計(jì)算公式

同軸型磁性聯(lián)軸器由不同極性的內(nèi)外瓦形永磁體分別呈偶數(shù)緊密排列組成，且hLg＞4，（h耦合磁體軸向長度，hg氣隙長度）。最大靜磁力矩是在常溫下，內(nèi)永磁體固定時，外永磁體能施加的最大力矩。

由圖2知，和影響和值，影響的效果相反。當(dāng)選擇恰當(dāng)?shù)暮蜁r可使得為定值，最后得：

圖2 受外力矩作用后的聯(lián)軸器

又如圖1，可得，

圖1 同軸型磁力聯(lián)軸器

式中，Mjcmax為最大靜磁力矩，N?M；h為耦合磁體軸向長度，m；R內(nèi)為內(nèi)永磁體耦合面半徑，m；R外為外永磁體耦合面半徑，m；r內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子耦合面外半徑，m；r外為外轉(zhuǎn)子耦合面內(nèi)半徑，m；(BH)max為永磁體最大磁能積，J/m3；C0為常數(shù)；C1為工作點(diǎn)系數(shù)；C2為氣隙漏磁系數(shù)；C3為端面漏磁系數(shù)。

3 同軸型磁性聯(lián)軸器最大靜磁力矩影響因素分析

由同軸型磁性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及式（1）（2），揭示了最大靜磁力矩和聯(lián)軸器各結(jié)構(gòu)參數(shù)及永磁體性能的關(guān)系，因此，可依據(jù)這兩個公式來分析影響該聯(lián)軸器最大靜磁力矩的因素。根據(jù)所推導(dǎo)出的相關(guān)公式，我們提出影響其最大靜磁力矩的影響因素，并對這些影響因素進(jìn)行分析、總結(jié)。為了更直觀、更具體地分析這些因素對該磁性聯(lián)軸器最大靜磁力矩的影響，結(jié)合某公司磁性聯(lián)軸器的相關(guān)數(shù)據(jù)和最大靜磁力矩計(jì)算公式，我們假定某一因素為變量，其他因素不變的情況下，對最大靜磁力矩進(jìn)行MATLAB編程、繪制曲線圖。

由上可知，同軸型磁性聯(lián)軸器最大靜磁力矩的影響因素可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）永磁體材質(zhì)因素。當(dāng)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，永磁體材質(zhì)的磁體性能越強(qiáng)，磁性聯(lián)軸器的最大靜磁力矩越大。

（2）聯(lián)軸器磁體間氣隙因素。由式（1）可知，隨著磁體間氣隙減小，磁體磁場的有效利用率也隨之增大，同時隔離也越困難；磁體間氣隙增大，隔離越容易，但是，磁體磁場的有效利用率越低。同軸型磁性聯(lián)軸器的工作半徑為氣隙所在的半徑位置。因此，設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時，可根據(jù)所需聯(lián)軸器的扭矩，來調(diào)整氣隙的半徑大小。又由式（2）知，可通過調(diào)節(jié)外轉(zhuǎn)子耦合面內(nèi)半徑或內(nèi)永磁體耦合面半徑，調(diào)節(jié)氣隙的半徑大小來調(diào)節(jié)扭矩（參見最大靜磁力矩與內(nèi)永磁體耦合面半徑、外轉(zhuǎn)子耦合面內(nèi)半徑關(guān)系圖），氣隙的大小多在2～8mm。

（3）耦合磁體軸向長度的影響。由耦合磁體軸向長度與最大靜磁力矩關(guān)系圖分析得知，相同材質(zhì)的永磁體性能，氣隙不變的情況下，增加磁體的軸向耦合長度（即磁體耦合面積），相當(dāng)于近似等比增加傳動扭矩。

（4）內(nèi)永磁體耦合面半徑大小的影響。由內(nèi)永磁體耦合面半徑和最大靜磁力矩關(guān)系圖分析得知，增大內(nèi)永磁體耦合面半徑，即增大了永磁體磁路長度，又降低了氣隙長度，從而增大了聯(lián)軸器的最大靜磁力矩。

（5）外永磁體耦合面半徑的影響。由外永磁體耦合面半徑和最大靜磁力矩關(guān)系圖分析得知，增大外永磁體耦合面半徑，從而增大永磁體磁路長度，提高了最大靜磁力矩。

（6）內(nèi)轉(zhuǎn)子偶合面外半徑的影響。由內(nèi)轉(zhuǎn)子耦合面外半徑和最大靜磁力矩關(guān)系圖分析得知，減小內(nèi)轉(zhuǎn)子耦合面外半徑，增大永磁體磁路的長度，從而提高磁性聯(lián)軸器的最大靜磁力矩。

4 結(jié)語

綜上所述，同軸型磁性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、磁路設(shè)計(jì)，及其各零部件的材料關(guān)系到磁性泵的可靠性，磁傳動效率及壽命。在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)過程中，對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，磁性聯(lián)軸器技術(shù)及其衍生出的零泄漏技術(shù)，必將在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用。