電磁離合器的發(fā)展

林建軍　林子程　楊景文　袁永鋒　林永漢　李書其　葉偉軍

摘 要：電磁離合器在航空航天、汽車、家用設(shè)備等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，本文總結(jié)了近年來電磁離合器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，概括了電磁離合器的分類、理論研究和應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：電磁離合器 分類 理論研究 應(yīng)用

1 引言

離合器是汽車零部件的重要組成部分，在1820年到1830年才出現(xiàn)了多片盤式、干式單片離合器，并且從這時起，除了汽車行業(yè)，其他制造行業(yè)也紛紛引入離合器。約在1920年，離合器出現(xiàn)了一種新的形式：干式單片型電磁離合器。并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了干式多片型、濕式多片型結(jié)構(gòu)。在自動雕刻機(jī)上首先出現(xiàn)了這種技術(shù)。再加上磁力傳動技術(shù)的興起，電磁離合器也就隨之而來，電磁離合器能夠滿足遠(yuǎn)程操控及自動化的要求，且它的響應(yīng)速度很快，操作簡便，調(diào)節(jié)靈敏度很高，生產(chǎn)效率得到了有效的提升，人們看到了電磁離合器的重大潛力，電磁離合器也被投入到各個行業(yè)之中。

世界第一臺離合器誕生于1889年，現(xiàn)今已經(jīng)有了百余年發(fā)展歷史，也已經(jīng)積累了無數(shù)人的知識經(jīng)驗(yàn)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，尤其是當(dāng)下信息時代的快速發(fā)展，對于電磁離合器的發(fā)展有著極大的幫助。在亞洲區(qū)域，日本生產(chǎn)電磁離合器的數(shù)量要遠(yuǎn)高于其他國家，從1966年到1992年，日本電磁離合器的年產(chǎn)量從十萬臺左右提升至500萬臺，實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍。在我國，臺灣某公司于1970年后開始生產(chǎn)電磁離合器，目前每年生產(chǎn)量年也超30萬臺。然而內(nèi)地的電磁離合器技術(shù)和相關(guān)的機(jī)械工藝發(fā)展較晚，在1980年之后才開始有相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研究，但隨著我國近年來的飛速發(fā)展，電磁離合器行業(yè)的研發(fā)也逐步提升，無論在航空、航天、軍工國防、民用機(jī)械等行業(yè)都可以見到電磁離合器的身影?？梢钥闯鑫覈姶烹x合器也受到了極大的關(guān)注，發(fā)展也越來越迅速，在工業(yè)飛速發(fā)展的當(dāng)下，研究電磁離合器技術(shù)無疑是提升國內(nèi)工業(yè)制造地位的得力助手。

2 電磁離合器的分類

離合器的工作原理是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)，如齒輪、摩擦片、凸輪等來傳遞轉(zhuǎn)矩，從而使主動部分與從動部分相互分離，相互接合。而電磁離合器的工作原理是利用磁力傳動來傳遞轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到主動部分與從動部分分離、接合的目的，并且在傳動過程中主動部分與從動部分仍可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

電磁離合器有很多種類，主要有以下四種：

（1）摩擦片式電磁離合器以摩擦片的使用環(huán)境可分為濕式和干式，濕式摩擦片需要潤滑油的降溫和潤滑，干式摩擦片直接與空氣接觸;按摩擦片在磁路位置有磁路內(nèi)、外兩種;按線圈位置有內(nèi)、外和側(cè)置線圈三種。摩擦式電磁離合器的工作原理是通過電磁（彈簧）施加壓力，經(jīng)過彈簧（電磁）釋放壓力，然后利用摩擦片之間的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)耐打擊性好，價格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，摩擦片式電磁離合器型式是目前最常用的一種電磁離合器。同時它也存在著空轉(zhuǎn)力矩、摩擦發(fā)熱、需定期維護(hù)和更換易損零件等缺點(diǎn)。常用于車間機(jī)床、搬運(yùn)拆卸機(jī)械以及汽車工業(yè)。

（2）牙嵌式電磁離合器分為有滑環(huán)和無滑環(huán)兩種形式。牙嵌式電磁離合器的工作原理是利用磁場線圈內(nèi)通入電流產(chǎn)生的電磁力使兩個牙嵌半離合器結(jié)合。較大的力矩、尺寸小、沒有空轉(zhuǎn)力矩、摩擦發(fā)熱等問題。缺點(diǎn)是兩個牙嵌半離合器有不能用于有轉(zhuǎn)速差，只適用于相對靜止的連接。適用于特殊機(jī)床。

（3）磁粉式電磁離合器分為單隙式和復(fù)隙式兩種形式。磁粉離合器在主動部分與被動部分之間加入磁性小粉末，電磁通電時，粉末受到磁力影響磁化，在內(nèi)部規(guī)則排列。磁粉式電磁離合器的工作原理是利用通電磁粉之間的附著力以及磁粉在運(yùn)動時與工作面間產(chǎn)生摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩的。其優(yōu)點(diǎn)是有過載保護(hù)且工作面結(jié)合平穩(wěn)。缺點(diǎn)是性價比低售價高，需要定期更換易磨損零件磁粉。常用于大型機(jī)械，起吊設(shè)備等。

（4）轉(zhuǎn)差式電磁離合器分為雙電樞和單電樞兩種形式，其中單電樞又有爪式和感應(yīng)式的區(qū)分。轉(zhuǎn)差式電磁離合器也經(jīng)常被人稱為渦流離合器，其工作原理是利用內(nèi)部磁場產(chǎn)生渦流，并通過電樞切割磁場，產(chǎn)生電磁力矩使從動部分回轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)可控、能夠傳遞大轉(zhuǎn)矩、工作壽命長、且無更換磨損部件。缺點(diǎn)是因部件多整體尺寸大、動作響應(yīng)時間長、價格比較昂貴。常用于冶金機(jī)械、紡織機(jī)械等。

3 電磁離合器的理論研究

3.1 磁場建模與動態(tài)響應(yīng)分析

電磁離合器可以通過電磁場理論分析其內(nèi)部電磁力，理論基礎(chǔ)是麥克斯韋（Maxwell）方程組。目前，常用的電磁場分析方法有兩種，一種是磁路分割法，另一種是電磁有限元法。

磁路分割法：首先分析電磁鐵的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)能夠得出等效磁路圖，再按照電磁吸力公式以及上述參數(shù)可以計(jì)算出電磁吸力。但是這種方法忽略了漏磁現(xiàn)象的發(fā)生，若材料為非線性，則此測試方法并不適用。且當(dāng)出現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或材料不同的磁場計(jì)算往往會出現(xiàn)較大的計(jì)算誤差。

電磁有限元法：基于Maxwell方程組，利用數(shù)值計(jì)算方法求解，計(jì)算的結(jié)果能夠直接反映出電磁場的分布情況。這種方法適用范圍更廣且計(jì)算更精準(zhǔn)。在建模時更多采用有限元法，解得磁勢和電磁的場分布值，再通過相關(guān)的電磁力公式可以計(jì)算出電磁場中其他相應(yīng)參數(shù)。

設(shè)計(jì)一個電磁離合器需要解決諸多問題，其中最關(guān)鍵的是得到該電磁離合器電磁場產(chǎn)生的電磁力大小。我們一般使用ANSYS分析軟件模擬電磁場，通過改變電磁場的結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)，可以得到電磁力的變化過程。ANSYS軟件是一款基于計(jì)算機(jī)平臺的主流有限元分析軟件。除了電磁場以外，它還是融結(jié)構(gòu)、流體、聲場的有限元分析軟件。其中emag和multiphysics模塊可以用來輔助分析電磁場。

3.2 轉(zhuǎn)矩分析

轉(zhuǎn)矩是電磁離合器的一個重要性能參數(shù)。值得注意的是，要避免在電磁離合器的啟動過程中啟動力矩過小即小于慣性力矩與負(fù)載力矩之和。還要關(guān)注負(fù)載力矩（M負(fù)）和電磁離合器的最大靜力矩（M靜）的數(shù)值大小，若負(fù)載力矩（M負(fù)）大于電磁離合器的最大靜力矩（M靜），電磁離合器的內(nèi)齒罩和內(nèi)齒端蓋會失去同步，從而發(fā)生跳齒現(xiàn)象。在使用電磁離合器之前可以先進(jìn)行模擬數(shù)值分析，通常用到Maxwell分析軟件。首先計(jì)算的數(shù)據(jù)是電磁離合器的總磁阻，然后通過磁場能量公式等原理計(jì)算出電磁離合器的電磁轉(zhuǎn)矩。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)外齒轉(zhuǎn)差角能夠影響電磁離合器的電磁性能以及轉(zhuǎn)矩特性，當(dāng)轉(zhuǎn)差角增大時，分析得到電磁轉(zhuǎn)矩基本呈正弦規(guī)律變化。

4 電磁離合器的應(yīng)用

4.1 汽車空調(diào)

汽車空調(diào)壓縮機(jī)的主要控制部件是電磁離合器。其工作原理是電磁離合器通電在內(nèi)部產(chǎn)生電磁力，電磁力能夠催動驅(qū)動部件與壓縮機(jī)的皮帶相結(jié)合，使驅(qū)動部件吸附到壓縮機(jī)的皮帶端面。汽車發(fā)動機(jī)驅(qū)使皮帶輪轉(zhuǎn)動，從而在驅(qū)動部件轉(zhuǎn)動，并且驅(qū)動部件與皮帶端面之間產(chǎn)生了巨大的摩擦力，帶動了壓縮機(jī)的工作。汽車空調(diào)電磁離合器屬輔助配套產(chǎn)品，由于制造工藝復(fù)雜、專業(yè)化強(qiáng)，主機(jī)廠一般不進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)，國內(nèi)市場主要有兩種，一種是整車配套，另一種是維修配件。2019年中國汽車?yán)塾?jì)銷量2577萬輛，全球新車總銷售量約為9030萬輛，加之汽配市場的需求，國內(nèi)外汽車空調(diào)用電磁離合器市場合計(jì)近百億規(guī)模，市場前景十分廣闊。

4.2 閥門

閥門的電磁離合器由主動側(cè)和從動側(cè)組成，端面設(shè)有傳遞扭矩的傳動齒。主動側(cè)和從動側(cè)的連接方式不同，主動側(cè)與傳動軸用花鍵聯(lián)接，從動側(cè)與過渡盤用螺釘固定，過渡盤的另一側(cè)與傳動裝置連接。其工作原理是主動側(cè)離合器類似牙嵌式電磁離合器，內(nèi)部線圈通電時產(chǎn)生電磁力，電磁力使主動側(cè)與從動側(cè)吸合并傳遞轉(zhuǎn)矩。從動側(cè)離合器類似摩擦片式電磁離合器，通電時內(nèi)部彈簧壓縮蓄能，斷電時壓縮彈簧復(fù)位，兩個離合器分離以斷開傳遞的扭矩。根據(jù)不同場地的不同情況，可以智能控制離合器通電、斷電，以及設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)矩，從而可以控制現(xiàn)場閥門的閉合。

4.3 機(jī)器人

針對搜救環(huán)境下復(fù)雜多變的地形環(huán)境，目前開發(fā)了一種機(jī)動性高、越障能力強(qiáng)的輪腿可變搜救機(jī)器人。其中，以電磁離合器為主體的位形變換機(jī)構(gòu)，通過電磁離合器的通、斷電，使得搜救機(jī)器人的車輪可以在輪式模式與弧腿模式相互自由切換，更好地適應(yīng)不同的搜救環(huán)境，從而完成高速有效的搜救工作。

5 總結(jié)

本文簡述了電磁離合器的發(fā)展歷程，世界上第一臺電磁離合器誕生于1889年，在當(dāng)下迅速發(fā)展的時代中，電磁離合器在亞洲內(nèi)的發(fā)展近況。并且詳細(xì)說明了電磁離合器的分類，四種常見的電磁離合器的工作原理，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)和常見的工作場景。并簡單概括了電磁場建模和動態(tài)響應(yīng)分析以及矩陣特性研究的最新進(jìn)展，通常使用有限元分析法分析計(jì)算電磁力。概括了電磁離合器在汽車空調(diào)、閥門、機(jī)器人等領(lǐng)域的不同應(yīng)用?？梢钥闯鲭姶烹x合器作為一個重要的傳動和控制零件，市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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